蔗糖水解物化实验报告.docx
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蔗糖水解物化实验报告
蔗糖水解物化实验报告
均相酸催化蔗糖水解反应
指导老师：
孙艳辉
一、实验目的
1、根据物质的光学性质研究蔗糖水解反应，测量其反应速率常数。
2、了解旋光仪的基本原理，掌握使用方法。
3、研究不同种类酸催化对蔗糖水解反应反应速率常数的影响，验证布朗斯特德定律。
4、研究不同浓度酸对蔗糖水解反应反应速率常数的影响，了解催化剂的比活性概念。
二、实验原理
1、蔗糖的水解反应和利用旋光法测水解速率常数的原理
蔗糖在水中转化为葡萄糖和果糖：
C12H22O11+H2O―→C6H12O6+C6H12O6（蔗糖）（葡萄糖）（果糖）
其中，20℃时，蔗糖的比旋光度〔α〕＝66.6°；葡萄糖比旋光度〔α〕＝52.5°；果糖的比旋光度〔α〕＝－91.9°蔗糖水解反应，开始体系是右旋的角度大，随反应进行，旋光角度减少，变成左旋。
蔗糖水解反应是一个二级反应，在纯水中此反应的速率极慢，通常在H+催化作用下进行，由于反应时水是大量存在的，尽管有部分水分子参加了反应，仍可近似地认为整个反应过程中水的浓度是恒定的，而且H+是催化剂，其浓度也保持不变。
因此，蔗糖转化反应可作为一级反应。
如果以c表示到达t时刻的反应物浓度，k表示反应速率常数，则一级反应的速率方程为：
-dc/dt=kt对此式积分可得：
lnc=-kt+lnc0
式中c为反应过程中的浓度，c0为反应开始时的浓度。
当c=c0/2时，时间为t1/2，称为半衰期。
代入上式，得：
t1/2=ln2/k=0.693/k
测定反应过程中的反应物浓度，以lnc对t作图，就可以求出反应的速率常数k。
但直接测量反应物浓度比较困难。
在这个反应中，利用体系在反应进程中的旋光度不同，来度量反应的进程。
1
用旋光仪测出的旋光度值，与溶液中旋光物质的旋光能力、溶剂的性质、溶液的浓度、温度等因素有关，固定其它条件，可认为旋光度α与反应物浓度c成线性关系。
物质的旋光能力用比旋光度来度量：
蔗糖的比旋光度[α]D20=66.6°，葡萄糖的比旋光度[α]D20=52.5°，果糖是左旋性物质，它的比旋光度为[α]D=-91.9°。
因此，在反应过程中，溶液的旋光度先是右旋的，随着反应的进行右旋角度不断减小，过零后再变成左旋，直至蔗糖完全转化，左旋角度达到最大。
当t=0时，蔗糖尚未开始转化，溶液的旋光度为：
α0=βα∞=β
反应物
20
c0......1c0......2
当蔗糖已完全转化时，体系的旋光度为：
生成物
此处，β为旋光度与反应物浓度关系中的比例系数。
时间t时，蔗糖浓度为c，旋光度应为：
αt=β由1、2式：
反应物
c+β
生成物
（c0-c）......3
由2、3式：
代入lnc=-kt+lnc0式，可得：
ln（αt-α∞）=-kt+ln（α0-α∞）
根据实验测得的反应过程中的旋光度值计算ln（αt-α∞），再对时间作图，可得一条直线，根据直线斜率可求得反应速率常数。
2、均相酸催化布朗斯特德定律
在酸催化反应中包含了催化剂分子把质子转移给反应物，因此催化剂的效率常与酸催化剂的酸强度有关。
在酸催化时，酸失去质子的趋势可用它的解离常数K来衡量：
HA+H2O=H3O++A-
酸催化反应速率常数ka应与酸的解离常数Ka成比例，实验表明，两者有如下的关系：
ka=GaKaα
2
或lgka=lgGa+αlgKa
式中Ga，α均为常数，它决定于反应的种类和反应条件。
对于碱催化的反应，碱的催化作用速率常数kb同样与它的解离常数Kb有如下的关系：
kb=GbKbβ
式中Gb，β均为常数，它决定于反应的种类和反应条件。
3、催化剂的比活性
催化活性是指催化剂催化物质发生反应的能力，是催化剂的重要性质之一。
物质的催化活性是针对给定的化学反应而言的。
通常，催化剂并不按照化学方程式计量关系进行作用，其用量可以是任意的。
在相同条件下，反应速率与催化剂用量成正比，在均相催化中可以用生成中间化合物来解释。
为了描述不同物质催化活性的差异，工业生产上常以每单位容积（或质量）催化剂在单位时间内转化原料反应物的数量来表示，如每立方米催化剂在每小时内能使原料转化的千克数。
对于液相催化反应，通常用速率常数与催化剂浓度之比来表示比催化剂活性。
比催化活性表明，催化剂的催化作用取决于其本性，而与用量无关。
三、仪器药品
旋光仪1台;停表1块锥形瓶（100ml）2个;移液管（20ml）2支蔗糖（分析纯）；HCl溶液（2M）；HCl溶液（4M）；磷酸（4M）；硫酸（2M）；
四、实验操作步骤
1．测定不同浓度盐酸（2M和4M）催化蔗糖水解的速率常数，计算盐酸的比催化活性。
（1）在室温下进行实验。
（2）旋光仪零点校正：
开启旋光仪,将光源开关拔至交流（AC）,钠灯亮,经20分
钟预热后使之发光稳。
按测量开关,仪器进入待测状态。
将装有蒸馏水的旋光管放入样品测量室,盖好箱盖,待显示读数稳定后,按清零钮完成校零。
（3）2MHCl催化蔗糖水解过程中at的测定：
用移液管取30mL蔗糖溶液置于100mL
带塞三角瓶中，然后再移取30mL6mol/LHCl溶液于另100mL带赛三角瓶中。
将HCl溶液迅速倒入蔗糖溶液中，来回倒三次，使之充分混合。
并在加HCl时同时启动秒表以记录反应时间,立即用少量反应液荡洗旋光管两次,然后将反应液装满旋光管,旋上端盖,外部用滤纸擦干后放进旋光仪内,盖好箱盖,先记下时间，再读取旋光度值。
每隔一定时间，读取一次旋光度，开始时，可每3分钟读一次，30min后，每5min读一次。
3
（4）a∞的测定：
将步骤（3）剩余的混合溶液置于近60℃的水浴中，恒温30min
以加速反应，然后冷却至实验温度，按上述操作，测定其旋光度，此值即可认为是a∞。
（5）3MHCl催化蔗糖水解过程中at的测定：
将步骤（3）的2MHCl换成4MHCl，
重复步骤（3）、（4）。
2．测定不同种类酸对催化速率常数的影响，包括HAC（4M）、磷酸（4M）、硫酸（4M）、验证布朗斯特德定律:
lgka=lgGa+αlgKa。
（6）不同种类酸催化蔗糖水解过程的测定：
将2MHCl分别换成4M磷酸、2M硫
酸按照步骤（3）测定水解过程中at，然后再按照步骤（4）测定a∞。
五、数据记录与处理
1、2mol/LHCl催化蔗糖水解数据记录与处理：
（1）蔗糖溶液完全水解旋光度a∞=-1.302
（2）2mol/LHCl催化蔗糖水解数据记录：
表一温度：
室温盐酸浓度：
2mol/L反应时间/min36912151821242730333639424548515457
αt2.8382.7112.5002.2752.0561.8461.6311.4201.1941.0360.8210.6040.4530.3000.149-0.009-0.105-0.249-0.3494
αt-α∞4.1404.0133.8023.5773.3583.1482.9332.7222.4962.3382.1231.9061.7551.6021.4511.2931.1971.0530.953ln（αt-α∞）1.*****1.*****1.*****1.*****1.*****1.*****1.0*****1.0013670.*****0.*****0.*****0.*****0.*****0.*****0.*****0.*****0.*****0.0*****-0.048146063666971-0.401-0.498-0.598-0.649-0.6960.9010.8040.7040.6530.606-0.*****-0.*****-0.*****-0.*****-0.*****（3）以ln（αt-α∞）对t作图如图1：
图12mol/LHCl催化蔗糖水解
由图1得ln（αt-α∞）t所做图的直线为ln（αt-α∞）=1.*****-0.02931tR2=0.991，可见直线的斜率为-0.02931，则反应的速率常数为0.02931，半衰期t1/2=0.693/k=23.6438。
2、4mol/LHCl催化蔗糖水解数据记录与处理：
（1）蔗糖溶液完全水解旋光度a∞=-1.345
（2）4mol/LHCl催化蔗糖水解数据记录：
表二温度：
室温盐酸浓度：
4mol/L
反应时间/min3691215
αt2.4891.9091.4631.0620.6955
αt-α∞3.8343.2542.8082.4072.04ln（αt-α∞）1.*****1.*****1.0*****0.*****0.*****
1821242730333639424548510.4140.136-0.083-0.29-0.492-0.638-0.741-0.846-0.944-0.993-1.043-1.0911.7591.4811.2621.0550.8530.7070.6040.4990.4010.3520.3020.2540.*****0.*****0.*****0.0*****-0.159-0.*****-0.*****-0.*****-0.*****-1.04412-1.*****-1.*****（3）以ln（αt-α∞）对t作图如图2：
图24mol/LHCl催化蔗糖水解
由图2得ln（αt-α∞）对t所做图的直线为ln（αt-αt1/2=0.693/k=12.0333。
3、2mol/LH2SO4催化蔗糖水解数据记录与处理：
（1）蔗糖溶液完全水解旋光度a∞=-1.003
6
∞
）=1.*****-0.05759t
R2=0.999，可见直线的斜率为-0.05759，则反应的速率常数为0.05759，半衰期
（2）2mol/LH2SO4催化蔗糖水解数据记录：
表三温度：
室温硫酸浓度：
2mol/L反应时间/min3691215182124273033363942454851545760636669717477
（3）ln（αt-α∞）对t作图如图3：
αt3.0262.7962.4982.2862.061.7911.5721.4121.2151.0030.8660.6580.5030.40.2370.134-0.018-0.118-0.216-0.266-0.379-0.431-0.483-0.533-0.581-0.629αt-α∞4.0293.7993.5013.2893.0632.7942.5752.4152.2182.0061.8691.6611.5061.4031.241.1370.9850.8850.7870.7370.6240.5720.520.470.4220.374ln（αt-α∞）1.*****1.*****1.*****1.*****1.*****1.0*****0.*****0.*****0.*****0.*****0.*****0.*****0.*****0.*****0.*****0.*****-0.01511-0.*****-0.*****-0.*****-0.4716-0.*****-0.*****-0.*****-0.*****-0.98357
图32mol/LH2SO4催化蔗糖水解由图3得ln（at-a∞）对t所做图的直线为ln（αt-αt1/2=0.693/k=21.2969。
4、4mol/LH3PO4催化蔗糖水解数据记录与处理：
（1）蔗糖溶液完全水解旋光度a∞=-1.0365
（2）4mol/LH3PO4催化蔗糖水解数据记录：
表四温度：
室温磷酸浓度：
4mol/L反应时间/min3691215182124273033αt3.1813.1393.0862.9852.8822.7682.6642.5662.4662.3672.211αt-α∞4.21754.17554.12254.02153.91853.80453.70053.60253.50253.40353.2475ln（αt-α∞）1.*****1.*****1.*****1.*****1.*****1.*****1.*****1.*****1.*****1.*****1.*****∞
）=1.*****-0.03254t
R2=0.993可见直线的斜率为-0.03254，则反应的速率常数0.03254，半衰期
8
363942454851545760636669717477808386892.112.0071.9071.8061.7021.5511.4521.3531.2541.1511.05110.90.8010.7540.6540.6050.5030.4553.14653.04352.94352.84252.73852.58752.48852.38952.29052.18752.08752.03651.93651.83751.79051.69051.64151.53951.49151.*****1.*****1.0*****1.0*****1.007410.*****0.*****0.*****0.*****0.*****0.*****0.*****0.*****0.*****0.*****0.*****0.*****0.*****0.*****（3）ln（αt-α∞）对t作图如图4：
图44mol/LH3PO4催化蔗糖水解
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由图4得ln（at-a∞）对t所做图的直线为ln（αt-αt1/2=0.693/k=55。
5.不同浓度盐酸下的比催化活性：
∞
）=1.*****-0.0126t
R2=0.988，可见直线的斜率为-0.0126，则反应的速率常数为0.0126，半衰期
对于液相催化反应，通常用速率常数与催化剂浓度之比来表示比催化剂活性。
比催化活性表明，催化剂的催化作用取决于其本性，而与用量无关。
表五不同盐酸浓度的比催化活性
2mol/LHCl4mol/LHCl
反应速率常数0.029310.05759
比催化活性0.0*****0.***-*****
反应的速率常数是和[H+]的浓度呈线性相关。
根据lgk=lgk'-pH这一公式，k'其实和比催化活性是相同的，该公式应该对同一种酸的不同浓度使用，或者对特殊酸催化体系（只与H+有关，与其他离子存在无关）适用。
表六Lgk和pH的数值
2mol/LHCl4mol/LHClpH-0.*****-0.*****
lgk-1.*****-1.*****
图5以lgk对pH作图
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由图5所得的不同浓度盐酸的比催化活性得：
lgk=-1.*****-0.*****pH。
6.布朗斯特德定律的应用：
根据布朗斯特德定律：
lgk=lgGa+algKa，由硫酸和磷酸的速率常数和解离平衡常数，计算出Ga、a。
查阅硫酸和醋酸的解离常数，其中磷酸只考虑一级电离。
H2SO4的一级解离常数：
1.0×10H3PO4的一级解离常数：
7.52×10-3
所得数据如下表：
表七硫酸、磷酸相关数据硫酸磷酸
按照公式lgk=lgGa+algKa作图，如下图6：
Ka10000.00752
lgKa3-2.*****
k0.032540.0126
lgk-1.*****-1.*****
3
图6蔗糖在硫酸、磷酸水解过程中，布朗斯特德关系图
由图6可知lgk=-1.*****+0.08042lgKa，则Ga=--1.*****，α=0.08042。
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7、不同酸根离子的比催化活性：
计算硫酸的比催化活性与盐酸比较，如下表：
表八不同酸根离子比催化活性的比较
2mol/LHCl4mol/LHCl2mol/LH2SO4
8、不同强度酸的蔗糖水解速率常数：
表九不同强度酸的蔗糖水解速率常数
酸k
4mol/LHCl0.057592mol/LH2SO40.032544mol/LH3PO40.0126反应速率常数0.029310.057590.03254比催化活性0.0*****0.***-*****0.0*****六、结果与讨论
1、蔗糖水解反应：
观察图1-4，可见以ln（at-a∞）对t作图，并不是完全的直线，而是有稍稍的弯曲，这是因为蔗糖浓度比较高，水的浓度无法远远大于蔗糖的浓度，不属于稀溶液的范畴，因此不可以看成是一级反应，因此曲线开始是稍稍弯曲的线，这会对实验结果引起一定的误差，但曲线的线性还是不错的。
2、不同浓度盐酸下的比催化活性：
催化活性是指催化剂催化物质发生反应的能力，是催化剂的重要性质之一。
为了描述液相催化反应催化活性的差异，通常用速率常数与催化剂浓度之比来表示比催化剂活性。
从表五可以得到2mol/LHCl、4mol/LHCl比催化活性分别是0.0*****和0.***-*****，可看出不同浓度盐酸的比催化活性基本上是相同的。
因此，通过比较可以得知催化剂的催化作用取决于其本性，而与用量无关。
但是，酸的浓度会影响蔗糖水解的反应速率常数。
加大酸的浓度可以加快反应速率，但是并不是酸的浓度越高越好，因为酸的浓度过大，蔗糖水解反应就不是一级反应了。
3、布朗斯特德定律--氢离子催化蔗糖水解反应对酸的强度敏感性分析：
根据布朗斯特德定律：
lgk=lgGa+algKa，其中α值为0~1。
α越小，表明反应对催化剂的酸强度不敏感，此时任何一种酸都是优良的催化剂，反应与催化剂酸强度无关。
α接近1，表明反应对催化剂酸强度很敏感，只有强酸才能催化该反应。
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本次实验中看图6，可知Ga=--1.*****，α=0.08042。
α比较小，说明蔗糖反应对催化剂氢离子的酸度不敏感，因此，因此对于蔗糖反应来说，任何一种酸都算是优良的催化剂，反应与催化剂酸强度无关，弱酸也能催化蔗糖水解反应。
4、不同酸根离子的比催化活性：
根据表八，比较硫酸与盐酸的比催化活性，4mol/LHCl、2mol/LH2SO4的比催化活性分别为0.***-*****和0.0*****，这说明了在不同的酸根离子存在下，它们得比催化活性基本相同（在误差允许的范围内）。
可见均相酸催化蔗糖中酸根离子不影响催化作用，只与氢离子的浓度有关。
即蔗糖水解反应速率只取决于H,与溶液中其它离子的浓度无关。
5、不同强度酸的蔗糖水解速率常数：
从表九看出，不同强度的酸因H+的浓度不同,对蔗糖水解速率影响也不一样,酸性愈强,解离H+愈多,催化能力也愈强,所以对蔗糖水解起催化作用的是H+。
讨论：
分析产生误差的原因有哪些？
（1）温度的影响。
在实验过程中，温度会影响反应的速率常数，由于钠光灯的散热,放在旋光暗室中的蔗糖水解溶液的温度并不恒定,经过一定时间后，反应液温度开始上升，蔗糖转化反应速率加快，使得测得的速率常数会有误差，这可能是产生实验误差的主要原因。
（2）本实验是以ln（at-a∞）对t作图，从拟合直线的斜率即可求出蔗糖水解反应的反应速率常数k值，拟合曲线引入误差，但是拟合曲线的相关系数均在0.98以上，可忽略不计。
（3）以ln（at-a∞）对t作图的曲线刚开始是稍稍弯曲的，这是因为蔗糖浓度比较高，水的浓度无法远远大于蔗糖的浓度，不属于稀溶液的范畴，因此不可以看成是一级反应，这对速率常数的测定产生误差。
（4）实验仪器的影响。
本小组所使用的旋光仪不稳定，数值总是在跳动。
数据不准确也会造成误差。
+
七、注意事项
1、本实验均在室温条件下操作。
2、因反应液为酸性，测量旋光度之前，切记将旋光管外侧的液体擦拭干净，以免腐蚀仪器。
3、在测定a∞时，通过加热使反应速度加快转化完全，但加热温度不要超过60摄氏度。
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4、将酸倒入蔗糖溶液后，要进行充分的振荡；并且在加入酸之后就进行计时；混合液要装满旋光管。
5、实验过程中的钠光灯不应开启时间太长，否则应熄灭，以延长钠光灯寿命，但下一次测量之前提前10min打开钠光灯，使光源稳定。
八、思考题
1、为什么可以用蒸馏水校正仪器零点？
答：
主要是因为蒸馏水没有旋光性，其旋光度为零，其次是因为它无色透明，方便可得，化学性质较为稳定。
另外实验中的蔗糖溶液是使用蒸馏水来配制，且看成是稀溶液处理，故可用来校正仪器零点。
2、本实验可否不进行零点校正？
为什么？
答：
实验中所测的旋光度αt，可以不校正零点，因为实际上在处理数据时αt-α∞，已将系统的零点误差消除掉。
3、为什么用ln（αt－α∞）对t作图就可得到k？
答：
因为蔗糖转化反应对蔗糖为一级反应，以ln（αt－α∞）对t作图求k，不需要α
0
的数值。
4、蔗糖反应是真一级还是假一级反应？
答：
蔗糖反应是假一级反应。
蔗糖在水中转化为葡萄糖和果糖，反应的方程式是：
C12H22O11+H2O―→C6H12O6+C6H12O6，可见蔗糖水解反应是一个二级反应，但由于反应时水是大量存在的，所以尽管有部分水分子参加了反应，仍可近似地认为整个反应过程中水的浓度是恒定的，因此，蔗糖转化反应可作为一级反应。
5、在测量过程中，为什么旋光度逐渐减小？
为什么α∞为负值？
答：
蔗糖在水中转化为葡萄糖和果糖。
蔗糖、葡萄糖为右旋，而果糖为左旋，且果糖的左旋能力比葡萄糖的强。
当反应开始时，t=0，溶液只有蔗糖的右旋，旋光度为正值，随着反应的进行，蔗糖溶液浓度减少，葡萄糖和果糖浓度增大，由于果糖的左旋能力强于葡萄糖的右旋。
整体来说，溶液的旋光度随着时间而减少。
当反应进行完全时，蔗糖溶液浓度为零，溶液中只有葡萄糖和果糖，这时，溶液的旋光度为负值。
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