均相酸催化蔗糖的水解反应实验报告

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1、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：C H O + HO CH O + CH O12 22 11 2 6 12 6 6 12 6 （蔗糖） （葡萄糖）

2、（果糖）其中，20C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 = ktct对此式积分可得：ln c = -

3、k+ ln ct0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：1/2t = ln 2 / k = 0.693 / k 1/2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=6

4、6.6，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 =B c0反应物 0当蔗糖已完全转化时，体系的旋光度为a = B co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，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ln c= - kt + ln c 式，可得：0ln (a - a ) = - kt + l

5、n (a - ato0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 =GK aa a a或lg k = lgG + a lgKaaa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

6、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 =GK pb b b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

7、，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（100 ml）2 个;移液管（20 ml）2 支蔗糖（分析纯）；HC1溶液（6M）； HC1溶液（3M）； HAC（4 M）；磷酸（4 M）；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,

8、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。(4) a的测定：将步骤(3)剩

9、余的混合溶液置于近60C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 。o(5) 3MHC1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)。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 k = lgG + a lgK。a a a(6) 不同种类酸催化蔗糖水解过程的测定：将6MHC1分别换成4 MHAC、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 。to五、数据记

10、录与处理l、 6mo1/L HC1 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/L HC1 催化蔗糖水解数据记录：温度：室温盐酸浓度： 6mo1/L表 1 6mo1/L HC1 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-

11、3.398-3.6800.282-1.265815-3.582-3.6800.098-2.3228(3)以ln(atw )对t作图如图1：3 I|246810121416t/min图 1 6 mol/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) =2.4483-0.3145t R2=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/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 =-3.210OO( 2) 3mol/L HCl 催化蔗糖水解数据记录：温度：室温盐酸浓度： 3

12、mol/L表 2 3mol/L HCl 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-

13、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/min图 2 3 mol/L HCl 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) =2.4716-0.0984t R2=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/L H2SO4 催化蔗糖水解数据记录与处理：(1) 蔗糖溶液完全水解

14、旋光度 a =-3.650co(2) 4mol/L H2SO4 催化蔗糖水解数据记录：温度：室温硫酸浓度：4mol/L表3 4mol/L H2SO4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-

15、2.0402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) =2.3248-0.1668t R2=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/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 =-3.714OO2) 4mol/L H3PO4 催化蔗糖水解数据记录：温度：室温磷酸浓度： 4mol/L表 4 4mol/L H3PO4 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-

16、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.

17、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：t co由图4得ln(a -a )对t所做图的直线为ln(a -a ) =2.4538-0.0187t R2=0.9883可见直线t cot co的斜率为-0.0187，则反应的速率常数为 0.0187。5、4mol/L HAC 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/L HAC催化蔗糖水解数据记录:醋酸浓度：4mol/L温度：室温时间/min

18、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 5 4mol/L HAC 催化蔗糖水解数据记录3)以 ln(at-a )对 t 作图如图 5：t co由图 5 得 ln(at-a )对 t 所做图的直线为 ln(at-a )=

19、1.6397+0.0188t R2=0.9046 可见直t ot o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 CH O + CH O，可见蔗糖水解反应是一个二级反应，但由12 22 11 2 6 12 6 6 12 6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。6、在测量过程中，为什么旋光度逐渐减小？为什么a为负值？8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

20、，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 张俊，李云平,王保玉经典物理化学实验-蔗糖转化反应的改进与综合M.博士 专 家论坛,6.2 何广平，南俊民，孙艳辉物理化学实验M.化学工业出版社，2008, 170-174.3 傅献彩，沈文霞，姚天扬.物理化学M.高等教育出版社，2008.4 尚宏利，桑雪梅，李军 . 酸催化蔗糖水解反应动力学的研究 M. 理论与 探索.2007，6:44-45.