蔗糖水解物化实验报告材料.docx

1、蔗糖水解物化实验报告材料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66.6；葡萄糖比旋光度52.5；果糖的比旋

2、光度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： ln c = - kt + ln c 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

3、/ 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 ln c 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D20=66.6，葡萄糖的比旋光度D20=52.5，果糖是左旋性物质，它的比旋光度为D20=-91.9。因

4、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： 0 = 反应物c0 . 1 当蔗糖已完全转化时，体系的旋光度为： = 生成物c0 . 2 此处， 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： t = 反应物c + 生成物(c0 - c) . 3 由1、2式： 由2、3式： 代入 ln c = - kt + ln c 0 式，可得：ln (t - ) = - kt + ln (0 - ) 根据实验测得的反应过程中的旋光度值计算 l

5、n (t - )，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 =GaKa或 lg ka = lgGa +lgKa式中Ga ，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 =GbKb式中Gb ，均为常数，

6、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、

7、仪器药品旋光仪 1 台; 停表 1 块锥形瓶（100 ml） 2 个; 移液管（20 ml） 2 支蔗糖（分析纯）；HCl 溶液（2M）；HCl 溶液（4M）；磷酸（4 M）；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

8、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

9、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（4 M）、磷酸（4 M）、硫酸（4M）、 验证布朗斯特德定律: lg ka = lgGa +lgKa 。（6）不同种类酸催化蔗糖水解过程的测定：将2MHCl分别换成4 M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/L HCl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/L HCl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

10、/mintt-ln(t-)32.8384.1401.42069662.7114.0131.38953992.5003.8021.335527122.2753.5771.274524152.0563.3581.211346181.8463.1481.146767211.6312.9331.076026241.4202.7221.001367271.1942.4960.914689301.0362.3380.849296330.8212.1230.75283360.6041.9060.645007390.4531.7550.562469420.3001.6020.471253450.1491.45

11、10.37225348-0.0091.2930.25696551-0.1051.1970.17981854-0.2491.0530.05164357-0.3490.953-0.0481460-0.4010.901-0.1042563-0.4980.804-0.2181666-0.5980.704-0.3509869-0.6490.653-0.4261871-0.6960.606-0.50088 (3) 以ln(t-)对t作图如图1：图1 2mol/L HCl催化蔗糖水解由图1得ln(t-)t所做图的直线为ln(t-)=1.65044-0.02931t R2=0.991，可见直线的斜率为-0.0

12、2931，则反应的速率常数为0.02931，半衰期t1/2 =0.693/k=23.6438。2、4mol/L HCl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/L HCl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/mintt-ln(t-)32.4893.8341.34390961.9093.2541.17988591.4632.8081.032472121.0622.4070.878381150.6952.040.71295180.4141.7590.564745210.1361.4810.39271824-0.0

13、831.2620.23269827-0.291.0550.05354130-0.4920.853-0.15933-0.6380.707-0.3467236-0.7410.604-0.5041839-0.8460.499-0.6951542-0.9440.401-0.9137945-0.9930.352-1.0441248-1.0430.302-1.1973351-1.0910.254-1.37042 (3) 以ln(t-)对t作图如图2： 图2 4mol/L HCl催化蔗糖水解由图2得ln(t-)对t所做图的直线为ln(t-)=1.56427-0.05759t R2=0.999，可见直线的斜率

14、为-0.05759，则反应的速率常数为0.05759，半衰期t1/2 =0.693/k=12.0333。3、2mol/L H2SO4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（2）2mol/L H2SO4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/mintt-ln(t-)33.0264.0291.39351862.7963.7991.33473892.4983.5011.253049122.2863.2891.190584152.063.0631.119395181.7912.7941.027474211.5722.5750.94

15、585241.4122.4150.881699271.2152.2180.796606301.0032.0060.696143330.8661.8690.625404360.6581.6610.50742390.5031.5060.409457420.41.4030.338613450.2371.240.215111480.1341.1370.12839351-0.0180.985-0.0151154-0.1180.885-0.1221757-0.2160.787-0.2395360-0.2660.737-0.3051763-0.3790.624-0.471666-0.4310.572-0.5

16、586269-0.4830.52-0.6539371-0.5330.47-0.7550274-0.5810.422-0.8627577-0.6290.374-0.9835（3）ln(t-)对t作图如图3： 图3 2mol/L H2SO4催化蔗糖水解由图3得ln(at-a）对t所做图的直线为ln(t-)=1.61793-0.03254t 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t1/2=0.693/k=21.2969。4、4mol/L H3PO4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/L H3PO

17、4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/mintt-ln(t-)33.1814.21751.43924363.1394.17551.42923493.0864.12251.41646122.9854.02151.391655152.8823.91851.365709182.7683.80451.336185212.6643.70051.308468242.5663.60251.281628272.4663.50251.253477302.3673.40351.224804332.2113.24751.177885362.113.14651.146291392

18、.0073.04351.113008421.9072.94351.079599451.8062.84251.044684481.7022.73851.00741511.5512.58750.950692541.4522.48850.91168571.3532.38950.871084601.2542.29050.82877631.1512.18750.782759661.0512.08750.7359676912.03650.711233710.91.93650.660882740.8011.83750.608406770.7541.79050.582495800.6541.69050.525

19、024830.6051.64150.49561860.5031.53950.431458890.4551.49150.399782（3）ln(t-)对t作图如图4：图4 4mol/L H3PO4催化蔗糖水解由图4得ln(at-a）对t所做图的直线为ln(t-)=1.56649-0.0126t 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t1/2=0.693/k=55。5.不同浓度盐酸下的比催化活性：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

20、活性反应速率常数比催化活性2mol/L HCl0.029310.0146554mol/L HCl0.057590.0143975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pHlgk2mol/L HCl-0.30103-1.532984mol/L HCl-0.60206-1.23965图5 以lgk对pH作图由图5所得的不同浓度盐酸的比催化活性得：lgk=-1.82631-0.97442pH。 6.布朗斯特德定律的应

21、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：1.0103 H3PO4的一级解离常数：7.5210-3所得数据如下表： 表七 硫酸、磷酸相关数据KalgKaklgk硫酸100030.03254-1.48758磷酸0.00752-2.123780.0126-1.89963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 =-1.72884+0.08042lgKa，则Ga=-1.7288

22、4，=0.08042。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反应速率常数比催化活性2mol/L HCl0.029310.0146554mol/L HCl0.057590.01439752mol/L H2SO40.032540.0162708、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4mol/L HCl2mol/L H2SO44mol/L H3PO4k0.057590.032540.0126六、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

23、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/L HCl、4mol/L HCl比催化活性分别是0.014655和0.0143975，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

24、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，其中值为01。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。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。本次实验中看图6，可知Ga=-1.72884，=0.08042。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

25、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/L HCl、2mol/L H2SO4的比催化活性分别为0.0143975和0.016270，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

26、 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

27、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。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

28、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t，可以不校正零点，因为实际上在处理数据时t- ，已将系统的零点误差消除掉。3、为什么用ln（t）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(t)对t作图求k，不需要 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