均相酸催化蔗糖的水解反應實驗報告

均相酸催化蔗糖水解反應學生姓名： 學號：20102221234專業(yè): 化學（師范）年級、班級：合作者： 實驗日期年3月日指導老師 一、 實驗目的1、 根據(jù)物質的光學性質研究蔗糖水解反應，測量其反應速率常數(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蔗糖水解反應反應速率常數(shù)的影響，驗證布朗斯特德定律。4、 研究不同濃度酸對蔗糖水解反應反應速率常數(shù)的影響，了解催化劑的比活性概念。二、 實驗原理1、蔗糖的水解反應和利用旋光法測水解速率常數(shù)的原理蔗糖在水中轉化為葡萄糖和果糖：CHO+HO—>CHO+CHO122211261266126（蔗糖）（葡萄糖）（果糖）其中，20°C時，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。蔗糖水解反應，開始體系是右旋的角度大，隨反應進行,旋光角度減少，變成左旋。蔗糖水解反應是一個二級反應，在純水中此反應的速率極慢，通常在H+催化作用下進行，由于反應時水是大量存在的，盡管有部分水分子參加了反應，仍可近似地認為整個反應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，蔗糖轉化反應可作為一級反應。如果以c表示到達t時刻的反應物濃度，k表示反應速率常數(shù)，則一級反應的速率方程為：-d/d=kt

ct對此式積分可得：

lnc=-k+lnct0式中c為反應過程中的濃度，c為反應開始時的濃度。當c=c/2時，時間00為t，稱為半衰期。代入上式，得：1/2

t=ln2/k=0.693/k1/2測定反應過程中的反應物濃度，以lnc對t作圖，就可以求出反應的速率常數(shù)k。但直接測量反應物濃度比較困難。在這個反應中，利用體系在反應進程中的旋光度不同，來度量反應的進程。用旋光儀測出的旋光度值，與溶液中旋光物質的旋光能力、溶劑的性質、溶液的濃度、溫度等因素有關，固定其它條件，可認為旋光度a與反應物濃度c成線性關系。物質的旋光能力用比旋光度來度量：蔗糖的比旋光度［a^20=66.6°，葡萄糖的比旋光度［a^20=52.5°，果糖是左旋性物質，它的比旋光度為回°20=-91.9。。因此，在反應過程中，溶液的旋光度先是右旋的，隨著反應的進行右旋角度不斷減小，過零后再變成左旋，直至蔗糖完全轉化，左旋角度達到最大。當t=0時，蔗糖尚未開始轉化，溶液的旋光度為：a=Bc0 反應物0當蔗糖已完全轉化時，體系的旋光度為a=Bco 生成物0此處，P為旋光度與反應物濃度關系中的比例系數(shù)。時間t時，時間t時，蔗糖濃度為c,旋光度應為:B反應物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根據(jù)實驗測得的反應過程中的旋光度值計算ln(a-a)，再對時間作圖，可得)coto條直線，根據(jù)直線斜率可求得反應速率常數(shù)。2、均相酸催化布朗斯特德定律在酸催化反應中包含了催化劑分子把質子轉移給反應物，因此催化劑的效率常與酸催化劑的酸強度有關。在酸催化時，酸失去質子的趨勢可用它的解離常數(shù)K來衡量：HA+HO=HO++A-23酸催化反應速率常數(shù)ka應與酸的解離常數(shù)Ka成比例，實驗表明，兩者有如下的關系：k=GKaaaa或 lgk=lgG+algKa a a式中G，a均為常數(shù)，它決定于反應的種類和反應條件。a對于堿催化的反應，堿的催化作用速率常數(shù)k同樣與它的解離常數(shù)Kb有如下的關系：bk=GKpbbb式中G，p均為常數(shù)，它決定于反應的種類和反應條件。b3、催化劑的比活性催化活性是指催化劑催化物質發(fā)生反應的能力，是催化劑的重要性質之一。物質的催化活性是針對給定的化學反應而言的。通常，催化劑并不按照化學方程式計量關系進行作用，其用量可以是任意的。在相同條件下，反應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。為了描述不同物質催化活性的差異，工業(yè)生產(chǎn)上常以每單位容積（或質量）催化劑在單位時間內(nèi)轉化原料反應物的數(shù)量來表示，如每立方米催化劑在每小時內(nèi)能使原料轉化的千克數(shù)。對于液相催化反應，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，而與用量無關三、 儀器藥品旋光儀 1臺; 停表 1塊錐形瓶（100ml） 2個; 移液管（20ml） 2支蔗糖（分析純）；HC1溶液（6M）；HC1溶液（3M）；HAC（4M）；磷酸（4M）；硫酸（4M）；四、實驗操作步驟測定不同濃度鹽酸（6M和3M）催化蔗糖水解的速率常數(shù)，計算鹽酸的比催化活性。（1）在室溫下進行實驗。（2）旋光儀零點校正：開啟旋光儀，將光源開關拔至交流（AC），鈉燈亮，經(jīng)20分鐘預熱后使之發(fā)光穩(wěn)。按測量開關,儀器進入待測狀態(tài)。將裝有蒸餾水的旋光管放入樣品測量室,蓋好箱蓋，待顯示讀數(shù)穩(wěn)定后，按清零鈕完成校零。(3)6MHC1催化蔗糖水解過程中at的測定：用移液管取30mL蔗糖溶液置于lOOmL帶塞三角瓶中，然后再移取30mL6mo1/LHC1溶液于另lOOmL帶賽三角瓶中。將HC1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HC1時同時啟動秒表以記錄反應時間,立即用少量反應液蕩洗旋光管兩次,然后將反應液裝滿旋光管,旋上端蓋,外部用濾紙擦干后放進旋光儀內(nèi),蓋好箱蓋,先記下時間，再讀取旋光度值。每隔一定時間，讀取一次旋光度，開始時，可每3分鐘讀一次，3Omin后，每5min讀一次。a的測定：將步驟(3)剩余的混合溶液置于近60°C的水浴中，恒溫30min以加速反co應，然后冷卻至實驗溫度，按上述操作，測定其旋光度，此值即可認為是a。o3MHC1催化蔗糖水解過程中at的測定：將步驟(3)的6MHC1換成3MHC1,重復步驟(3)、(4)。測定不同種類酸對催化速率常數(shù)的影響，包括HAC(4M)、磷酸(4M)、硫酸(4M)、驗證布朗斯特德定律： lgk=lgG+algK。aaa不同種類酸催化蔗糖水解過程的測定：將6MHC1分別換成4MHAC、4M磷酸、4M硫酸按照步驟(3)測定水解過程中at，然后再按照步驟(4)測定a。to五、數(shù)據(jù)記錄與處理l、6mo1/LHC1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=-3.680o(2)6mo1/LHC1催化蔗糖水解數(shù)據(jù)記錄：溫度：室溫 鹽酸濃度：6mo1/L表16mo1/LHC1催化蔗糖水解數(shù)據(jù)記錄時間/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)對t作圖如圖1：3I|||||2 4 6 8 10 12 14 16t/min圖16mol/LHCl催化蔗糖水解由圖1得ln(at-a^)對t所做圖的直線為ln(at-a^)=2.4483-0.3145tR2=0.9987可見直線的斜率為-0.3145，則反應的速率常數(shù)為0.3145。2、3mol/LHCl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=-3.210OO(2)3mol/LHCl催化蔗糖水解數(shù)據(jù)記錄：溫度：室溫 鹽酸濃度：3mol/L

表23mol/LHCl催化蔗糖水解數(shù)據(jù)記錄時間/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^)對t作圖如圖2：

32u01020304050Jt/min32u01020304050Jt/min圖23mol/LHCl催化蔗糖水解由圖2得ln(at-a^)對t所做圖的直線為ln(at-a^)=2.4716-0.0984tR2=0.9934可見直線的斜率為-0.0984，則反應的速率常數(shù)為0.0984。3、4mol/LH2SO4催化蔗糖水解數(shù)據(jù)記錄與處理：蔗糖溶液完全水解旋光度a=-3.650co4mol/LH2SO4催化蔗糖水解數(shù)據(jù)記錄：溫度：室溫 硫酸濃度：4mol/L表34mol/LH2SO4催化蔗糖水解數(shù)據(jù)記錄時間/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)對t作圖如圖3：由圖3得ln(at-a^)對t所做圖的直線為ln(at-a^)=2.3248-0.1668tR2=0.9838可見直線的斜率為-0.1668，則反應的速率常數(shù)為0.1668。4、4mol/LH3PO4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=-3.714OO2)4mol/LH3PO4催化蔗糖水解數(shù)據(jù)記錄：溫度：室溫 磷酸濃度：4mol/L

表44mol/LH3PO4催化蔗糖水解數(shù)據(jù)記錄時間/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)對t作圖如圖4：tco

由圖4得ln(a-a)對t所做圖的直線為ln(a-a)=2.4538-0.0187tR2=0.9883可見直線tco tco的斜率為-0.0187，則反應的速率常數(shù)為0.0187。5、4mol/LHAC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=0.472o(2)4mol/LHAC催化蔗糖水解數(shù)據(jù)記錄:醋酸濃度：4mol/L醋酸濃度：4mol/L時間/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催化蔗糖水解數(shù)據(jù)記錄

3)以ln(at-a)對t作圖如圖5：tco由圖5得ln(at-a)對t所做圖的直線為ln(at-a)=1.6397+0.0188tR2=0.9046可見直to to線的斜率為0.9046，則反應的速率常數(shù)為-0.9046。通過實驗求得的醋酸的反應速率常數(shù)-0.9046<0，可見醋酸對蔗糖的催化基本不起作用，而由于儀器本省的誤差，導致旋光度的數(shù)值反而偏大，所以測得的反應速率常數(shù)反而小。7、布朗斯特德定律的應用：由于醋酸基本對蔗糖水解基本不起作用，而且由于實驗條件的限制導致數(shù)據(jù)不理想，所以僅用硫酸和磷酸兩組數(shù)據(jù)來計算G、a。查閱硫酸和醋酸的解離常數(shù)，其中磷酸只考a慮一級電離，所得數(shù)據(jù)如下表：表6硫酸、磷酸相關數(shù)據(jù)klgkKlgK硫酸1.00E+0330.1668-0.7778磷酸7.52E-03-2.123780.0187-1.72816如下圖6：按照公式lgk=lgG+algK作圖,如下圖6：aaa420—1.8420—1.8-1.6—1.4-1.2—1.0-0.81叭圖6蔗糖在硫酸、磷酸水解過程中,布朗斯特德關系圖由圖6可知lgk=7.1935+5.39141gK，則G=7.1935,a=5.3914。aaa8、不同濃度鹽酸條件下的比催化活性：用不同濃度鹽酸的反應速率常數(shù)除于鹽酸濃度求得比催化活性，如下表7表7不同鹽酸濃度的比催化活性反應速率常數(shù)比催化活性6MHC10.31450.0524173MHC10.09840.0328根據(jù)lgk=lgk'-pH做圖得圖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圖7不同鹽酸濃度的比催化活性由圖7所得的不同鹽酸濃度的比催化活性得：lgk=-1.8068-1.6763pH9、不同酸根離子的比催化活性比：計算硫酸的比催化活性與鹽酸比較，如下表8：表8不同酸根離子比催化活性的比較反應速率常數(shù)比催化活性6MHC10.31450.0524173MHCl0.09840.03284M硫酸0.16680.0417七、分析與討論1、不同濃度鹽酸比催化活性：催化活性是指催化劑催化物質發(fā)生反應的能力，是催化劑的重要性質之一。為了描述液相催化反應催化活性的差異，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。由表7、圖7得出的不同濃度鹽酸的比催化活性基本相同，（在實驗允許誤差之內(nèi))，所以比催化活性表明，催化劑的催化作用取決于其本性，而與用量無關。加大酸的濃度可以加快反應速率，但是并不是酸的濃度越高越好，因為酸的濃度過大可能使得逆反應加快反而減慢反應速率。2、不同酸根離子比催化活性比較：通過表的數(shù)據(jù)，可見均相酸催化蔗糖中酸根離子不影響催化，只與氫離子的濃度有關，故硫酸也使用公式：lgk=lgk'-pH。3、催化反應的酸強度敏感：布朗斯特德定律：lgk=lgG+algK其a值為0~1。根據(jù)表6、圖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，明蔗糖的水解對催化劑強度敏感，只有強酸才能催化該反應，這與實驗所得結論是一樣的。實驗中，利用相同濃度不同強度的酸催化蔗糖的水解反應，實驗所得的各種酸的反應速率常數(shù)如下表9：表9不同強度酸的催化反應速率常數(shù)4M硫酸4M磷酸4M醋酸反應速率常數(shù)0.16680.0187實驗得出酸強度最強的硫酸反應速率最大，次之是中強酸磷酸，醋酸基本不起催化作用。4、 蔗糖水解反應：觀察圖1~4，可見以ln(at-a)對t做圖，并不是完全的直線，而是有稍稍的彎曲，tco這是因為蔗糖濃度比較高，水的濃度無法遠遠大于蔗糖的濃度，不屬于稀溶液的范疇因此不可以看成是一級反應，因此是彎曲的線。5、 實驗中，在測6MHCl的a時候發(fā)現(xiàn)其右旋性比at還要厲害，分析原因可能是由于儀ot器所造成的，這也可以從測定醋酸旋光性的時候看出，數(shù)值普遍右旋，另外也有可能是由于副反應的發(fā)生，具體什么產(chǎn)物我沒查到，但是實驗中確實觀察到加熱后的溶液變黃色了，也就是說蔗糖除了苷鍵鍛煉還有其他。八、注意事項1、 本實驗均在室溫條件下操作。2、 因反應液為酸性，測量旋光度之前，切記將旋光管外側的液體擦拭干凈，以免腐蝕儀器。九、思考題1、為什么可以用蒸餾水校正儀器零點？答：主要是因為蒸餾水沒有旋光性，其旋光度為零，其次是因為它無色透明，方便可得，化學性質較為穩(wěn)定。另外實驗中的蔗糖溶液是使用蒸餾水來配制，且看成是稀溶液處理。2、本實驗可否不進行零點校正？為什么？答：實驗