（山西水利職業(yè)技術學院，山西 運城 044004）

蔗糖轉化反應是大學物理化學需要掌握的重點，選擇使用旋光儀測定旋光度，利用旋光度和被測物濃度之間的定量關系繪制標準曲線，將外推法得到的甘蔗提取液初始濃度代入，計算即可得到甘蔗的蔗糖含量。蔗糖作為人體必不可少的六大營養(yǎng)元素之一，其研究應用一直是化學實驗的熱門項目，不僅如此，醫(yī)藥方面的應用前景也極其廣闊。綜合實驗設計不僅為學生自主研究提供了極大的可能性，學生的獨立思考能力也得到很大提高。

1 綜合實驗設計

1.1 目的要求

（1）熟練掌握旋光度和蔗糖濃度之間標準曲線的繪制方法，了解反應物濃度和旋光度之間的關系。

（2）了解旋光儀的基本原理，掌握其使用方法。

1.2 實驗原理

蔗糖在水中轉化為葡萄糖和果糖，其反應式為：

這是一個二級反應，在純水中反應很慢，通常需要在H+催化下進行，反應中水是大量的，盡管反應需要消耗水，但仍可認為反應中水的濃度不變。H+是催化劑，其濃度不變。因此，在溶液中進行的蔗糖轉化的反應，可看作一級反應。

式中：c為t時刻的反應物濃度；k為反應速率常數。

積分（1）式，可得

式中：c0為反應開始時反應物的濃度。

溶液的旋光度與溫度、液層厚度、溶劑、溶質的旋光性以及濃度有關。當除濃度以外的其他條件固定時，旋光度α與溶液的濃度c成正比，即

式中：β為比例常數。

將（3）帶入（2）式，可得：

由（2）式不難看出，以lnc在對t作圖可得一條直線，由其截距可求初始濃度c0。在動力學研究方面，要快速測出t時刻的濃度c，常采用的方法是測定隨著反應的進程而變化的體系的物理性質，如吸光度、旋光度、壓力等。本實驗通過測定體系的旋光度來反映參加反應的物質的濃度。結合（4）式，測定t時刻的旋光度α，以lnα對t作圖，外推以求得α0，在標準曲線上取點進而計算初始濃度。

本實驗采取直接從新鮮甘蔗中榨取甘蔗汁，也就是粗提純的蔗糖溶液，設定該條件下的蔗糖濃度為初始濃度，若根據上述方法求得初始濃度，即是提取液中的蔗糖濃度，再根據標準溶液的曲線可求得新鮮甘蔗中的蔗糖含量。

1.3 儀器和試劑

WXG-4旋光儀（改造）1臺；磨口三角瓶（250ml）2個；烘箱、電子天平；容量瓶（500ml）3個；燒杯（50ml）3個；滴管1支；SHB-3循環(huán)水多用真空泵1臺；移液管（25ml）公用；室溫溫度計（0～100℃）；甘蔗制樣分解機1臺；玻璃棒；布氏漏斗1個；濾紙；HCl（4.0mol／dm-3）；蔗糖（分析純）；新鮮甘蔗、蒸餾水；秒表。

1.4 實驗步驟

1.4.1 旋光儀的使用及讀數

旋光儀的操作分以下4步：

（1）如圖1所示，打開旋光儀的電源，罩上燈罩，1分鐘后，移開遮光板，使透光孔對準起偏鏡。從目鏡右（或左）側小孔觀測，同時調節(jié)使讀數為“10度”。（2）調節(jié)目鏡頸部的調焦螺旋，使三分視野清晰可見。（3）調節(jié)細調旋鈕，使三分視野消失，此時的讀數即為“儀器零點”。（4）測試時，始終調整三分視野清晰可見，即可讀數。

旋光儀的讀數：旋光儀目鏡左右兩側各有一個直徑為5mm的讀數放大鏡，通過它可光測讀數窗中的儀器刻度。讀數方法：副尺的零刻度在主尺上過“幾”就讀“整數幾”；副尺“那條刻度線”和主尺先對齊，該副尺刻度線的值即為讀數的小數部分。副尺可讀兩位小數，第二位小數不是“0”即是“5”讀數。

圖1 旋光儀示意圖

1.4.2 甘蔗中蔗糖的提取及測定步驟

（1）用電子天平稱取新鮮甘蔗兩份，記下它們的質量m1和m2。（2）削皮，用榨汁機將其榨汁備用。（3）將榨汁機中的甘蔗汁轉移至已經用蒸餾水洗凈的500ml燒杯中，標記燒杯號碼為1和2。（4）分別將兩個燒杯中的甘蔗汁反復抽濾3次。（5）將其分別用500ml容量瓶定容，定溫備用。（6）5分鐘后，用25ml移液管從1號容量瓶中移取25ml蔗糖溶液至三角瓶中。（7）一人用25ml HCl移液管4.0mol.dm-3HCl溶液于三角瓶中，另一人手持秒表，當HCl溶液加到一半（估計液面到移液管胖肚中部）時，開始計時。注意：實驗中決不能停秒表。（8）迅速旋轉搖勻蔗糖鹽酸混合溶液（不低于20周）后，將其來回倒入樣品管，但應低于管口0.5～1mm。蓋上封蓋（注意對準卡口），上好螺絲，以不漏水為度。用濾紙揩干樣品管外壁，來回傾斜樣品管，務必使氣泡位于樣品管粗部。保持此狀，把樣品管放入旋光儀。（9）移開遮光板，先調好焦距（以后不再動），使三分視野清晰可見。（10）兩人配合：一人調節(jié)細調旋鈕，使三分視野亮度一致時（暗視野），立即說“好”，放上遮光板。讀出旋光儀的讀數（為第一個α1）。另一個人看著秒表，當同伴說“好”時，（不能停秒表）立即記下時間（先秒后分）。然后，再親自核查第一人的讀數是否正確。從開始計時讀得第一組數據，用的時間盡可能少。（11）仍從1號容量瓶中移取25ml蔗糖溶液，重復操作（7）～（10），得到其他三組數據。（12）從2號容量瓶中移取溶液，繼續(xù)重復操作4次。（13）將八組數據分析處理，選擇最精確適合實驗數據的一組記錄下來備用。以此計算新鮮甘蔗的含糖量。（14）用自來水，洗衣粉，蒸餾水洗凈用過的玻璃儀器，并把它們放回原處。讓旋光儀復原。

1.4.3 標準曲線的繪制

（1）用電子天平稱取分析純蔗糖3g、4.5g、6g、7.5g、9g、10.5g分別放入6個50ml燒杯中，用20ml蒸餾水溶解后再用50ml容量瓶標定，分別標號1、2、3、4、5、6。（2）將各容量瓶放入恒溫槽定室溫。（3）5分鐘后，從1號容量瓶中用移液管移取25ml蔗糖溶液至三角瓶中，測定其旋光度，記為α1。（4）重復操作，測定其他容量瓶內蔗糖溶液的濃度，反應時間均為10分鐘。（5）在室溫下繪制c-α曲線，記為室溫下反應進行10分鐘時的標準曲線。

1.5 數據記錄與處理

（1）數據記錄（見表1）。

（2）數據處理。將表1的數據繪制成標準曲線，如圖2和圖3，結合標準曲線處理數據。

表1 不同反應時間下甘蔗提取液的旋光度對數記錄

圖2 旋光度對數lnα-反應時間t曲線

圖3 旋光度α-蔗糖濃度標準曲線

由圖2可知，反應時間和蔗糖提取液的旋光度對數之間存在良好線性關系，外推法可得到初始濃度的對數lnα0=5.19365，即α0=180.1343。

在溫度和壓強等條件都固定的情況下，以實驗室分析純蔗糖為標準物繪制不同濃度的蔗糖溶液，在酸的催化條件下，繪制相同反應時間下不同濃度的蔗糖溶液旋光度和時間的標準曲線如圖3所示。

由圖3可得，相同反應時間條件下，被測物濃度和旋光度之間存在良好的線性關系，將α0=180.1343代入可得c0=0.1811mol／l，最后代入公式為新鮮甘蔗的質量291.5343g，v為容量瓶的容積500ml，x為蔗糖的分子量342mol.g-1，計算得到w=10.62%。

2 分析與思考

（1）儀器的正確使用。實驗的開展目的是期望能全面考察學生對所學知識的掌握和綜合運用程度，培養(yǎng)學生的創(chuàng)新、分析和解決問題的能力。實驗中使用了分析天平、燒杯、容量瓶、烘箱、旋光儀等實驗設備，要求學生能熟練掌握常規(guī)實驗儀器設備的正確使用方法，提高實驗操作基本技能。

（2）實驗結果的處理。實驗完畢以后，進一步分析實驗現象，尋找蔗糖中蔗糖含量與標準曲線之間的關系，并能用origin作圖軟件正確處理數據，繪制相應的關系曲線。這樣有利于提高學生分析問題的能力，并逐步養(yǎng)成科學的思維方法。

（3）思考。通過實驗訓練之后，要求學生完成以下思考題，并遞交實驗報告，促使學生不斷地去思索和探究。有如下思考題：①在繪制標準曲線的時候應該注意哪些問題？②測定旋光度時，為什么要在酸加入一半的時候就開始計時？③使用旋光儀準確測定旋光度的要點是什么？

總之，通過綜合實驗，對拓展學生的知識面、培養(yǎng)學生良好的思維方法、提高創(chuàng)新能力、培養(yǎng)高質量的人才是大有益處的。