均相酸催化蔗糖水解实验报告华师化环

1、华南师范大学实验报告学生姓名：xxxxxxx 学号：xxxxxxx专业：化学教育 年级、班级：xxxxxxx课程名称：应用物理化学实验 实验名称：均相酸催化蔗糖水解反应指导老师：xxxx老师 实验时间：xxxxxxxxxxxxx【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。【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：C12H22O

2、11 + H2O H 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

3、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 / 2 时，时间为 

4、;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

5、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      

6、                . 1    当蔗糖已完全转化时，体系的旋光度为：  = 生成物c0                     . 2   此处，

7、 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 

8、;(t - ) = - kt + ln  (0 - ) 根据实验测得的反应过程中的旋光度值计算 ln (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

9、=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，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

10、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。【仪器药品】（1）仪器：旋光仪，停表， 锥形瓶（100 ml），移液管（20 ml）（2）蔗糖（分析纯）；HCl 溶液（6M）；HCl 溶液（3M）；磷酸（4 M）；硫酸（4M）；【实验步骤】1 测定不同浓度盐酸(6M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

11、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

12、，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6MHCl分别换成4 M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。【数据记录与处理】实验原始数据记录见附

13、录。室温：25.5 大气压：1017.2hpa1、6mol/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=-3.680（2） 6mol/L HCl催化蔗糖水解数据记录：时间/minataat-aln(at-a）01.742-1.0382.7801.022530.892-1.0381.9300.657560.227-1.0381.2650.23519-0.230-1.0380.808-0.213212-0.521-1.0380.517-0.659715-0.738-1.0380.300-1.204018-0.843-1.0380.195-1.634821-0.894-

14、1.0380.144-1.937924-0.894-1.0380.144-1.937927-0.894-1.0380.144-1.9379-1.038（3） 以ln(at-a）对t作图如图1： 图1 6mol/L HCl催化蔗糖水解由图1得ln(at-a）对t所做图的直线为ln(at-a）= -0.1466t + 1.0727 R2=0.9973可见直线的斜率为-0.1466，则反应的速率常数为0.1466。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=-0.970 （2）4mol/L HCl催化蔗糖水解数据记录： 时间/minataat-aln(at-

15、a）02.564-0.9703.5341.262432.106-0.9703.0761.123661.632-0.9702.6020.956391.188-0.9702.1580.7692120.811-0.9701.7810.5772150.464-0.9701.4340.3605180.119-0.9701.0890.085321-0.099-0.9700.871-0.138124-0.316-0.9700.654-0.424627-0.423-0.9700.547-0.6033-0.970（3）以ln(at-a）对t作图如图2： 图2 4mol/L HCl催化蔗糖水解 由图2得ln(at

16、-a）对t所做图的直线为ln(at-a）= -0.0715t + 1.3615R2 = 0.9921可见直线的斜率为-0.0715，则反应的速率常数为0.0715。3、4mol/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=-1.020 （2）4mol/L H2SO4催化蔗糖水解数据记录：时间/min旋光度aat-aln(at-a）02.392-1.0203.4121.227331.759-1.0202.7791.022161.355-1.0202.3750.865090.981-1.0202.0010.6936120.589-1.0201.6090.475615

17、0.350-1.0201.3700.3148180.133-1.0201.1530.142421-0.082-1.0200.938-0.064024-0.243-1.0200.777-0.252327-0.453-1.0200.567-0.567430-0.556-1.0200.464-0.7679-1.020 表3 4mol/L H2SO4催化蔗糖水解数据记录 （3）以ln(at-a）对t作图如图3： 图3 4mol/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(at-a）=-0.0653t + 1.2597R2=0.9948可见直线的斜率为-0.0653，则反

18、应的速率常数为0.0653。 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=-0.349 （2）4mol/L H3PO4催化蔗糖水解数据记录：时间/min旋光度aat-aln(at-a）02.557-0.3492.9061.066832.555-0.3492.9041.066162.506-0.3492.8551.049192.456-0.3492.8051.0314122.405-0.3492.7541.0131152.354-0.3492.7030.9944182.304-0.3492.6530.9757212.204-0.3492.5530.9

19、373240.153-0.3492.5020.9171272.102-0.3492.4510.8965302.050-0.3492.3990.8751-0.349（3） 以ln(at-a）对t作图如图4： 图4 4mol/LH3PO4催化蔗糖水解 由图4得ln(at-a）对t所做图的直线为ln(at-a）= -0.0068t + 1.0865 R2=0.9808可见直线的斜率为-0.0068，则反应的速率常数为0.0068。 5、 布朗斯特德定律的应用：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： 硫酸、磷酸相关数据kalgkaKalgK

20、a硫酸1.0*1033.00000.0653-1.1851磷酸7.52*10-3-2.12380.0068-2.1675按照公式=lgGa+algKa作图，如下图5： 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=5.2156lgKa+9.181则lgGa=9.181,a=5.2156。6、 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，如下表6： 不同盐酸浓度的比催化活性反应速率常数比催化活性6MHCl0.14660.024434MHCl0.07150.01788 7、不同酸根离子的比催化活性比： 计算硫酸的比催化活性与盐酸比较，如

21、下表7： 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6M盐酸0.14660.024434M盐酸0.07150.017884M硫酸0.06530.01633【分析与讨论】 1、不同浓度盐酸比催化活性： 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，通常用速率常数与催化剂浓度之比来表示比催化剂活性。 由表6得：6M盐酸的比催化活性为0.02443，4M盐酸的比催化活性为0.01788,误差为0.02443-0.01788=0.00655，相对误差为0.00655÷0.02443=0.268，两者皆有催化作用，可见催化剂的催化作用取决于其本性，而与用量无关。加大

22、酸的浓度可以加快反应速率。 2、 不同酸根离子比催化活性比较： 由表7得，6M盐酸、4M盐酸、4M硫酸的比催化活性分别为0.02443,0.01788,0.01633。其中4M盐酸与4M硫酸的比催化活性接近，误差为0.00155，非常接近。而6M盐酸的比催化性与其它两个的相差较大。可见均相催化蔗糖中酸根离子不影响催化，只与氢离子的浓度有关。3、催化反应的酸强度敏感： 布朗斯特德定律：=lgGa+algKa其a 值为01。根据表5、图5可得蔗糖在硫酸和硫酸遵循布朗斯特德定律，且：=5.2156lgKa+9.181则lgGa=9.181， a=5.2156，a大于1，说明表明蔗糖的水解对催化剂极度

23、敏感，只有强酸才能催化反应，这与实验现象吻合。 实验中，利用相同浓度不同强度的酸催化蔗糖的水解反应，实验所得的各种酸的反应速率常数如下表4M硫酸4M磷酸4M醋酸反应速率常数0.017880.00170.01633 实验得出酸强度最强的硫酸反应速率最大，次之是中强酸磷酸，醋酸基本不起催化作用。4、 蔗糖水解反应： 观察图14，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。 【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、测量旋光仪为什么要进行零点校对？答：长时间使用会使得旋光仪的精度和灵敏度变差，故需要对零点进行校正。如果不校正，会使测量值的精确度变差，产生误差。3、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。 4、为什么配制溶液可用上皿天平称量？ 答：