均相酸催化蔗糖的水解反应实验报告

均相酸催化蔗糖水解反应学生姓名： 学号：20102221234专业: 化学（师范）年级、班级：合作者： 实验日期年3月日指导老师 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：CHO+HO—>CHO+CHO122211261266126（蔗糖）（葡萄糖）（果糖）其中，20°C时，蔗糖的比旋光度〔a〕=66.6°；葡萄糖比旋光度〔a〕=52.5°；果糖的比旋光度〔a〕=—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：-d/d=kt

ct对此式积分可得：

lnc=-k+lnct0式中c为反应过程中的浓度，c为反应开始时的浓度。当c=c/2时，时间00为t，称为半衰期。代入上式，得：1/2

t=ln2/k=0.693/k1/2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a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［a^20=66.6°，葡萄糖的比旋光度［a^20=52.5°，果糖是左旋性物质，它的比旋光度为回°20=-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：a=Bc0 反应物0当蔗糖已完全转化时，体系的旋光度为a=Bco 生成物0此处，P为旋光度与反应物浓度关系中的比例系数。时间t时，时间t时，蔗糖浓度为c,旋光度应为:B反应物c+B生成物(co-c)2式：3式：代入lnc=-kt+lnc代入lnc=-kt+lnc式，可得：0ln(a-a)=-kt+ln(a-at o 0根据实验测得的反应过程中的旋光度值计算ln(a-a)，再对时间作图，可得)coto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+HO=HO++A-23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：k=GKaaaa或 lgk=lgG+algKa a a式中G，a均为常数，它决定于反应的种类和反应条件。a对于碱催化的反应，碱的催化作用速率常数k同样与它的解离常数Kb有如下的关系：bk=GKpbbb式中G，p均为常数，它决定于反应的种类和反应条件。b3、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）；HC1溶液（6M）；HC1溶液（3M）；HAC（4M）；磷酸（4M）；硫酸（4M）；四、实验操作步骤测定不同浓度盐酸（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)6MHC1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lOOmL带塞三角瓶中，然后再移取30mL6mo1/LHC1溶液于另lOOmL带赛三角瓶中。将HC1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HC1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，3Omin后，每5min读一次。a的测定：将步骤(3)剩余的混合溶液置于近60°C的水浴中，恒温30min以加速反co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。o3MHC1催化蔗糖水解过程中at的测定：将步骤(3)的6MHC1换成3MHC1,重复步骤(3)、(4)。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： lgk=lgG+algK。aaa不同种类酸催化蔗糖水解过程的测定：将6MHC1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。to五、数据记录与处理l、6mo1/LHC1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=-3.680o(2)6mo1/LHC1催化蔗糖水解数据记录：温度：室温 盐酸浓度：6mo1/L表16mo1/LHC1催化蔗糖水解数据记录时间/min旋光度aoat-aoln(at-ao)30.601-3.6804.2811.45425-1.278-3.6802.4020.87636-1.897-3.6801.7830.57838-2.728-3.6800.952-0.04929-2.961-3.6800.719-0.329911-3.333-3.6800.347-1.058412-3.398-3.6800.282-1.265815-3.582-3.6800.098-2.3228(3)以ln(atw)对t作图如图1：3I|||||2 4 6 8 10 12 14 16t/min图16mol/LHCl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^)=2.4483-0.3145tR2=0.9987可见直线的斜率为-0.3145，则反应的速率常数为0.3145。2、3mol/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=-3.210OO(2)3mol/LHCl催化蔗糖水解数据记录：温度：室温 盐酸浓度：3mol/L

表23mol/LHCl催化蔗糖水解数据记录时间/min旋光度aOOat-aOln(at-aO)25.598-3.2108.8082.175753.931-3.2107.1411.965982.434-3.2105.6441.730681.975-3.2105.1851.645890.729-3.2103.9391.370912-0.297-3.2102.9131.069215-1.107-3.2102.1030.743418-1.689-3.2101.5210.419421-2.170-3.2101.0400.039224-2.600-3.2100.610-0.494329-2.868-3.2100.342-1.072934-2.967-3.2100.243-1.414739-3.016-3.2100.194-1.6399442.434-3.2105.6441.7306(3)以ln(at-a^)对t作图如图2：

32u01020304050Jt/min32u01020304050Jt/min图23mol/LHCl催化蔗糖水解由图2得ln(at-a^)对t所做图的直线为ln(at-a^)=2.4716-0.0984tR2=0.9934可见直线的斜率为-0.0984，则反应的速率常数为0.0984。3、4mol/LH2SO4催化蔗糖水解数据记录与处理：蔗糖溶液完全水解旋光度a=-3.650co4mol/LH2SO4催化蔗糖水解数据记录：温度：室温 硫酸浓度：4mol/L表34mol/LH2SO4催化蔗糖水解数据记录时间/min旋光度aoat-aoln(at-ao)33.129-3.6506.7791.913851.272-3.6504.9221.59377-0.225-3.6503.4251.23119-1.348-3.6502.3020.833811-2.165-3.6501.4850.395415-3.025-3.6500.625-0.470023-3.469-3.6500.181-1.709328-3.520-3.6500.130-2.0402

⑶以ln(atw)对t作图如图3：由图3得ln(at-a^)对t所做图的直线为ln(at-a^)=2.3248-0.1668tR2=0.9838可见直线的斜率为-0.1668，则反应的速率常数为0.1668。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=-3.714OO2)4mol/LH3PO4催化蔗糖水解数据记录：温度：室温 磷酸浓度：4mol/L

表44mol/LH3PO4催化蔗糖水解数据记录时间/min旋光度aoat-aoln(at-ao)26.698-3.71410.4122.343056.454-3.71410.1682.319286.150-3.7149.8642.2889115.747-3.7149.4612.2472145.438-3.7149.1522.2140174.983-3.7148.6972.1630204.577-3.7148.2912.1152234.164-3.7147.8782.0641263.687-3.7147.4012.0016293.270-3.7146.9841.9436352.455-3.7146.1691.8195382.060-3.7145.7741.7534411.687-3.7145.4011.6866441.375-3.7145.0891.6271471.001-3.7144.7151.5507500.708-3.7144.4221.4866530.400-3.7144.1141.41443)以ln(at-a)对t作图如图4：tco

由图4得ln(a-a)对t所做图的直线为ln(a-a)=2.4538-0.0187tR2=0.9883可见直线tco tco的斜率为-0.0187，则反应的速率常数为0.0187。5、4mol/LHAC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=0.472o(2)4mol/LHAC催化蔗糖水解数据记录:醋酸浓度：4mol/L醋酸浓度：4mol/L时间/min旋光度aoat-aoln(at-ao)20.6580.4720.186-1.682060.7090.4720.237-1.4397100.7090.4720.237-1.4397140.7090.4720.237-1.4397160.7570.4720.285-1.2553220.7570.4720.285-1.2553280.8060.4720.334-1.0966300.8060.4720.334-1.0966表54mol/LHAC催化蔗糖水解数据记录

3)以ln(at-a)对t作图如图5：tco由图5得ln(at-a)对t所做图的直线为ln(at-a)=1.6397+0.0188tR2=0.9046可见直to to线的斜率为0.9046，则反应的速率常数为-0.9046。通过实验求得的醋酸的反应速率常数-0.9046<0，可见醋酸对蔗糖的催化基本不起作用，而由于仪器本省的误差，导致旋光度的数值反而偏大，所以测得的反应速率常数反而小。7、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G、a。查阅硫酸和醋酸的解离常数，其中磷酸只考a虑一级电离，所得数据如下表：表6硫酸、磷酸相关数据klgkKlgK硫酸1.00E+0330.1668-0.7778磷酸7.52E-03-2.123780.0187-1.72816如下图6：按照公式lgk=lgG+algK作图,如下图6：aaa420—1.8420—1.8-1.6—1.4-1.2—1.0-0.81叭图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=7.1935+5.39141gK，则G=7.1935,a=5.3914。aaa8、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7表7不同盐酸浓度的比催化活性反应速率常数比催化活性6MHC10.31450.0524173MHC10.09840.0328根据lgk=lgk'-pH做图得图7：

-0.4-0.8-0.5-0.6lgk：°--0.4-0.8-0.5-0.6lgk：°-7-0.8-0.9_1.1-0.7-0.6 -0.5pH图7不同盐酸浓度的比催化活性由图7所得的不同盐酸浓度的比催化活性得：lgk=-1.8068-1.6763pH9、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，如下表8：表8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6MHC10.31450.0524173MHCl0.09840.03284M硫酸0.16680.0417七、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。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。由表7、图7得出的不同浓度盐酸的比催化活性基本相同，（在实验允许误差之内)，所以比催化活性表明，催化剂的催化作用取决于其本性，而与用量无关。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，因为酸的浓度过大可能使得逆反应加快反而减慢反应速率。2、不同酸根离子比催化活性比较：通过表的数据，可见均相酸催化蔗糖中酸根离子不影响催化，只与氢离子的浓度有关，故硫酸也使用公式：lgk=lgk'-pH。3、催化反应的酸强度敏感：布朗斯特德定律：lgk=lgG+algK其a值为0~1。根据表6、图6可得蔗糖在硫aaa酸和硫酸遵循布朗斯特德定律，且：lgk=7.1935+5.39141gK即a=5.3914，接近1,表a a，明蔗糖的水解对催化剂强度敏感，只有强酸才能催化该反应，这与实验所得结论是一样的。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9：表9不同强度酸的催化反应速率常数4M硫酸4M磷酸4M醋酸反应速率常数0.16680.0187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，tco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。5、 实验中，在测6MHCl的a时候发现其右旋性比at还要厉害，分析原因可能是由于仪ot器所造成的，这也可以从测定醋酸旋光性的时候看出，数值普遍右旋，另外也有可能是由于副反应的发生，具体什么产物我没查到，但是实验中确实观察到加热后的溶液变黄色了，也就是说蔗糖除了苷键锻炼还有其他。八、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。九、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