均相酸催化蔗糖的水解反應(yīng)實(shí)驗(yàn)報(bào)告

均相酸催化蔗糖水解反應(yīng)學(xué)生姓名： 學(xué)號(hào)：20102221234專業(yè): 化學(xué)（師范）年級(jí)、班級(jí)：合作者： 實(shí)驗(yàn)日期年3月日指導(dǎo)老師 一、 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、 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、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：CHO+HO—>CHO+CHO122211261266126（蔗糖）（葡萄糖）（果糖）其中，20°C時(shí)，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(yīng)，開(kāi)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(guò)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/d=kt

ct對(duì)此式積分可得：

lnc=-k+lnct0式中c為反應(yīng)過(guò)程中的濃度，c為反應(yīng)開(kāi)始時(shí)的濃度。當(dāng)c=c/2時(shí)，時(shí)間00為t，稱為半衰期。代入上式，得：1/2

t=ln2/k=0.693/k1/2測(cè)定反應(yīng)過(guò)程中的反應(yīng)物濃度，以lnc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(lái)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a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(lái)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(zhì)，它的比旋光度為回°20=-91.9。。因此，在反應(yīng)過(guò)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(guò)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(kāi)始轉(zhuǎn)化，溶液的旋光度為：a=Bc0 反應(yīng)物0當(dāng)蔗糖已完全轉(zhuǎn)化時(shí)，體系的旋光度為a=Bco 生成物0此處，P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)，時(shí)間t時(shí)，蔗糖濃度為c,旋光度應(yīng)為:B反應(yīng)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(shí)驗(yàn)測(cè)得的反應(yīng)過(guò)程中的旋光度值計(jì)算ln(a-a)，再對(duì)時(shí)間作圖，可得)coto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(lái)衡量：HA+HO=HO++A-23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=GKaaaa或 lgk=lgG+algKa a a式中G，a均為常數(shù)，它決定于反應(yīng)的種類和反應(yīng)條件。a對(duì)于堿催化的反應(yīng)，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(guān)系：bk=GKpbbb式中G，p均為常數(shù)，它決定于反應(yīng)的種類和反應(yīng)條件。b3、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(lái)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(lái)表示，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(lái)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(wú)關(guān)三、 儀器藥品旋光儀 1臺(tái); 停表 1塊錐形瓶（100ml） 2個(gè); 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(shí)驗(yàn)操作步驟測(cè)定不同濃度鹽酸（6M和3M）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(kāi)啟旋光儀，將光源開(kāi)關(guān)拔至交流（AC），鈉燈亮，經(jīng)20分鐘預(yù)熱后使之發(fā)光穩(wěn)。按測(cè)量開(kāi)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)6MHC1催化蔗糖水解過(guò)程中at的測(cè)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(lái)回倒三次，使之充分混合。并在加HC1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(kāi)始時(shí)，可每3分鐘讀一次，3Omin后，每5min讀一次。a的測(cè)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(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。o3MHC1催化蔗糖水解過(guò)程中at的測(cè)定：將步驟(3)的6MHC1換成3MHC1,重復(fù)步驟(3)、(4)。測(cè)定不同種類酸對(duì)催化速率常數(shù)的影響，包括HAC(4M)、磷酸(4M)、硫酸(4M)、驗(yàn)證布朗斯特德定律： lgk=lgG+algK。aaa不同種類酸催化蔗糖水解過(guò)程的測(cè)定：將6MHC1分別換成4MHAC、4M磷酸、4M硫酸按照步驟(3)測(cè)定水解過(guò)程中at，然后再按照步驟(4)測(cè)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(shí)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(duì)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(duì)t所做圖的直線為ln(at-a^)=2.4483-0.3145tR2=0.9987可見(jiàn)直線的斜率為-0.3145，則反應(yīng)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(shí)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(duì)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(duì)t所做圖的直線為ln(at-a^)=2.4716-0.0984tR2=0.9934可見(jiàn)直線的斜率為-0.0984，則反應(yīng)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(shí)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(duì)t作圖如圖3：由圖3得ln(at-a^)對(duì)t所做圖的直線為ln(at-a^)=2.3248-0.1668tR2=0.9838可見(jiàn)直線的斜率為-0.1668，則反應(yīng)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(shí)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(duì)t作圖如圖4：tco

由圖4得ln(a-a)對(duì)t所做圖的直線為ln(a-a)=2.4538-0.0187tR2=0.9883可見(jiàn)直線tco tco的斜率為-0.0187，則反應(yīng)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(shí)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(duì)t作圖如圖5：tco由圖5得ln(at-a)對(duì)t所做圖的直線為ln(at-a)=1.6397+0.0188tR2=0.9046可見(jiàn)直to to線的斜率為0.9046，則反應(yīng)的速率常數(shù)為-0.9046。通過(guò)實(shí)驗(yàn)求得的醋酸的反應(yīng)速率常數(shù)-0.9046<0，可見(jiàn)醋酸對(duì)蔗糖的催化基本不起作用，而由于儀器本省的誤差，導(dǎo)致旋光度的數(shù)值反而偏大，所以測(cè)得的反應(yīng)速率常數(shù)反而小。7、布朗斯特德定律的應(yīng)用：由于醋酸基本對(duì)蔗糖水解基本不起作用，而且由于實(shí)驗(yàn)條件的限制導(dǎo)致數(shù)據(jù)不理想，所以僅用硫酸和磷酸兩組數(shù)據(jù)來(lái)計(jì)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(jí)電離，所得數(shù)據(jù)如下表：表6硫酸、磷酸相關(guān)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(guò)程中,布朗斯特德關(guān)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(yīng)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(yīng)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(jì)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(yīng)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(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(lái)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(shí)驗(yàn)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(wú)關(guān)。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^(guò)大可能使得逆反應(yīng)加快反而減慢反應(yīng)速率。2、不同酸根離子比催化活性比較：通過(guò)表的數(shù)據(jù)，可見(jiàn)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(guān)，故硫酸也使用公式：lgk=lgk'-pH。3、催化反應(yīng)的酸強(qiáng)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(duì)催化劑強(qiáng)度敏感，只有強(qiáng)酸才能催化該反應(yīng)，這與實(shí)驗(yàn)所得結(jié)論是一樣的。實(shí)驗(yàn)中，利用相同濃度不同強(qiáng)度的酸催化蔗糖的水解反應(yīng)，實(shí)驗(yàn)所得的各種酸的反應(yīng)速率常數(shù)如下表9：表9不同強(qiáng)度酸的催化反應(yīng)速率常數(shù)4M硫酸4M磷酸4M醋酸反應(yīng)速率常數(shù)0.16680.0187實(shí)驗(yàn)得出酸強(qiáng)度最強(qiáng)的硫酸反應(yīng)速率最大，次之是中強(qiáng)酸磷酸，醋酸基本不起催化作用。4、 蔗糖水解反應(yīng)：觀察圖1~4，可見(jiàn)以ln(at-a)對(duì)t做圖，并不是完全的直線，而是有稍稍的彎曲，tco這是因?yàn)檎崽菨舛缺容^高，水的濃度無(wú)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)，因此是彎曲的線。5、 實(shí)驗(yàn)中，在測(cè)6MHCl的a時(shí)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(cè)定醋酸旋光性的時(shí)候看出，數(shù)值普遍右旋，另外也有可能是由于副反應(yīng)的發(fā)生，具體什么產(chǎn)物我沒(méi)查到，但是實(shí)驗(yàn)中確實(shí)觀察到加熱后的溶液變黃色了，也就是說(shuō)蔗糖除了苷鍵鍛煉還有其他。八、注意事項(xiàng)1、 本實(shí)驗(yàn)均在室溫條件下操作。2、 因反應(yīng)液為酸性，測(cè)量旋光度之前，切記將旋光管外側(cè)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(diǎn)？答：主要是因?yàn)檎麴s水沒(méi)有旋光性，其旋光度為零，其次是因?yàn)樗鼰o(wú)色透明，方便可得，化學(xué)性質(zhì)較為穩(wěn)定。另外實(shí)驗(yàn)中的蔗糖溶液是使用蒸餾水來(lái)配制，且看成是稀溶液處理。2、本實(shí)驗(yàn)可否不進(jìn)行零點(diǎn)校正？為什么？答：實(shí)驗(yàn)