Работа 5.3. Изучение кинетики ИНВЕРСИИ САХАРОЗЫ.

Цель работы – определение константы скорости и периода полупревращения реакции инверсии сахарозы по измерению меняющегося со временем угла вращения плоскости поляризации раствора.

Оборудование: поляриметр (сахариметр), аналитические весы, секундомер, колбы 100 мл, стаканы 50 мл, фильтровальная бумага.

Реактивы: сахароза, 6 моль/л (или 10 %) раствор HCL, дистиллированная вода.

Процесс инверсии сахарозы представляет собой гидролитическое расщепление биозы C₁₂H₂₂O₁₁ на две монозы – глюкозу и фруктозу:

C₁₂H₂₂O₁₁ + H₂O → C₆H₁₂ O₆ + C₆H₁₂O₆ .

Эта реакция практически необратима и по своему механизму является бимолекулярной. Поскольку инверсия протекает в водном растворе при большом избытке воды, концентрация ее в ходе реакции меняется незначительно и скорость инверсии зависит только от концентрации сахарозы, т.е. эта реакция протекает как реакция первого порядка. В нейтральной среде скорость инверсии сахарозы очень мала, она значительно возрастает в присутствии ионов водорода как катализатора.

Сахароза и продукты ее расщепления, обладая асимметричным атомом углерода, являются оптически активными веществами. Поэтому, если через раствор сахарозы пропускать поляризованный свет, то наблюдается смещение плоскости колебания поляризованного луча. Угол смещения плоскости колебания поляризованного луча на- зывается углом вращения плоскости поляризации (α) и зависит от природы и концентрации вещества, толщины слоя раствора и температуры. Он связан с концентрацией вещества С и толщиной слоя раствора l соотношением

α = ± [α]Cl, 5.41

где α – угол вращения;

[α] – удельное вращение при C = 1 г/мл, l = 1 дм, t = 20⁰С. Знаки «+» и «–» отвечают соответственно правому и левому вращению. У тростникового сахара [α] = +66,55^о, у глюкозы [α] = +52,56^о, у фруктозы [α] = -91,9^о. Для смеси оптически активных веществ угол вращения представляет собой алгебраическую сумму углов вращения отдельных веществ. Водный раствор сахарозы вращает плоскость поляризации вправо, а смесь продуктов инверсии – влево. Поэтому, по мере течения реакции, угол вращения уменьшается, падает до нуля и затем становится отрицательным. Окончанию реакции соответствует пре- дельное отрицательное значение угла вращения (α_∞).

Константа скорости реакции может быть вычислена:

5.42

Пусть в момент τ осталась непроинвертированной доля сахарозы y. Угол вращения определяется этой долей непрореагировавшего сахара и равен yα_о, где α_о – угол вращения исходной смеси растворов сахарозы и кислоты в самом начале реакции при τ = 0 и y = 1. С другой стороны, в ходе реакции доля продуктов инверсии составляет (1-y). В конце реакции угол вращения этих продуктов был бы равен α_∞, а в момент τ он равен α_∞(1- y). α_∞ - угол вращения продуктов полного гидролиза сахарозы.

Угол вращения реакционной смеси равен сумме углов вращения сахарозы и продуктов ее инверсии. Поэтому в момент времени τ

, 5.43

откуда 5.44

Очевидно, концентрация непроинвертированной сахарозы в любой момент от начала реакции будет равен yС₀. Поэтому, на основании уравнения 5.42 получим

5.45

Угол вращения продуктов полного гидролиза сахарозы моет быть рассчитан по следующей формуле:

5.46

где - удельные углы вращения глюкозы, фруктозы и сахарозы, а М_гл, М_ф, М_с молекулярные веса тех же веществ. Подставляя в формулу 5.46 числовые значения, получаем:

α_∞ = -0,311 α_0.

Методика измерения угла вращения на поляриметре (сахариметре)

Для измерения угла вращения раствора используют специальные оптические приборы – поляриметры (рис. 5.8).

1 2 3 4 5 6 7 8

Рис. 5.8. Схема поляриметра: 1 – источник света, 2 – светофильтр, 3 и 4 – поляризаторы, 5 – трубка с раствором, 6 – анализатор, 7 – шкала, 8 – окуляр

Основными частями поляриметра являются поляризаторы и анализатор. Поляризаторы представляют собой призмы Николя, меньшая из которых прикрывает часть поля зрения. Плоскости поляризации этих призм находятся под некоторым углом друг к другу, поэтому поле зрения в окуляре разделено на две части, отличающие- ся по яркости освещения. Призма анализатора (также Николь) может вращаться вокруг оптической оси прибора, при этом изменяется освещенность поля зрения (рис. 5.9).

Рис. 5.9. Поле зрения в поляриметре.

Вращением анализатора можно найти такое положение, при котором призмы оказываются скрещенными, и проходящий свет гасится. В этот момент все поле зрения равномерно затемнено, что соответствует «нулевому» положению прибора (рис. 5.9, б).

При наличии между поляризатором и анализатором трубки с раствором оптически активного вещества, вращающимся на угол α, появляется полутень (рис. 5.9, а; в). Чтобы вернуться к «нулевому» положению, следует повернуть анализатор на такой же угол. Этот угол отсчитывают с помощью нониуса с точностью до 0,1^о на шкале 7, вращающейся вместе с анализатором. Отчеты производят следующим образом: ноль нониуса указывает на шкале число градусов с точностью до 1^о ; десятые доли граду са определяют по делению нониуса, совпадающему с делением основной шкалы. Так, например, положение, изображенное на рис. 5.10, соответствует 20,3^о : нуль нониуса расположен правее нуля шкалы на 20 полных делений, и в правой части нониуса с одним из делений шкалы совмещается третье деление нониуса. При вращении анализатора в противоположную сторону отсчитывают отрицательные углы вращения. Десятые доли градуса опре- деляют по делениям в левой части нониуса.

Рис. 5.10. Пример отсчета по нониусу.