均相酸催化蔗糖水解實驗報告華師化環(huán)

1、華南師范大學實驗報告學生姓名：xxxxxxx 學號：xxxxxxx專業(yè)：化學教育 年級、班級：xxxxxxx課程名稱：應用物理化學實驗 實驗名稱：均相酸催化蔗糖水解反應指導老師：xxxx老師 實驗時間：xxxxxxxxxxxxx【實驗目的】1、根據(jù)物質(zhì)的光學性質(zhì)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。【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(zhuǎn)化為葡萄糖和果糖：C12H22O

2、11 + H2O H C6H12O6 + C6H12O6 （蔗糖）      （葡萄糖） （果糖） 其中， 20時，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(zhuǎn)化反應可作為

3、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： - dc / dt = kt    對此式積分可得： ln c = - kt + ln c 0    式中 c 為反應過程中的濃度，c 0為反應開始時的濃度。當 c = c 0 / 2 時，時間為 

4、;t 1/2，稱為半衰期。代入上式，得： t 1/2 = ln 2 / k = 0.693 / k    測定反應過程中的反應物濃度，以 ln c 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(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

5、定其它條件，可認為旋光度與反應物濃度c成線性關(guān)系。物質(zhì)的旋光能力用比旋光度來度量：    蔗糖的比旋光度D20=66.6°，葡萄糖的比旋光度D20=52.5°，果糖是左旋性物質(zhì)，它的比旋光度為D20=-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(zhuǎn)化，左旋角度達到最大。    當t=0時，蔗糖尚未開始轉(zhuǎn)化，溶液的旋光度為： 0 = 反應物c0      

6、                . 1    當蔗糖已完全轉(zhuǎn)化時，體系的旋光度為：  = 生成物c0                     . 2   此處，

7、 為旋光度與反應物濃度關(guān)系中的比例系數(shù)。    時間 t 時，蔗糖濃度為 c，旋光度應為： t = 反應物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 - ) 根據(jù)實驗測得的反應過程中的旋光度值計算 ln (t - )，再對時間作圖，可得一條直線，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(zhì)子轉(zhuǎn)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(guān)。在酸催化時，酸失去質(zhì)子的趨勢可用它的解離常數(shù)K來衡量： HA + H2O = H3O+ + A-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(guān)系： ka

9、=GaKa或 lg ka = lgGa +lgKa式中Ga ，均為常數(shù)，它決定于反應的種類和反應條件。對于堿催化的反應，堿的催化作用速率常數(shù)kb同樣與它的解離常數(shù)Kb有如下的關(guān)系：kb =GbKb式中Gb ，均為常數(shù)，它決定于反應的種類和反應條件。3、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(guān)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(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

10、位時間內(nèi)轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(guān)?！緝x器藥品】（1）儀器：旋光儀，停表， 錐形瓶（100 ml），移液管（20 ml）（2）蔗糖（分析純）；HCl 溶液（6M）；HCl 溶液（3M）；磷酸（4 M）；硫酸（4M）；【實驗步驟】1 測定不同濃度鹽酸(6M和4M) 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(guān)拔至交流(AC),鈉燈亮,經(jīng) 20 分鐘預熱后

11、使 之發(fā)光穩(wěn)。按測量開關(guān),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）6MHCl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100mL帶塞三角瓶中，然后再移取30mL6mol/LHCl溶液于另100mL帶賽三角瓶中。將HCl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HCl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，30min后

12、，每5min讀一次。（4）a的測定：將步驟（3）剩余的混合溶液置于近60的水浴中，恒溫30min以加速反應，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。（5）3MHCl催化蔗糖水解過程中at的測定：將步驟（3）的6MHCl換成3MHCl，重復步驟（3）、（4）。2測定不同種類酸對催化速率常數(shù)的影響，包括磷酸（4 M）、硫酸（4M）、 驗證布朗斯特德定律: lg ka = lgGa +lgKa 。（6）不同種類酸催化蔗糖水解過程的測定：將6MHCl分別換成4 M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?！緮?shù)據(jù)記錄與處理】實驗原始數(shù)據(jù)記錄見附

13、錄。室溫：25.5 大氣壓：1017.2hpa1、6mol/L HCl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=-3.680（2） 6mol/L HCl催化蔗糖水解數(shù)據(jù)記錄：時間/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）對t作圖如圖1： 圖1 6mol/L HCl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）= -0.1466t + 1.0727 R2=0.9973可見直線的斜率為-0.1466，則反應的速率常數(shù)為0.1466。2、4mol/L HCl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=-0.970 （2）4mol/L HCl催化蔗糖水解數(shù)據(jù)記錄： 時間/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）對t作圖如圖2： 圖2 4mol/L HCl催化蔗糖水解 由圖2得ln(at

16、-a）對t所做圖的直線為ln(at-a）= -0.0715t + 1.3615R2 = 0.9921可見直線的斜率為-0.0715，則反應的速率常數(shù)為0.0715。3、4mol/L H2SO4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=-1.020 （2）4mol/L H2SO4催化蔗糖水解數(shù)據(jù)記錄：時間/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催化蔗糖水解數(shù)據(jù)記錄 （3）以ln(at-a）對t作圖如圖3： 圖3 4mol/L H2SO4催化蔗糖水解 由圖3得ln(at-a）對t所做圖的直線為ln(at-a）=-0.0653t + 1.2597R2=0.9948可見直線的斜率為-0.0653，則反

18、應的速率常數(shù)為0.0653。 4、4mol/L H3PO4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=-0.349 （2）4mol/L H3PO4催化蔗糖水解數(shù)據(jù)記錄：時間/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）對t作圖如圖4： 圖4 4mol/LH3PO4催化蔗糖水解 由圖4得ln(at-a）對t所做圖的直線為ln(at-a）= -0.0068t + 1.0865 R2=0.9808可見直線的斜率為-0.0068，則反應的速率常數(shù)為0.0068。 5、 布朗斯特德定律的應用：硫酸和磷酸兩組數(shù)據(jù)來計算Ga、a。查閱硫酸和醋酸的解離常數(shù)，其中磷酸只考慮一級電離，所得數(shù)據(jù)如下表： 硫酸、磷酸相關(guān)數(shù)據(jù)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作圖，如下圖5： 圖6 蔗糖在硫酸、磷酸水解過程中，布朗斯特德關(guān)系圖由圖6可知=5.2156lgKa+9.181則lgGa=9.181,a=5.2156。6、 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6： 不同鹽酸濃度的比催化活性反應速率常數(shù)比催化活性6MHCl0.14660.024434MHCl0.07150.01788 7、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

21、下表7： 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6M鹽酸0.14660.024434M鹽酸0.07150.017884M硫酸0.06530.01633【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)生反應的能力，是催化劑的重要性質(zhì)之一，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6得：6M鹽酸的比催化活性為0.02443，4M鹽酸的比催化活性為0.01788,誤差為0.02443-0.01788=0.00655，相對誤差為0.00655÷0.02443=0.268，兩者皆有催化作用，可見催化劑的催化作用取決于其本性，而與用量無關(guān)。加大

22、酸的濃度可以加快反應速率。 2、 不同酸根離子比催化活性比較： 由表7得，6M鹽酸、4M鹽酸、4M硫酸的比催化活性分別為0.02443,0.01788,0.01633。其中4M鹽酸與4M硫酸的比催化活性接近，誤差為0.00155，非常接近。而6M鹽酸的比催化性與其它兩個的相差較大。可見均相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)。3、催化反應的酸強度敏感： 布朗斯特德定律：=lgGa+algKa其a 值為01。根據(jù)表5、圖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則lgGa=9.181， a=5.2156，a大于1，說明表明蔗糖的水解對催化劑極度

23、敏感，只有強酸才能催化反應，這與實驗現(xiàn)象吻合。 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4M硫酸4M磷酸4M醋酸反應速率常數(shù)0.017880.00170.01633 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14，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，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。 【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(zhì)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、測量旋光儀為什么要進行零點校對？答：長時間使用會使得旋光儀的精度和靈敏度變差，故需要對零點進行校正。如果不校正，會使測量值的精確度變差，產(chǎn)生誤差。3、本實驗可否不進行零點校正？為什么？答：實驗中所測的旋光度t可以不校正零點，因為實際上在處理數(shù)據(jù)時t- ， 已將系統(tǒng)的零點誤差消除掉。 4、為什么配制溶液可用上皿天平稱量？ 答：