均相酸催化蔗糖的水解反應(yīng)實驗報告

均相酸催化蔗糖水解反應(yīng)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(zhì)的光學性質(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：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(yīng)，開始體系是右旋的角度大，隨反應(yīng)進行,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+催化作用下進行，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/d=kt

ct對此式積分可得：

lnc=-k+lnct0式中c為反應(yīng)過程中的濃度，c為反應(yīng)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(yīng)過程中的反應(yīng)物濃度，以lnc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)進程中的旋光度不同，來度量反應(yīng)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)，固定其它條件，可認為旋光度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：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)過程中，溶液的旋光度先是右旋的，隨著反應(yīng)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：a=Bc0 反應(yīng)物0當蔗糖已完全轉(zhuǎn)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(yīng)物濃度關(guān)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(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)實驗測得的反應(yīng)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(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+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，實驗表明，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)的催化活性是針對給定的化學反應(yīng)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(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（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(guān)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(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)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(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(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(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(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(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(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(yīng)的速率常數(shù)為-0.9046。通過實驗求得的醋酸的反應(yīng)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(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(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(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，因為酸的濃度過大可能使得逆反應(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(guān)，故硫酸也使用公式：lgk=lgk'-pH。3、催化反應(yīng)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(yīng)，這與實驗所得結(jié)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(yīng)，實驗所得的各種酸的反應(yīng)速率常數(shù)如下表9：表9不同強度酸的催化反應(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實驗得出酸強度最強的硫酸反應(yīng)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(yīng)：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(yīng)，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(yīng)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(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。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(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、本實驗可否不進行零點校正？為什么？答：實驗