Исследование кинетических закономерностей необратимой реакции первого порядка

Химическая кинетика и катализ

1.Цель работы

В данной работе следует ознакомиться с одним из оптических мето­дов изучения кинетики реакции и определить аналитически и графи­чески среднюю константу скорости инверсии тростникового сахара.

2. Теоретическая часть

Процесс инверсии сахара является гидролитическим расщеплением сахарозы С₁₂Н₂₂О₁₁ на глюкозу и фруктозу и сопровождается измене­нием направления угла вращения плоскости поляризации:

С₁₂Н₂₂О₁₁+Н₂О С₆Н₁₂О₆+С₆Н₁₂О₆

сахар глюкоза фруктоза

Эта реакция практически необратима и по своему механизму относится к бимолекулярным. Следовательно, скорость ее может быть рассчи­тана по уравнению:

, (1)

где с₁ = с_сахар, с₂ = с_вода

Поскольку инверсия протекает в водном растворе, где молярная кон­центрация воды значительно больше молярной концентрации сахарозы, то убыль Н₂0 за счет реакции мала по сравнению с общим коли­чеством воды в системе и содержание ее даже в сравнительно кон­центрированных растворах можно считать постоянным. Поэтому уравнение (1) преобразуется:

(2)

Таким образом, скорость инверсии зависит только от концентрации сахара, т. е. эта реакция протекает как реакция первого порядка и константа скорости инверсии сахара может быть рассчитана по урав­нению:

, (3)

где с₀ – концентрация сахара в исходном растворе; с_х — концент­рация сахара, прореагировавшего за время t, t – время от начала реакции до момента данного измерения; с₀ - с_х — концент­рация сахара в данный момент. Скорость инверсии сахара в нейтраль­ной среде очень мала. Присутствие ионов водорода, как катализатора, ускоряет реакцию и делает ее доступной для наблюдения, причем скорость инверсии пропорциональна концентрации ионов водорода в растворе.

Оптические свойства растворов сахарозы. Тростниковый сахар и продукты его разложения принадлежат к числу оптически активных веществ, т. е. веществ, способных изменять положение плоскости поляризации проходящего через них поляризованного света (света, в котором колебания происходят в определенной плоскости). Оптиче­ская активность связана с наличием в молекуле асимметричных атомов углерода. Оптические изомеры отличаются по своему строению друг от друга, как несимметричный предмет отличается от своего зеркаль­ного изображения. По своим физическим и химическим свойствам такие молекулы одинаковы и отличаются только различным по направ­лению, но одинаковым по величине смещением плоскости поляризации света. Угол смещения плоскости колебаний поляризованного луча называется углом вращения плоскости поляризации. Угол вращения плоскости поляризации a прямо пропорционален толщине слоя d и концентрации активного вещества с (Био, 1831 г.)

a = adc, (4)

где a — коэффициент пропорциональности (постоянная поляризации или удельное вращение), который зависит от природы вещества, длины волны, температуры и природы растворителя.

Удельное вращение равно углу вращения (выраженному в градусах) в слое раствора толщиной 1 дм, содержащего 1 г вещества в 1 мл при 20⁰, при определенной длине волны.

Зная угол вращения, удельное вращение и толщину слоя раствора, легко рассчитать концентрацию раствора. Скорость инверсии тростникового сахара устанавливается по измерению меняющегося со временем угла вращения плоскости поляризации исследуемого раствора. Для этого используются специальные оптические приборы – поляриметры.

Тростниковый сахар вращает плоскость поляризации вправо (a=66, 55⁰), глюкоза вращает вправо (a=52, 5⁰), а фруктоза – влево (a= -91, 9⁰). Поэтому по мере протекания инверсии угол вращения плоскости поляризации уменьшается, падает до нуля и затем становится отрицательным. Окончанию реакции соответствует предельное, не изменяющееся уже больше отрицательное значение угла вращения a_∞ .