Ćw. 7.2 KINETYKA REAKCJI I RZĘDU - HYDROLIZA SACHAROZY

1. Wstęp teoretyczny:

Światło białe składa się z promieni o rożnej długości fali . Drgania tych fal zachodzą w płaszczyznach prostopadłych do kierunku rozchodzenia się fali.

Światło monochromatyczne tzn. złożone z promieni o jednakowej długości fal, składa się również z fal drgających w wielu płaszczyznach prostopadłych do kierunku biegu promieni. Można je otrzymać ze specjalnych źródeł światła np. lampy sodonowej, rtęciowej bądź lasera czy specjalnych pryzmatów optycznych.

Światło spolaryzowane liniowo charakteryzuje się tym że jego drgania zachodzą tylko w jednej płaszczyźnie. Światło spolaryzowane można zaobserwować również w momencie przechodzenia wiązki światła przez gładką granicę dwóch ośrodków optycznych. Powstaje przy tym promień odbity i załamany które są spolaryzowane. O zjawisku tym mówi prawo odbicia i załamania.

Zjawisko skręcenia płaszczyzny polaryzacji światła polega na tym że jeśli przez pewne ciało przepuszczamy promienie światła spolaryzowanego to płaszczyzna polaryzacji tego światła ulega skręceniu. Ciała wykazujące tę właściwość nazywamy optycznie czynnymi. Czynność optyczna uwarunkowana jest budową przestrzenną kryształów danej substancji (Si)2, NaCIO3, PbCL2 i inne) oraz specjalną budową przestrzenną cząsteczek substancji (niezależnie od stanu skupienia substancje tez wykazują czynność optyczną). Budowa cząsteczek tych związków musi być asymetryczna tzn. nie może mieć ani środka ani płaszczyzny symetrii.

Cząsteczki związków organicznych optycznie czynnych tworzą tak zwane izomery optyczne tj. cząsteczki tego samego związku różniące się tylko własnościami krystalograficznymi oraz fizjologicznymi. Umiejscowienie poszczególnych atomów w tych cząsteczkach ma miejsce na zasadzie lustrzanego odbicia. Izomery te są odpowiednio prawo i lewoskrętne co oznacza iż skręcają płaszczyznę polaryzacji światła w lewą bądź prawą stronę.

Centrum asymetrii w cząsteczce nie warunkuje jednak jej aktywności optycznej ponieważ w cząsteczkach posiadających dwa centra asymetrii tworzy się płaszczyzna symetrii tym samym cząsteczka nie skręca płaszczyzny światła.

Kąt skręcania płaszczyzny polaryzacji światła mierzy się za pomocą polarymetru. Światło wychodzące z polaryzatora i napotykające cząsteczki substancji optycznie czynnej skręca płaszczyznę swych drgań w lewo lub w prawo zależnie od rodzaju substancji. W polarymetrach stosuje się światło monochromatyczne o ustalonej długości fal gdyż skręcalność substancji optycznie czynnych zależy od długości fali.

Do badania sacharozy i kilku innych cukrów służy natomiast sacharymetr. Możliwe jest w nim stosowanie do pomiarów światła białego. Wartość kąta skręcenia płaszczyzny polaryzacji odczytana na skali polarymetru jest zależna od liczby cząsteczek substancji optycznie czynnej, na które trafia wiązka światła spolaryzowanego oraz od indywidualnych cech danej substancji.

Skręcalność właściwa jest to kąt skręcenia płaszczyzny polaryzacji światła wywołany przez ustaloną ilość substancji optycznie czynnej, w przypadku cieczy - gdy wypełnia ona w całości rurkę o długości 1 dm, w przypadku roztworów - gdy roztwór o stęż. 1g/1ml wypełnia rurkę o dł. 1 dm, w przypadku ciała stałego - gdy grubość warstwy kryształu wynosi 1mm. Zależność kąta skręcenia od stężenia pozwala na zastosowanie pomiaru kąta alfa do oznaczania stężenia substancji optycznie czynnych.

2. Opis wykonania:

1. Włączyłam polarymetr i sprawdziłam jego punkt zerowy, w tym celu napełniłam rurkę o długości 20 cm wodą destylowaną i umieściłam ją w komorze pomiarowej a następnie ustaliłam punkt zerowy.

2. Odważyłam na wadze analitycznej 15 g sacharozy.

3. Rozpuściłam sacharozę w kolbce 50 cm3 tym samym otrzymałam roztwór I.

4. Odmierzyłam 20 cm3 roztworu I i umieściłam go w kolbce 50 cm3 dopełniając ją wodą destylowaną, w wyniku tej czynności otrzymałam roztwór II.

5. Wypełniłam rurkę polarymetru roztworem II tak aby w rurce nie znajdowały się pęcherzyki powietrza.

6. Oznaczyłam skręcalność początkową roztworu II (alfa 0).

7. Odmierzyłam 20 cm3 roztworu I oraz 15 cm3 roztworu kwasu siarkowego o stęż. 4 mol/dm3 i dopełniłam kolbkę wodą destylowaną.

8. Z chwilą dodania pierwszych kropel kwasu do roztworu włączyłam stoper (jest to początek reakcji hydrolizy tj. inwersji sacharozy). Tym samym otrzymałam roztwór III.

9. Wypełniłam rurkę polarymetru roztworem III po upływie 5 minut zanotowałam wartość kąta skręcenia płaszczyzny polaryzacji (alfa t).

10. Dokonałam dalszych pomiarów kąta skręcenia płaszczyzny polaryzacji w odstępach co 5 min.

11. Po zakończeniu pomiarów napełniłam rurkę polarymetry roztworem II oraz zmierzyłam kąt skręcenia płaszczyzny polaryzacji (alfa).

12. Po dokonaniu wszystkich pomiarów opróżniłam rurkę polarymetru oraz uporządkowałam stanowisko.

3. Wyniki pomiarów i obliczenia:

Kąt α dla wody destylowanej = 0°

Kąt α₀= 18,26°

Kąt α= 17,55°

Długość rurki polarymetru = 20 cm

Stężenie roztworu kwasu siarkowego 4 mol/dm3

Wielkość naważki sacharozy 15g

Temperatura pomiarów: 293K = 20°C

Numer i czas pomiaru	Wartość kąta αt [°]
5 min 300 s	13,56
10 min 600 s	11,92
15 min 900 s	7,89
20 min 1200 s	5,79
25 min 1500 s	4,26
30 min 1800 s	3,02
35 min 2100 s	1,68
40 min 2400 s	0,78
45 min 2700 s	-0,19
50 min 3000 s	-0,72

2. Skręcalność końcowa:

α∞ = -α₀ (0,44 - 0,005 T)

α∞ = - 18,26° (0,44 - 0,005 * 20°C

α∞ = - 18,26° * 0,34

α∞ = - 6,2084

3. Stężenie roztworu sacharozy:

Cr = ms/mr * 100%

ms = 15g

mr = 15 + 50 = 65cm3

Cr = 15g/65cm3 * 100%

Cr = 23,07 g/cm3

4. Wartość skręcalności właściwej sacharozy [α]_D²⁰

α = K * [α]_D²⁰ * l * c

K = 1/100

C= 23,07 g/cm3

l = 2 dm

α = 18,26°

18,26° = 1/100 * [α]_D²⁰ *2dm * 23,07g/dm3

18,26° = 0,4614 * [α]_D²⁰

[α]_D²⁰ = 39,58°

4. Wnioski:

Na podstawie wykonanego doświadczenia możemy wykazać iż skręcalność substancji optycznie czynnych zależy od długości fali jaką stosujemy w polarymetrze, a także od stopnia hydrolizy substancji optycznie czynnej tj. stopnia jej inwersji. Możemy zauważyć iż w zależności od upływu czasu, a co za tym idzie stopnia hydrolizy zmieniały się właściwości roztworu sacharozy. Kąt skręcania płaszczyzny polaryzacji światła zmienia się wraz ze wzrostem stopnia inwersji sacharozy.

Wielkość kąta skręcenia płaszczyzny polaryzacji światła jest uwarunkowana składem mieszaniny w danym momencie reakcji ponieważ kąt skręcenia jest wprost proporcjonalny do stężenia roztworu substancji optycznie czynnej.

---