Работа 1. Изучение скорости инверсии тростникового сахара

 

Сахароза (S) гидролизуется с образованием D-глюкозы (G) и D-фруктозы (F)

                                             D-глюкоза     D-фруктоза

Без катализаторов реакция практически не идет, но ускоряется при добавлении кислот (специфический катализ). Предложен следующий механизм катализа:

Равновесие на первой стадии устанавливается очень быстро, а распад комплекса  на продукты является скоростьопределяющим. Реакцию проводят в водных растворах с начальной концентрацией сахарозы ≈10% (масс). Но из-за большой разницы молекулярных масс воды (18) и сахарозы (344) молярная концентрация сахарозы невелика. Изменение концентрации воды в ходе опыта незначительно, им можно пренебречь. Реакция имеет первый порядок, как по сахарозе, так и по воде. Скорость реакции в этом случае может быть записана: , где . Тогда константа скорости псевдопервого порядка  может быть вычислена по уравнению.

В условиях специфического катализа  будет зависеть от концентрации протонов:

                                                                     

Сахароза и продукты ее гидролиза обладают асимметрическими атомами углерода и являются оптически активными. При прохождении линейно поляризованного света через растворы этих веществ происходит вращение плоскости поляризации.

Для растворов оптическое вращение (угол вращения плоскости поляризации)  прямо пропорционально толщине слоя раствора  и концентрации активного вещества :

                                   ,                                   

где  - удельное вращение (т.е. вращение при  =1дм и  =1г/мл). Величина  зависит от температуры, длины волны поляризованного света и природы растворителя. При 20°С, длине волны = 589.3 нм (желтая линия D натриевого спектра) для водных растворов сахарозы =66.5°; для глюкозы =52.7°, для фруктозы = - 92°. Т.к. фруктоза вращает сильно влево, то при анализе угол вращения уменьшается вплоть до отрицательных значений. По этой причине реакцию часто называют инверсией - переворачивание, перестановка. Для смеси оптически активных веществ угол вращения равен алгебраической сумме углов вращения для каждого оптически активного вещества.

Если обозначить  - угол вращения в момент начала реакции,  - угол вращения в момент времени ,  - угол вращения в момент окончания реакции, то уравнение может быть записано следующим образом:

                                                               

Настоящая работа является примером использования физико-химического метода анализа - поляриметрии. Измерение угла вращения плоскости поляризации света проводится с помощью поляриметра POLAX-2L.

 

 

Рис. 3. Поляриметр POLAX-2L.

 

Названия и функции основных частей поляриметра:

1 - Окуляр. Служит для сравнения яркости прозрачных полукруглых световых полей. Если прозрачные полукруги не в фокусе, поверните верхнее кольцо окуляра, чтобы сфокусировать их.

2 - Индикаторная панель. Выводит значение измерения (угол вращения или значение в международной сахарной шкале) или температуру предметного столика при измерении.

3 - Крышка камеры для проб. Она защищает камеру от попадания нежелательного проходящего света. Обязательно закрывайте ее перед выполнением калибровки прибора или измерений.

4 - Датчик температуры. Измеряет температуру на предметном столике.

5 - Предметный столик. Для измерения пробы или установки прибора на нуль поместите трубку, содержащую жидкость, на него.

6 - Переключатель индикации. С его помощью можно переключать индикацию панели между двумя шкалами (DEG - угол вращения и ⁰Z - международная сахарная шкала).

 

Рис. 4. Панель управления поляриметра.

 

Названия и функции кнопок:

1 - Кнопка ZERO SET обнуляет показания на индикаторной панели. Не нажимайте на нее, за исключением тех случаев, когда вы устанавливаете прибор на ноль!

2 - Лампа ZERO SET READY. Она горит в том случае, если прибор готов к установке на ноль.

3 - Кнопка ROTATE (R+) - правое вращение. При нажатии данной кнопки поле прозрачных полукругов, видимое через окуляр, медленно вращается против часовой стрелки, и значение на панели индикации возрастает.

4 - Кнопка ROTATE (R–) - левое вращение. При нажатии данной кнопки поле прозрачных полукругов медленно вращается по часовой стрелке, и значение на панели индикации уменьшается.

5 - Кнопка temp. При ее нажатии одновременно с любой из кнопок ROTATE вращение происходит быстрее, а значение на панели индикации также быстро возрастает или уменьшается. При нажатии и удерживании клавиши в течение 2-х секунд и более, на панели индикации выводится температура предметного столика.

 

 

Рис. 5. Строение поляриметрической (обсервационной) трубки.

 

 Наполнение поляриметрической трубки:

· Поверните одно из крепежных колец против часовой стрелки, чтобы снять их. Удалите резиновое кольцо и торцевое стекло.

· Держа поляриметрическую трубку вертикально, заполните ее пробой так, чтобы образовался круглый мениск. Осторожно надвиньте торцевое стекло сбоку на конец стеклянной трубки, срезая верхний слой жидкости. Если торцевое стекло плотно прилегает к стеклянной трубке, в ней не должно оставаться пузырьков воздуха.

· Поместите резиновое кольцо на торцевое стекло и затяните крепежное кольцо.

· Если в поляриметрической трубке остались пузырьки воздуха, соберите их в воздухоуловитель.

 

Если выключатель источника питания или любой другой выключатель на панели управления не используется 5 минут и более, то прозрачные полукруглые поля исчезают из поля зрения окуляра, т.к. источник света автоматически отключается в целях энергосбережения. Чтобы включить его снова, нажмите кнопку temp.