Cel ćwiczenia
Celem ćwiczenia jest wyznaczenie stałej szybkości hydrolizy (inwersji) sacharozy katalizowanej jonami
, metodą polarymetryczną.
Wstęp teoretyczny
Szybkość reakcji chemicznej r, zachodzącej w stałej objętości to zmiana stężenia molowego
w jednostce czasu, przy uwzględnieniu współczynników stechiometrycznych
w określonym momencie trwania reakcji:
Dla reakcji zapisanej ogólnie:
,
szybkość r można wyrazić:
, gdzie:
i
- stężenia molowe substratów;
i
- stężenia molowe produktów.
Zależność szybkości reakcji od stężenia produktu wyraża równanie kinetyczne reakcji. Dla opisywanej, ilustracyjnej reakcji, przyjmuje ono postać:
Wykładniki potęg
i
określają rząd reakcji. Współczynnik proporcjonalności
, nazywamy stałą szybkości reakcji. Jest to wielkość charakterystyczna dla danej reakcji.
Reakcja pierwszego rzędu, to reakcja, którą można schematycznie zapisać:
Równanie kinetyczne dla takiej reakcji ma postać:
.
Reakcja hydrolizy sacharozy w środowisku kwaśnym przebiega zgodnie z równaniem:
sacharoza glukoza fruktoza
Równanie kinetyczne dla reakcji hydrolizy sacharozy można zapisać:
Stężenie wody w mieszaninie reakcyjnej jest znacznie większe od stężenia sacharozy
i praktycznie nie ulega zmianie. Można zatem równanie kinetyczne dla tej reakcji zapisać równaniem kinetycznym reakcji pierwszego rzędu:
.
(jony
są w tej reakcji katalizatorem)
Sacharoza, glukoza i fruktoza, to substancje optycznie czynne. Dlatego do wyznaczenia zmian stężenia reagentów można wykorzystać pomiary polarymetryczne. Sacharoza jest prawoskrętna, a roztwór zawierający produkty inwersji jest lewoskrętny. Można to łatwo wytłumaczyć. Stężenia glukozy i fruktozy powstałych w reakcji są równe. Jednak różnią się ich skręcalności właściwe. Fruktoza jest lewoskrętna, a glukoza prawoskrętna. Skręcalność właściwa fruktozy wynosi:
, a glukozy:
. Mieszanina poreakcyjna, zwana cukrem inwertowanym, wynosi:
W metodzie polarymetrycznej, stałą szybkości reakcji można wyznaczyć ze wzoru:
, gdzie:
- kąt skręcenia płaszczyzny polaryzacji przez mieszaninę reakcyjną na początku reakcji
;
- kąt skręcenia płaszczyzny polaryzacji po czasie t
- kąt skręcenia płaszczyzny polaryzacji po zakończeniu reakcji
.
3 Opis metody pomiarowej
Po pobraniu roztworu sacharozy, przygotowuje się jego roztwór z kwasem siarkowym (VI) o stężeniu
w proporcjach podanych przez prowadzącego pracownię. Następnie miesza się go. Tak otrzymanym roztworem napełnia się po brzegi rurkę polaryzacyjną, której szczelność sprawdzamy i którą wycieramy. Potem, ową rurkę umieszcza się w polarymetrze. Resztę roztworu umieszcza się w termostacie w temperaturze
, w celu przyspieszenia reakcji inwersji sacharozy. Co 10 minut dokonuje się pomiarów kąta skręcenia płaszczyzny polaryzacji z dokładnością do
za pomocą polarymetru. Po kilku takich pomiarach, rurkę polarymetryczną napełnia się roztworem wyjętym z termostatu po czasie 120min, czyli roztworem, w którym inwersja cukru zaszła całkowicie. Dokonuje się pomiaru kąta skręcenia płaszczyzny polaryzacji owego roztworu.
4 Pomiary i obliczenia
Tabela 1
|
|
|
|
0 |
15,25 |
-19,25 |
0 |
15 |
13,3 |
-17,3 |
0,1068 |
30 |
11,8 |
-15,8 |
0,1975 |
45 |
9,9 |
-13,9 |
0,3256 |
60 |
8,1 |
-12,1 |
0,4643 |
75 |
6,6 |
-10,6 |
0,5966 |
90 |
5,4 |
-9,4 |
0,7168 |
105 |
4,1 |
-8,1 |
0,8656 |
120 |
2,8 |
-6,8 |
1,0405 |
Obliczenia:
np.: dla
,
Wykres
:
:
Wartość nachylenia prostej, wynosząca około
, to wyznaczona doświadczalnie stała szybkości inwersji sacharozy katalizowanej jonami
.
5.Wnioski
Kąt skręcenia płaszczyzny polaryzacji jest proporcjonalny do stężenia substancji optycznie czynnej, c, i długości rurki polarymetrycznej L:
, gdzie
, to skręcalność właściwa substancji optycznie czynnej. Zatem badana reakcja jest reakcją pierwszego rzędu (zależność
jest prostoliniowa, o czym mówi współczynnik korelacji bardzo bliski jedności).
Stała szybkości reakcji obliczona na podstawie doświadczenia ma bardzo małą wartość rzędu
. Jest to bardzo wiarygodna wartość, gdyż reakcja inwersji sacharozy przebiega bardzo powoli. Nawet w podwyższonej temperaturze nie należy ona do najszybszych procesów.
Metoda pomiarowa wykorzystana w tym doświadczeniu jest dość dokładna, gdyż dokonywane pomiary mają dokładność do
. Błędy w wyznaczeniu stałej szybkości reakcji, które mogą tutaj wystąpić, mogą wynikać z nieprecyzyjnego sporządzenia roztworu sacharozy z kwasem siarkowym (VI) oraz z niedoskonałości ludzkiego wzroku.
1