1、蔗糖水解物化實(shí)驗(yàn)報(bào)告 均相酸催化蔗糖水解反應(yīng) 一、 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?1、根據(jù)物質(zhì)的光學(xué)性質(zhì)研究蔗糖水解反應(yīng)，測(cè)量其反應(yīng)速率常數(shù)。 2、了解旋光儀的基本原理，掌握使用方法。 3、研究不同種類酸催化對(duì)蔗糖水解反應(yīng)反應(yīng)速率常數(shù)的影響，驗(yàn)證布朗斯特德定律。 4、研究不同濃度酸對(duì)蔗糖水解反應(yīng)反應(yīng)速率常數(shù)的影響，了解催化劑的比活性概念。 二、 實(shí)驗(yàn)原理 1 1 、蔗糖的水解反應(yīng)和利用旋光法測(cè)水解速率常數(shù)的原理 蔗糖在水中轉(zhuǎn)化為葡萄糖和果糖： c 12 h 22 o 11 + h 2 o c 6 h 12 o 6 + c 6 h 12 o 6 （蔗糖） （葡萄糖） （果糖） 其中， 20時(shí)，蔗糖的比旋光度66.6

2、；葡萄糖比旋光度52.5；果糖的比旋光度91.9 蔗糖水解反應(yīng)，開始體系是右旋的角度大，隨反應(yīng)進(jìn)行，旋光角度減少，變成左旋。 蔗糖水解反應(yīng)是一個(gè)二級(jí)反應(yīng)，在純水中此反應(yīng)的速率極慢，通常在 h+催化作用下進(jìn)行，由于反應(yīng)時(shí)水是大量存在的，盡管有部分水分子參加了反應(yīng)，仍可近似地認(rèn)為整個(gè)反應(yīng)過程中水的濃度是恒定的，而且 h+是催化劑，其濃度也保持不變。因此，蔗糖轉(zhuǎn)化反應(yīng)可作為一級(jí)反應(yīng)。 如果以 c 表示到達(dá) t 時(shí)刻的反應(yīng)物濃度，k 表示反應(yīng)速率常數(shù)，則一級(jí)反應(yīng)的速率方程為： - d c / d t = kt 對(duì)此式積分可得： ln c = - k t + ln c 0 式中 c 為反應(yīng)過程中的濃度，

3、c 0 為反應(yīng)開始時(shí)的濃度。當(dāng) c = c 0 / 2 時(shí)，時(shí)間為 t 1/2 ，稱為半衰期。代入上式，得： t 1/2 = ln 2 / k = 0.693 / k 測(cè)定反應(yīng)過程中的反應(yīng)物濃度，以 ln c 對(duì) t 作圖，就可以求出反應(yīng)的速率常數(shù) k。但直接測(cè)量反應(yīng)物濃度比較困難。在這個(gè)反應(yīng)中，利用體系在反應(yīng)進(jìn)程中的旋光度不同，來度量反應(yīng)的進(jìn)程。 用旋光儀測(cè)出的旋光度值，與溶液中旋光物質(zhì)的旋光能力、溶劑的性質(zhì)、溶液的濃度、溫度等因素有關(guān)，固定其它條件，可認(rèn)為旋光度與反應(yīng)物濃度 c成線性關(guān)系。物質(zhì)的旋光能力用比旋光度來度量： 蔗糖的比旋光度 d20 =66.6，葡萄糖的比旋光度d20 =52.

4、5，果糖是左旋性物質(zhì)，它的比旋光度為 d20 =-91.9。因此，在反應(yīng)過程中，溶液的旋光度先是右旋的，隨著反應(yīng)的進(jìn)行右旋角度不斷減小，過零后再變成左旋，直至蔗糖完全轉(zhuǎn)化，左旋角度達(dá)到最大。 當(dāng) t=0 時(shí)，蔗糖尚未開始轉(zhuǎn)化，溶液的旋光度為： 0 = 反應(yīng)物 c 0 . 1 當(dāng)蔗糖已完全轉(zhuǎn)化時(shí)，體系的旋光度為： = 生成物 c 0 . 2 此處， 為旋光度與反應(yīng)物濃度關(guān)系中的比例系數(shù)。 時(shí)間 t 時(shí)，蔗糖濃度為 c，旋光度應(yīng)為： t = 反應(yīng)物 c + 生成物 (c 0 - c) . 3 由 1、2 式： 由 2、3 式： 代入 ln c = - kt + ln c 0 式，可得： ln (

5、t - ) = - kt + ln ( 0 - ) 根據(jù)實(shí)驗(yàn)測(cè)得的反應(yīng)過程中的旋光度值計(jì)算 ln ( t - )，再對(duì)時(shí)間作圖，可得一條直線，根據(jù)直線斜率可求得反應(yīng)速率常數(shù)。 2、 、 均相酸催化布朗斯特德定律 在酸催化反應(yīng)中包含了催化劑分子把質(zhì)子轉(zhuǎn)移給反應(yīng)物，因此催化劑的效率常與酸催化劑的酸強(qiáng)度有關(guān)。在酸催化時(shí)，酸失去質(zhì)子的趨勢(shì)可用它的解離常數(shù)k 來衡量： ha + h 2 o = h 3 o+ + a - 酸催化反應(yīng)速率常數(shù) ka 應(yīng)與酸的解離常數(shù) ka 成比例，實(shí)驗(yàn)表明，兩者有如下的關(guān)系： k a =g a k a 或 lg k a = lgg a +lgk a 式中 g a ，均為常數(shù)

6、，它決定于反應(yīng)的種類和反應(yīng)條件。 對(duì)于堿催化的反應(yīng)，堿的催化作用速率常數(shù) k b 同樣與它的解離常數(shù) kb 有如下的關(guān)系： k b =g b k b 式中 g b ，均為常數(shù)，它決定于反應(yīng)的種類和反應(yīng)條件。 3 3 、催化劑的比活性 催化活性是指催化劑催化物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)的能力，是催化劑的重要性質(zhì)之一。物質(zhì)的催化活性是針對(duì)給定的化學(xué)反應(yīng)而言的。通常，催化劑并不按照化學(xué)方程式計(jì)量關(guān)系進(jìn)行作用，其用量可以是任意的。在相同條件下，反應(yīng)速率與催化劑用量成正比，在均相催化中可以用生成中間化合物來解釋。為了描述不同物質(zhì)催化活性的差異，工業(yè)生產(chǎn)上常以每單位容積(或質(zhì)量)催化劑在單位時(shí)間內(nèi)轉(zhuǎn)化原料反應(yīng)物的數(shù)量來表

7、示，如每立方米催化劑在每小時(shí)內(nèi)能使原料轉(zhuǎn)化的千克數(shù)。對(duì)于液相催化反應(yīng)，通常用速率常數(shù)與催化劑濃度之比來表示比催化劑活性。比催化活性表明，催化劑的催化作用取決于其本性，而與用量無關(guān)。 三、 儀器藥品 旋光儀 1 臺(tái); 停表 1 塊 錐形瓶（100 ml） 2 個(gè); 移液管（20 ml） 2 支 蔗糖（分析純）；hcl 溶液（2m）；hcl 溶液（4m）；磷酸（4 m）；硫酸（2m）； 四、 實(shí)驗(yàn)操作步驟 1測(cè)定不同濃度鹽酸(2m 和 4m) 催化蔗糖水解的速率常數(shù)，計(jì)算鹽酸的比催化活性。 （1）在室溫下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。 （2）旋光儀零點(diǎn)校正：開啟旋光儀,將光源開關(guān)拔至交流(ac),鈉燈亮,經(jīng) 20 分

8、鐘預(yù)熱后使 之發(fā)光穩(wěn)。按測(cè)量開關(guān),儀器進(jìn)入待測(cè)狀態(tài)。將裝有蒸餾水的旋光管放入樣品測(cè)量室,蓋好箱蓋,待顯示讀數(shù)穩(wěn)定后,按清零鈕完成校零。 （3）2mhcl催化蔗糖水解過程中a t 的測(cè)定：用移液管取30ml蔗糖溶液置于100ml帶塞三角瓶中，然后再移取 30ml6mol/lhcl 溶液于另 100ml 帶賽三角瓶中。將 hcl 溶液迅速倒入蔗糖溶液中，來回倒三次，使之充分混合。并在加 hcl時(shí)同時(shí)啟動(dòng)秒表以記錄反應(yīng)時(shí)間, 立即用少量反應(yīng)液蕩洗旋光管兩次,然后將反應(yīng)液裝滿旋光管,旋上端蓋,外部用濾紙擦干后放進(jìn)旋光儀內(nèi),蓋好箱蓋,先記下時(shí)間，再讀取旋光度值。每隔一定時(shí)間，讀取一次旋光度，開始時(shí)，可每

9、 3 分鐘讀一次，30min 后，每 5min 讀一次。 （4）a 的測(cè)定：將步驟（3）剩余的混合溶液置于近 60的水浴中，恒溫 30min以加速反應(yīng)，然后冷卻至實(shí)驗(yàn)溫度，按上述操作，測(cè)定其旋光度，此值即可認(rèn)為是 a 。 （5）3mhcl 催化蔗糖水解過程中 a t 的測(cè)定：將步驟（3）的 2mhcl 換成 4mhcl，重復(fù)步驟（3）、（4）。 2測(cè)定不同種類酸對(duì)催化速率常數(shù)的影響，包括 hac（4 m）、磷酸（4 m）、硫酸（4m）、 驗(yàn)證布朗斯特德定律: lg k a = lgg a +lgk a 。 （6）不同種類酸催化蔗糖水解過程的測(cè)定：將 2mhcl 分別換成 4 m 磷酸、2m 硫

10、酸按照步驟（3）測(cè)定水解過程中 a t ，然后再按照步驟（4）測(cè)定 a 。 五、 數(shù)據(jù)記錄與處理 1 1 、l 2mol/l hcl 催化蔗糖水解數(shù)據(jù)記錄與處理： （1）蔗糖溶液完全水解旋光度 a = -1.302 （2）2mol/l hcl 催化蔗糖水解數(shù)據(jù)記錄： 表一 溫度：室溫 鹽酸濃度：2mol/l 反應(yīng)時(shí)間/min t t - ln( t - ) 3 2.838 4.140 1.420696 6 2.711 4.013 1.389539 9 2.500 3.802 1.335527 12 2.275 3.577 1.274524 15 2.056 3.358 1.211346 18

11、1.846 3.148 1.146767 21 1.631 2.933 1.076026 24 1.420 2.722 1.001367 27 1.194 2.496 0.914689 30 1.036 2.338 0.849296 33 0.821 2.123 0.75283 36 0.604 1.906 0.645007 39 0.453 1.755 0.562469 42 0.300 1.602 0.471253 45 0.149 1.451 0.372253 48 -0.009 1.293 0.256965 51 -0.105 1.197 0.179818 54 -0.249 1.05

12、3 0.051643 57 -0.349 0.953 -0.04814 60 -0.401 0.901 -0.10425 63 -0.498 0.804 -0.21816 66 -0.598 0.704 -0.35098 69 -0.649 0.653 -0.42618 71 -0.696 0.606 -0.50088 (3) 以 ln( t - )對(duì) t 作圖如圖 1： 圖 1 2mol/l hcl 催化蔗糖水解 由圖 1 得 ln( t - )t 所做圖的直線為 ln( t - )=1.65044-0.02931t r2 =0.991，可見直線的斜率為-0.02931，則反應(yīng)的速率常數(shù)為

13、0.02931，半衰期t 1/2 =0.693/k=23.6438。 2 2 、l 4mol/l hcl 催化蔗糖水解數(shù)據(jù)記錄與處理： （1）蔗糖溶液完全水解旋光度 a = -1.345 （2）4mol/l hcl 催化蔗糖水解數(shù)據(jù)記錄： 表二 溫度：室溫 鹽酸濃度：4mol/l 反應(yīng)時(shí)間/min t t - ln( t - ) 3 2.489 3.834 1.343909 6 1.909 3.254 1.179885 9 1.463 2.808 1.032472 12 1.062 2.407 0.878381 15 0.695 2.04 0.71295 18 0.414 1.759 0.56

14、4745 21 0.136 1.481 0.392718 24 -0.083 1.262 0.232698 27 -0.29 1.055 0.053541 30 -0.492 0.853 -0.159 33 -0.638 0.707 -0.34672 36 -0.741 0.604 -0.50418 39 -0.846 0.499 -0.69515 42 -0.944 0.401 -0.91379 45 -0.993 0.352 -1.04412 48 -1.043 0.302 -1.19733 51 -1.091 0.254 -1.37042 (3) 以 ln( t - )對(duì) t 作圖如圖

15、2： 圖 2 4mol/l hcl 催化蔗糖水解 由圖 2 得 ln( t - )對(duì) t 所做圖的直線為 ln( t - )=1.56427-0.05759t r2 =0.999，可見直線的斜率為-0.05759，則反應(yīng)的速率常數(shù)為 0.05759，半衰期t 1/2 =0.693/k=12.0333。 3 3 、 2mol/l h 2 2 so 4 4 催化蔗糖水解數(shù)據(jù)記錄與處理： （1）蔗糖溶液完全水解旋光度 a = -1.003 （2）2mol/l h 2 so 4 催化蔗糖水解數(shù)據(jù)記錄： 表三 溫度：室溫 硫酸濃度：2mol/l 反應(yīng)時(shí)間/min t t - ln( t - ) 3 3.

16、026 4.029 1.393518 6 2.796 3.799 1.334738 9 2.498 3.501 1.253049 12 2.286 3.289 1.190584 15 2.06 3.063 1.119395 18 1.791 2.794 1.027474 21 1.572 2.575 0.94585 24 1.412 2.415 0.881699 27 1.215 2.218 0.796606 30 1.003 2.006 0.696143 33 0.866 1.869 0.625404 36 0.658 1.661 0.50742 39 0.503 1.506 0.40945

17、7 42 0.4 1.403 0.338613 45 0.237 1.24 0.215111 48 0.134 1.137 0.128393 51 -0.018 0.985 -0.01511 54 -0.118 0.885 -0.12217 57 -0.216 0.787 -0.23953 60 -0.266 0.737 -0.30517 63 -0.379 0.624 -0.4716 66 -0.431 0.572 -0.55862 69 -0.483 0.52 -0.65393 71 -0.533 0.47 -0.75502 74 -0.581 0.422 -0.86275 77 -0.6

18、29 0.374 -0.9835 （3）ln( t - )對(duì) t 作圖如圖 3： 圖 3 2mol/l h 2 so 4 催化蔗糖水解 由圖 3 得 ln(a t -a ）對(duì) t 所做圖的直線為 ln( t - )=1.61793-0.03254t r2 =0.993 可見直線的斜率為-0.03254，則反應(yīng)的速率常數(shù) 0.03254，半衰期t 1/2 =0.693/k=21.2969。 4 4 、 4mol/l h 3 3 po 4 4 催化蔗糖水解數(shù)據(jù)記錄與處理： （1）蔗糖溶液完全水解旋光度 a =-1.0365 （2）4mol/l h 3 po 4 催化蔗糖水解數(shù)據(jù)記錄： 表四 溫度：

19、室溫 磷酸濃度：4mol/l 反應(yīng)時(shí)間/min t t - ln( t - ) 3 3.181 4.2175 1.439243 6 3.139 4.1755 1.429234 9 3.086 4.1225 1.41646 12 2.985 4.0215 1.391655 15 2.882 3.9185 1.365709 18 2.768 3.8045 1.336185 21 2.664 3.7005 1.308468 24 2.566 3.6025 1.281628 27 2.466 3.5025 1.253477 30 2.367 3.4035 1.224804 33 2.211 3.247

20、5 1.177885 36 2.11 3.1465 1.146291 39 2.007 3.0435 1.113008 42 1.907 2.9435 1.079599 45 1.806 2.8425 1.044684 48 1.702 2.7385 1.00741 51 1.551 2.5875 0.950692 54 1.452 2.4885 0.91168 57 1.353 2.3895 0.871084 60 1.254 2.2905 0.82877 63 1.151 2.1875 0.782759 66 1.051 2.0875 0.735967 69 1 2.0365 0.7112

21、33 71 0.9 1.9365 0.660882 74 0.801 1.8375 0.608406 77 0.754 1.7905 0.582495 80 0.654 1.6905 0.525024 83 0.605 1.6415 0.49561 86 0.503 1.5395 0.431458 89 0.455 1.4915 0.399782 （3）ln( t - )對(duì) t 作圖如圖 4： 圖 4 4mol/l h 3 po 4 催化蔗糖水解 由圖 4 得 ln(a t -a ）對(duì) t 所做圖的直線為 ln( t - )=1.56649-0.0126t r2 =0.988，可見直線的斜率為

22、-0.0126，則反應(yīng)的速率常數(shù)為 0.0126，半衰期t 1/2 =0.693/k=55。 5 5. . 不同濃度鹽酸 下的比催化活性： 對(duì)于液相催化反應(yīng)，通常用速率常數(shù)與催化劑濃度之比來表示比催化劑活性。比催化活性表明，催化劑的催化作用取決于其本性，而與用量無關(guān)。 表五不同鹽酸濃度的比催化活性 反應(yīng)速率常數(shù) 比催化活性 2mol/l hcl 0.02931 0.014655 4mol/l hcl 0.05759 0.0143975 反應(yīng)的速率常數(shù)是和h+ 的濃度呈線性相關(guān)。根據(jù) lgk=lgk"-ph 這一公式，k"其實(shí)和比催化活性是相同的，該公式應(yīng)該對(duì)同一種酸的不同濃

23、度使用，或者對(duì)特殊酸催化體系（只與 h+ 有關(guān)，與其他離子存在無關(guān)）適用。 表六 lgk 和 ph 的數(shù)值 ph lgk 2mol/l hcl -0.30103 -1.53298 4mol/l hcl -0.60206 -1.23965 圖 5 以 lgk 對(duì) ph 作圖 由圖 5 所得的不同濃度鹽酸的比催化活性得：lgk=-1.82631-0.97442ph。 6. 布朗斯特德定律的應(yīng)用： 根據(jù)布朗斯特德定律：lgk =lgg a +algk a ，由硫酸和磷酸的速率常數(shù)和解離平衡常數(shù)，計(jì)算出 g a 、a。查閱硫酸和醋酸的解離常數(shù)，其中磷酸只考慮一級(jí)電離。 h 2 so 4 的一級(jí)解離常數(shù)

24、：1.0103 h 3 po 4 的一級(jí)解離常數(shù)：7.5210-3 所得數(shù)據(jù)如下表： 表七 硫酸、磷酸相關(guān)數(shù)據(jù) k a lgk a k lgk 硫酸 1000 3 0.03254 -1.48758 磷酸 0.00752 -2.12378 0.0126 -1.89963 按照公式 lgk =lgg a +algk a 作圖，如下圖 6： 圖 6 蔗糖在硫酸、磷酸水解過程中，布朗斯特德關(guān)系圖 由圖 6 可知 lgk =-1.72884+0.08042lgk a ，則 g a =-1.72884，=0.08042。 7 7 、不同酸根離子的比催化活性 ： 計(jì)算硫酸的比催化活性與鹽酸比較，如下表： 表

25、八不同酸根離子比催化活性的比較 反應(yīng)速率常數(shù) 比催化活性 2mol/l hcl 0.02931 0.014655 4mol/l hcl 0.05759 0.0143975 2mol/l h 2 so 4 0.03254 0.016270 8 8 、不同強(qiáng)度酸的蔗糖水解速率常數(shù)： 表九不同強(qiáng)度酸的蔗糖水解速率常數(shù) 酸 4mol/l hcl 2mol/l h 2 so 4 4mol/l h 3 po 4 k 0.05759 0.03254 0.0126 六、結(jié)果與討論 1 1 、 蔗糖水解反應(yīng)： 觀察圖 1-4，可見以 ln(a t -a ）對(duì) t 作圖，并不是完全的直線，而是有稍稍的彎曲，這是因

26、為蔗糖濃度比較高，水的濃度無法遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于蔗糖的濃度，不屬于稀溶液的范疇，因此不可以看成是一級(jí)反應(yīng)，因此曲線開始是稍稍彎曲的線，這會(huì)對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果引起一定的誤差，但曲線的線性還是不錯(cuò)的。 2 2 、不同濃度鹽酸 下的比催化活性： 催化活性是指催化劑催化物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)的能力，是催化劑的重要性質(zhì)之一。為了描述液相催化反應(yīng)催化活性的差異，通常用速率常數(shù)與催化劑濃度之比來表示比催化劑活性。 從表五可以得到 2mol/l hcl、4mol/l hcl 比催化活性分別是 0.014655 和0.0143975，可看出不同濃度鹽酸的比催化活性基本上是相同的。因此，通過比較可以得知催化劑的催化作用取決于其本性，而與用量

27、無關(guān)。 但是，酸的濃度會(huì)影響蔗糖水解的反應(yīng)速率常數(shù)。加大酸的濃度可以加快反應(yīng)速率，但是并不是酸的濃度越高越好，因?yàn)樗岬臐舛冗^大，蔗糖水解反應(yīng)就不是一級(jí)反應(yīng)了。 3 3 、 布朗斯特德定律 - 氫離子催化蔗糖水解反應(yīng)對(duì)酸的強(qiáng)度敏感性分析 ： 根據(jù)布朗斯特德定律：lgk =lgg a +algk a ，其中 值為 01。 越小，表明反應(yīng)對(duì)催化劑的酸強(qiáng)度不敏感，此時(shí)任何一種酸都是優(yōu)良的催化劑，反應(yīng)與催化劑酸強(qiáng)度無關(guān)。 接近 1，表明反應(yīng)對(duì)催化劑酸強(qiáng)度很敏感，只有強(qiáng)酸才能催化該反應(yīng)。 本次實(shí)驗(yàn)中看圖 6，可知 g a =-1.72884，=0.08042。 比較小，說明蔗糖反應(yīng)對(duì)催化劑氫離子的酸度不敏

28、感，因此，因此對(duì)于蔗糖反應(yīng)來說，任何一種酸都算是優(yōu)良的催化劑，反應(yīng)與催化劑酸強(qiáng)度無關(guān)，弱酸也能催化蔗糖水解反應(yīng)。 4 4 、不同酸根離子的比催化活性 ： 根據(jù)表八，比較硫酸與鹽酸的比催化活性，4mol/l hcl、2mol/l h 2 so 4 的比催化活性分別為 0.0143975 和 0.016270，這說明了在不同的酸根離子存在下，它們得比催化活性基本相同（在誤差允許的范圍內(nèi)）?？梢娋嗨岽呋崽侵兴岣x子不影響催化作用，只與氫離子的濃度有關(guān)。即蔗糖水解反應(yīng)速率只取決于 h+ , 與溶液中其它離子的濃度無關(guān)。 5 5 、 不同強(qiáng)度酸的蔗糖水解速率常數(shù) ： 從表九看出，不同強(qiáng)度的酸因 h+

29、 的濃度不同, 對(duì)蔗糖水解速率影響也不一樣, 酸性愈強(qiáng),解離 h+ 愈多,催化能力也愈強(qiáng), 所以對(duì)蔗糖水解起催化作用的是 h + 。 討論：分析產(chǎn)生誤差的原因有哪些？ （1）溫度的影響。 在實(shí)驗(yàn)過程中，溫度會(huì)影響反應(yīng)的速率常數(shù)，由于鈉光燈的散熱 ,放在旋光暗室中的蔗糖水解溶液的溫度并不恒定 , 經(jīng)過一定時(shí)間后，反應(yīng)液溫度開始上升，蔗糖轉(zhuǎn)化反應(yīng)速率加快，使得測(cè)得的速率常數(shù)會(huì)有誤差，這可能是產(chǎn)生實(shí)驗(yàn)誤差的主要原因。 （2）本實(shí)驗(yàn)是以 ln(a t -a )對(duì) t 作圖，從擬合直線的斜率即可求出蔗糖水解反應(yīng)的反應(yīng)速率常數(shù) k 值，擬合曲線引入誤差，但是擬合曲線的相關(guān)系數(shù)均在 0.98以上，可忽略不計(jì)。 （3）以 ln(a t -a ）對(duì) t 作圖的曲線剛開始是稍稍彎曲的，這是因?yàn)檎崽菨舛缺容^高，水的濃度無法遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于蔗糖的濃度，不屬于稀溶液