均相酸催化蔗糖的水解反应免费华师版.docx
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华南师范大学实验报告
学生姓名学号：
专业化学（师范）年级、班级11化3
课程名称物理化学实验实验项目均相酸催化蔗糖的水解反应
实验类型□验证□设计□综合实验时间2013年4月23日
实验指导老师实验评分
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 + lnc 0
式中 c 为反应过程中的浓度，c 0为反应开始时的浓度。
当 c = c 0 /2时，时间为 t 1/2，称为半衰期。
代入上式，得：
t 1/2 = ln 2 / 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。
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]D20=-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 = β反应物c0 ......1
当蔗糖已完全转化时，体系的旋光度为：
α∞ = β生成物c0 ......2
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反应物c + β生成物（c0 - c） ......3
由1、2式：
由2、3式：
代入 lnc = - kt + lnc 0 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
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（6M）；HCl溶液（3M）；HAC（4M）；磷酸（4M）；硫酸（4M）；
四、实验操作步骤
1．测定不同浓度盐酸（6M和3M）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）6MHCl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。
（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6MHCl换成3MHCl，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6MHCl分别换成4MHAC、4M磷酸、4M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、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∞=-0.998
（2）4mol/LHCl催化蔗糖水解数据记录：
温度：
室温盐酸浓度：
4mol/L
反应时间
αt
αt-α∞
ln（αt-α∞）
3
2.741
3.739
1.318818196
6
2.212
3.21
1.166270937
9
1.858
2.856
1.049422044
12
1.525
2.523
0.92544867
15
1.194
2.192
0.784814369
18
0.921
1.919
0.651804217
21
0.705
1.703
0.532391402
24
0.456
1.454
0.374318379
27
0.274
1.272
0.240590465
30
0.053
1.051
0.049742092
33
-0.103
0.895
-0.110931561
36
-0.25
0.748
-0.290352301
39
-0.4
0.598
-0.514164525
42
-0.5
0.498
-0.697155202
45
-0.552
0.446
-0.807436327
48
-0.658
0.34
-1.078809661
51
-0.703
0.295
-1.220779923
54
-0.775
0.223
-1.500583508
57
-0.822
0.176
-1.737271284
60
-0.822
0.176
-1.737271284
（3）以ln（αt-α∞）对t作图如图1：
图14mol/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∞）=1.6227-0.0556tR2=0.9917可见直线的斜率为-0.0556，则反应的速率常数为0.0556，半衰期t1/2=12.46667591
2、6mol/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∞=-1.04
（2）6mol/LHCl催化蔗糖水解数据记录：
温度：
室温盐酸浓度：
6mol/L
反应时间
αt
αt-α∞
ln（αt-α∞）
3
0.985
2.025
0.705569701
6
0.309
1.349
0.299363577
9
-0.172
0.868
-0.141563564
12
-0.467
0.573
-0.556869562
15
-0.732
0.308
-1.177655496
18
-0.828
0.212
-1.551169004
21
-0.879
0.161
-1.826350914
24
-0.928
0.112
-2.189256408
27
-0.928
0.112
-2.189256408
30
-0.962
0.078
-2.551046452
33
-0.962
0.078
-2.551046452
36
-0.964
0.076
-2.577021939
（3）以ln（αt-α∞）对t作图如图2：
图26mol/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-α∞）=0.6889-0.105tR2=0.938可见直线的斜率为-0.105，则反应的速率常数为0.105，半衰期t1/2=6.60140172
3、4mol/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∞=-1.185
（2）4mol/LH2SO4催化蔗糖水解数据记录：
温度：
室温硫酸浓度：
4mol/L
反应时间
αt
αt-α∞
ln（αt-α∞）
3
1.817
3.002
1.099278733
6
1.019
2.204
0.790273891
9
0.445
1.63
0.488580015
12
-0.064
1.121
0.114221144
15
-0.375
0.81
-0.210721031
18
-0.648
0.537
-0.621757184
21
-0.796
0.389
-0.944175935
24
-0.899
0.286
-1.251763468
27
-0.949
0.236
-1.443923474
30
-0.949
0.236
-1.443923474
33
-0.998
0.187
-1.676646662
36
-0.998
0.187
-1.676646662
（3）ln（αt-α∞）对t作图如图3：
图34mol/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-α∞）=1.1966-0.0903tR2=0.96可见直线的斜率为-0.0903，则反应的速率常数为0.0903，半衰期t1/2=7.676049
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∞=-1.079
（2）4mol/LH3PO4催化蔗糖水解数据记录：
温度：
室温磷酸浓度：
4mol/L
反应时间
αt
αt-α∞
ln（αt-α∞）
3
2.486
3.565
1.271164054
6
2.438
3.517
1.257608353
9
2.391
3.47
1.244154594
12
（实验数据丢失）
15
2.297
3.376
1.216691577
18
2.27
3.349
1.208661794
21
2.222
3.301
1.194225453
24
2.17
3.249
1.178347257
27
2.17
3.249
1.178347257
30
2.12
3.199
1.162838261
33
2.074
3.153
1.148354381
36
2.026
3.105
1.133013715
39
1.976
3.055
1.116779593
42
1.93
3.009
1.101607798
45
1.897
2.976
1.090580117
48
1.799
2.878
1.057095608
51
1.75
2.829
1.039923292
54
1.699
2.778
1.021731244
57
1.647
2.726
1.002835333
60
1.596
2.675
0.98394938
63
1.547
2.626
0.965461776
66
1.499
2.578
0.947013905
69
1.45
2.529
0.927823968
72
1.372
2.451
0.896496105
75
1.324
2.403
0.876717957
78
1.275
2.354
0.856116009
81
1.182
2.261
0.815807193
84
1.133
2.212
0.793897084
87
1.081
2.16
0.770108222
90
1.031
2.11
0.746687947
（3）ln（αt-α∞）对t作图如图4：
图44mol/LH3PO4催化蔗糖水解
由图4得ln（at-a∞）对t所做图的直线为ln（αt-α∞）=1.3269-0.006tR2=0.9793可见直线的斜率为-0.006，则反应的速率常数为0.006，半衰期t1/2=115.5245
5.不同浓度盐酸条件下的比催化活性：
用不同浓度盐酸的反应速率常数除于盐酸浓度求得比催化活性
反应速率常数
比催化活性
4mol/LHCl
0.0556
0.0139
6mol/LHCl
0.105
0.0175
6.布朗斯特德定律的应用：
由于醋酸基本对蔗糖水解基本不起作用，而且由于实验条件的限制导致数据不理想，所以仅用硫酸和磷酸两组数据来计算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，所得数据如下表：
表6硫酸、磷酸相关数据
Ka
lgKa
k
lgk
磷酸
0.00752
-2.12378
0.006
-2.22185
硫酸
1000
3
0.0903
-1.04431
按照公式lgk=lgGa+algKa作图，如下图6：
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=-1.7338+0.2298lgKa，则Ga=-1.7338，α=0.2298。
尽管α的值不是接近于1，但也不是很小，所以反应对催化剂的酸强度有一定的要求。
这一点，我们直接从实验数据方面也可以看出，反应进行了90min之后，经磷酸催化后的溶液的旋光度为1.031；而反应只需要15min，经硫酸催化后的溶液的旋光度就已经到达了负值。
综合以上，可以得出结论：
蔗糖的酸催化水解反应与酸的种类和浓度有关。
7、分析与讨论
1.蔗糖水解反应：
观察图1~4，可见以ln（at-a∞）对t做图，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，因此是弯曲的线。
2.实验的注意事项
①因反应液为酸性，测完旋光度后，切记将旋光管外侧的液体擦拭干净，以免腐蚀仪器。
②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。
③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。
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。
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α0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。
九、参考文献
[1]何广平,南俊民，孙艳辉.物理化学实验[M].化学工业出版社,2008,170-174.
[2]傅献彩,沈文霞,姚天扬.物理化学[M].高等教育出版社,2008.
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