蔗糖水解物化實驗報告

1、均相酸催化蔗糖水解反應(yīng)指導(dǎo)老師：孫艷輝一、實驗?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蔗糖水解反應(yīng)反應(yīng)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(yīng)反應(yīng)速率常數(shù)的影響，了解催化劑的比活性 概念。二、實驗原理1、蔗糖的水解反應(yīng)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：CizHkOi + H 2O> C6H12Q + C 6H12Q（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

2、76;果糖的比旋光度a=一 91.9 °蔗糖水解反應(yīng)，開始體系是右旋 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)是一個二級反應(yīng)，在純水中此反應(yīng)的速率極慢，通常在H+崔化 作用下進(jìn)行， 由于反應(yīng)時水是大量存在的， 盡管有部分水分子參加了反應(yīng)， 仍可 近似地認(rèn)為整個反應(yīng)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(yīng)可作為一級反應(yīng)。如果以 c 表示到達(dá) t 時刻的反應(yīng)物濃度， k 表示反應(yīng)速率常數(shù)，則一級反 應(yīng)的速率方程為：- d c / d t = kt 對此式積分可得： ln c = - k t + ln c 0式中 c 為反應(yīng)過程中的濃

3、度， c 0為反應(yīng)開始時的濃度。當(dāng) c = c 0 / 2 時， 時間為t 1/2，稱為半衰期。代入上式，得：ti/2 = ln 2 / k = 0.693 / k測定反應(yīng)過程中的反應(yīng)物濃度，以 ln c 對 t 作圖，就可以求出反應(yīng)的速 率常數(shù) k 。但直接測量反應(yīng)物濃度比較困難。 在這個反應(yīng)中， 利用體系在反應(yīng)進(jìn) 程中的旋光度不同，來度量反應(yīng)的進(jìn)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度量：哪=a*100"5蔗糖濃度為c ,旋光度應(yīng)為：a

4、t = B反應(yīng)物C +3生成物(C 0 - C)由1、2式:由2、3 式:0式，可得：In ( a t - a 8) = - kt + In (根據(jù)實驗測得的反應(yīng)過程中的旋光度值計算代入In c = - kt + In cIn ( a ta -)，再對時間作蔗糖的比旋光度a 呂=66.6。，葡萄糖的比旋光度a 呂=52.5。，果糖是 左旋性物質(zhì)，它的比旋光度為a 呂=-91.9。因此，在反應(yīng)過程中，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，蔗糖尚未開始轉(zhuǎn)化，溶液的旋光度為：a 0 = B反應(yīng)物Co 1當(dāng)蔗糖已

5、完全轉(zhuǎn)化時，體系的旋光度為：a 8 = 3生成物C02此處，3為旋光度與反應(yīng)物濃度關(guān)系中的比例系數(shù)。 時間t時，因此催化劑的效率 在酸催化時，酸失去質(zhì)子的趨勢可用它的解離常數(shù)HA + H2O = HaC+ + A -圖，可得一條直線，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, 常與酸催化劑的酸強(qiáng)度有關(guān)。K來衡量：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，實驗表明，兩者有如下的 關(guān)系：= GaKi或lg ka = IgG a + a IgKa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。對于堿催化的反應(yīng)，堿的催化

6、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 , B均為常數(shù)，它決定于反應(yīng)的種類和反應(yīng)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(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） 催化劑在單位時間內(nèi)轉(zhuǎn)化原 料反應(yīng)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

7、催化反應(yīng)， 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)。三、儀器藥品旋光儀 1臺 ;停表 1 塊錐形瓶（ 100 mI ） 2 個;移液管（ 20 mI ） 2 支蔗糖（分析純）；HCI溶液（2M ； HCI溶液（4M ；磷酸（4 M ；硫酸（2M ；四、實驗操作步驟1. 測定不同濃度鹽酸（2M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(jìn)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(yù)熱后使 之發(fā)光穩(wěn)。按測量開關(guān) , 儀器進(jìn)入待測狀態(tài)。

8、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）2MHC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/LHCI溶液于另100mL帶賽三角瓶中。 將HCI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HCI 時同時啟動秒表以記錄反應(yīng)時間 , 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，

9、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°C的水浴中，恒溫30min 以加速反應(yīng)，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(rèn)為是a®。（5） 3MHC催化蔗糖水解過程中at的測定：將步驟（3）的2MHC換成4MHCJ 重復(fù)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HAC（4 M）、磷酸（4 M）、硫酸（4M、 驗證布朗斯特德定律：lg k a = IgG a + a lgKa 0（6）不同種類酸催化蔗糖水解過程的測定：將 2MHCI分別換成4 M磷酸、2M硫 酸按照步驟（3）測定水解過程中a

10、t，然后再按照步驟（4）測定a®。五、數(shù)據(jù)記錄與處理1、2mol/L HCI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 ® = -1.302（2）2mol/L HCl催化蔗糖水解數(shù)據(jù)記錄：表一 溫度：室溫鹽酸濃度：2mol/L反應(yīng)時間/mina ta t - a ®ln( a t- a ®)32.8384.1401.42069662.7114.0131.38953992.5003.8021.335527122.2753.5771.274524152.0563.3581.211346181.8463.1481.146767211.6312.

11、9331.076026241.4202.7221.001367271.1942.4960.914689301.0362.3380.849296330.8212.1230.75283360.6041.9060.645007390.4531.7550.562469420.3001.6020.471253450.1491.4510.37225348-0.0091.2930.25696551-0.1051.1970.17981854-0.2491.0530.05164357-0.3490.953-0.0481460-0.4010.901-0.1042563-0.4980.804-0.2181666-0

12、.5980.704-0.3509869-0.6490.653-0.4261871-0.6960.606-0.50088(3)以 ln( a t - a c)對t作圖如圖1:2M, HCI10(-=ts,Bc_trnin圖1 2mol/L HCI催化蔗糖水解由圖 1 得 ln( a t- as)t 所做圖的直線為 ln( a t- a®R2=0.991，可見直線的斜率為-0.02931，則反應(yīng)的速率常數(shù)為 0.02931，半衰期11/2 =0.693/k=23.6438。2、4moI/L HCI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 a = -1.345(2) 4m

13、ol/L HCl催化蔗糖水解數(shù)據(jù)記錄：表二 溫度：室溫 鹽酸濃度：4mol/L反應(yīng)時間/mina ta t- a cln( a t- aoo)32.4893.8341.34390961.9093.2541.17988591.4632.8081.032472121.0622.4070.878381150.6952.040.71295180.4141.7590.564745210.1361.4810.39271824-0.0831.2620.23269827-0.291.0550.05354130-0.4920.853-0.15933-0.6380.707-0.3467236-0.7410.604

14、-0.5041839-0.8460.499-0.6951542-0.9440.401-0.9137945-0.9930.352-1.0441248-1.0430.302-1.1973351-1.0910.254-1.37042(3)以 ln( a t - aoc)對t作圖如圖2:1T-匕匸)匚_圖2 4mol/L HCI催化蔗糖水解由圖 2 得 ln( a t- a®)對 t 所做圖的直線為ln( a t- a®R2=0.999，可見直線的斜率為-0.05759，則反應(yīng)的速率常數(shù)為 0.05759，半衰期 ti/2 =0.693/k=12.0333。3、2moI/L H 2

15、SQ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 ® = -1.003(2) 2mol/L H 2SQ催化蔗糖水解數(shù)據(jù)記錄:表三 溫度：室溫硫酸濃度：2mol/L反應(yīng)時間/mina ta t- a ®ln( a t- a00)33.0264.0291.39351862.7963.7991.33473892.4983.5011.253049122.2863.2891.190584152.063.0631.119395181.7912.7941.027474211.5722.5750.94585241.4122.4150.881699271.2152.2180.

16、796606301.0032.0060.696143330.8661.8690.625404360.6581.6610.50742390.5031.5060.409457420.41.4030.338613450.2371.240.215111480.1341.1370.12839351-0.0180.985-0.0151154-0.1180.885-0.1221757-0.2160.787-0.2395360-0.2660.737-0.3051763-0.3790.624-0.471666-0.4310.572-0.5586269-0.4830.52-0.6539371-0.5330.47-

17、0.7550274-0.5810.422-0.8627577-0.6290.374-0.9835(3) ln( a t- a®)對t作圖如圖3:SMS三010 2Q 304090 豹 70 陽t'min圖 3 2mol/L H2SQ催化蔗糖水解由圖3得ln(a t-a對tR=0.993可見直線的斜率為所做圖的直線為ln( a t- a® )=1.61793-0.03254t -0.03254，則反應(yīng)的速率常數(shù) 0.03254，半衰期 ti/2=0.693/k=21.2969。4、4mol/L H 3PQ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 &

18、#174;=-1.0365(2) 4mol/L H aPCQ催化蔗糖水解數(shù)據(jù)記錄：表四 溫度：室溫磷酸濃度：4mol/L反應(yīng)時間/mina ta t- a00ln( a t- aco)33.1814.21751.43924363.1394.17551.42923493.0864.12251.41646122.9854.02151.391655152.8823.91851.365709182.7683.80451.336185212.6643.70051.308468242.5663.60251.281628272.4663.50251.253477302.3673.40351.22480433

19、2.2113.24751.177885362.113.14651.146291392.0073.04351.113008421.9072.94351.079599451.8062.84251.044684481.7022.73851.00741511.5512.58750.950692541.4522.48850.91168571.3532.38950.871084601.2542.29050.82877631.1512.18750.782759661.0512.08750.7359676912.03650.711233710.91.93650.660882740.8011.83750.608

20、406770.7541.79050.582495800.6541.69050.525024830.6051.64150.49561860.5031.53950.431458890.4551.49150.399782(3) ln( a t- as)對t作圖如圖4:1.64M, H3PO4Bt3,e)u-圖4 4mol/L H 3PQ催化蔗糖水解由圖 4得In (a t-a曲 對t所做圖的直線為ln( a t- a® R2=0.988，可見直線的斜率為-0.0126，則反應(yīng)的速率常數(shù)為0.0126，半衰期 t 2=0.693/k=55。5. 不同濃度鹽酸下的比催化活性：對于液相催化反應(yīng)，

21、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)。表五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2mol/L HCl0.029310.0146554mol/L HCl0.057590.0143975反應(yīng)的速率常數(shù)是和H+的濃度呈線性相關(guān)。根據(jù)lgk=Igk'-pH 這一公式，k'其 實和比催化活性是相同的，該公式應(yīng)該對同一種酸的不同濃度使用， 或者對特殊 酸催化體系(只與H+有關(guān)，與其他離子存在無關(guān))適用。表六Lgk和pH的數(shù)值pHlgk2mol/L HCl-0.30103-1.532984mol/L HCl-0

22、.60206-1.23965圖5 以lgk對pH作圖由圖5所得的不同濃度鹽酸的比催化活性得：6. 布朗斯特德定律的應(yīng)用：根據(jù)布朗斯特德定律：lgk =lgGa+algKa，由硫酸和磷酸的速率常數(shù)和解離平 衡常數(shù)，計算出G、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。H2SQ的一級解離常數(shù)：1.0 x 1033H 3PO的一級解離常數(shù)：7.52 X 10所得數(shù)據(jù)如下表：表七硫酸、磷酸相關(guān)數(shù)據(jù)KalgKaklgk硫酸100030.03254-1.48758磷酸0.00752-2.123780.0126-1.89963按照公式lgk =lgGa+algKa作圖，如下圖6：圖6蔗糖在硫酸、磷

23、酸水解過程中，布朗斯特德關(guān)系圖由圖 6 可知 lgk =-1.72884+0.08042lgK a,貝U G=-1.72884 , a =0.08042。7、不同酸根離子的比催化活性： 計算硫酸的比催化活性與鹽酸比較，如下表：表八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2mol/L HCl0.029310.0146554mol/L HCI0.057590.01439752mol/L H 2SQ0.032540.0162708、不同強(qiáng)度酸的蔗糖水解速率常數(shù):表九不同強(qiáng)度酸的蔗糖水解速率常數(shù)酸4moI/L HCI2moI/L H 2SQ4moI/L H 3PQk0.057590.0325

24、40.0126六、結(jié)果與討論1、蔗糖水解反應(yīng)：觀察圖1-4，可見以In (a t-a小 對t作圖，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(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反應(yīng)，因此曲線開始是稍稍彎曲的線， 這 會對實驗結(jié)果引起一定的誤差，但曲線的線性還是不錯的。2、不同濃度鹽酸下的比催化活性：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表 示比催化劑活性。從表五可以得到2mol/L HCI、4mol/L HCI比催化活性分別是0.0146

25、55和 0.0143975，可看出不同濃度鹽酸的比催化活性基本上是相同的。因此，通過比 較可以得知催化劑的催化作用取決于其本性，而與用量無關(guān)。但是，酸的濃度會影響蔗糖水解的反應(yīng)速率常數(shù)。 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，因為酸的濃度過大，蔗糖水解反應(yīng)就不 是一級反應(yīng)了。3、布朗斯特德定律-氫離子催化蔗糖水解反應(yīng)對酸的強(qiáng)度敏感性分析：根據(jù)布朗斯特德定律：Igk =lgG a+algKa，其中a值為01。a越小，表明 反應(yīng)對催化劑的酸強(qiáng)度不敏感，此時任何一種酸都是優(yōu)良的催化劑， 反應(yīng)與催化 劑酸強(qiáng)度無關(guān)。a接近1,表明反應(yīng)對催化劑酸強(qiáng)度很敏感，只有強(qiáng)酸才能催化 該反應(yīng)。

26、本次實驗中看圖6,可知G=-1.72884 , a =0.08042。 a比較小，說明蔗糖 反應(yīng)對催化劑氫離子的酸度不敏感，因此，因此對于蔗糖反應(yīng)來說，任何一種酸都算是優(yōu)良的催化劑，反應(yīng)與催化劑酸強(qiáng)度無關(guān)，弱酸也能催化蔗糖水解反應(yīng)。4、不同酸根離子的比催化活性：根據(jù)表八，比較硫酸與鹽酸的比催化活性，4mol/L HCI、2mol/L H 2SQ的比催化活性分別為0.0143975和0.016270，這說明了在不同的酸根離子存在下， 它們得比催化活性基本相同(在誤差允許的范圍內(nèi))?？梢娋嗨岽呋崽侵兴?根離子不影響催化作用，只與氫離子的濃度有關(guān)。即蔗糖水解反應(yīng)速率只取決于 H：與溶液中其它離子

27、的濃度無關(guān)。5、不同強(qiáng)度酸的蔗糖水解速率常數(shù)：從表九看出，不同強(qiáng)度的酸因H的濃度不同，對蔗糖水解速率影響也不一樣 酸性愈強(qiáng),解離H愈多,催化能力也愈強(qiáng)，所以對蔗糖水解起催化作用的是 H+。討論：分析產(chǎn)生誤差的原因有哪些？(1) 溫度的影響。在實驗過程中，溫度會影響反應(yīng)的速率常數(shù)，由于鈉光燈的散熱，放在旋光暗室 中的蔗糖水解溶液的溫度并不恒定，經(jīng)過一定時間后，反應(yīng)液溫度開始上升， 蔗糖轉(zhuǎn)化反應(yīng)速率加快，使得測得的速率常數(shù)會有誤差，這可能是產(chǎn)生實驗誤差 的主要原因。(2) 本實驗是以In (a t-a 對t作圖，從擬合直線的斜率即可求出蔗糖水解反 應(yīng)的反應(yīng)速率常數(shù)k值，擬合曲線引入誤差，但是擬合曲

28、線的相關(guān)系數(shù)均在0.98 以上，可忽略不計。(3) 以ln(a t-aQ對t作圖的曲線剛開始是稍稍彎曲的，這是因為蔗糖濃度比 較高，水的濃度無法遠(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 成是一級反應(yīng)，這對速率常數(shù)的測定產(chǎn)生誤差。(4) 實驗儀器的影響。本小組所使用的旋光儀不穩(wěn)定，數(shù)值總是在跳動。數(shù)據(jù) 不準(zhǔn)確也會造成誤差。七、注意事項1、本實驗均在室溫條件下操作。2、因反應(yīng)液為酸性，測量旋光度之前，切記將旋光管外側(cè)的液體擦拭干凈，以 免腐蝕儀器。3、 在測定a®時，通過加熱使反應(yīng)速度加快轉(zhuǎn)化完全，但加熱溫度不要超過60 攝氏度。4、將酸倒入蔗糖溶液后，要進(jìn)行充分的振蕩；并且在加入酸之后就進(jìn)行計時；混合液要裝滿旋光管。5、實驗過程中的鈉光燈不應(yīng)開啟時間太長，否則應(yīng)熄滅，以延長鈉光燈壽命， 但下一次測量之前提前 10min 打開鈉光燈，使光源穩(wěn)定。八、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(xué)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