蔗糖水解物化实验报告材料Word文档格式.docx

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或lgka=lgGa+αlgKa

式中Ga，α均为常数，它决定于反应的种类和反应条件。

对于碱催化的反应，碱的催化作用速率常数kb同样与它的解离常数Kb有如下的关系：

kb=GbKbβ

式中Gb，β均为常数，它决定于反应的种类和反应条件。

3、催化剂的比活性

催化活性是指催化剂催化物质发生反应的能力，是催化剂的重要性质之一。

物质的催化活性是针对给定的化学反应而言的。

通常，催化剂并不按照化学方程式计量关系进行作用，其用量可以是任意的。

在相同条件下，反应速率与催化剂用量成正比，在均相催化中可以用生成中间化合物来解释。

为了描述不同物质催化活性的差异，工业生产上常以每单位容积（或质量）催化剂在单位时间内转化原料反应物的数量来表示，如每立方米催化剂在每小时内能使原料转化的千克数。

对于液相催化反应，通常用速率常数与催化剂浓度之比来表示比催化剂活性。

比催化活性表明，催化剂的催化作用取决于其本性，而与用量无关。

三、仪器药品

旋光仪1台;

停表1块

锥形瓶（100ml）2个;

移液管（20ml）2支

蔗糖（分析纯）；

HCl溶液（2M）；

HCl溶液（4M）；

磷酸（4M）；

硫酸（2M）；

四、实验操作步骤

1．测定不同浓度盐酸（2M和4M）催化蔗糖水解的速率常数，计算盐酸的比催化活性。

（1）在室温下进行实验。

（2）旋光仪零点校正：

开启旋光仪,将光源开关拔至交流（AC）,钠灯亮,经20分钟预热后使之发光稳。

按测量开关,仪器进入待测状态。

将装有蒸馏水的旋光管放入样品测量室,盖好箱盖,待显示读数稳定后,按清零钮完成校零。

（3）2MHCl催化蔗糖水解过程中at的测定：

用移液管取30mL蔗糖溶液置于100mL带塞三角瓶中，然后再移取30mL6mol/LHCl溶液于另100mL带赛三角瓶中。

将HCl溶液迅速倒入蔗糖溶液中，来回倒三次，使之充分混合。

并在加HCl时同时启动秒表以记录反应时间,立即用少量反应液荡洗旋光管两次,然后将反应液装满旋光管,旋上端盖,外部用滤纸擦干后放进旋光仪内,盖好箱盖,先记下时间，再读取旋光度值。

每隔一定时间，读取一次旋光度，开始时，可每3分钟读一次，30min后，每5min读一次。

（4）a∞的测定：

将步骤（3）剩余的混合溶液置于近60℃的水浴中，恒温30min以加速反应，然后冷却至实验温度，按上述操作，测定其旋光度，此值即可认为是a∞。

（5）3MHCl催化蔗糖水解过程中at的测定：

将步骤（3）的2MHCl换成4MHCl，重复步骤（3）、（4）。

2．测定不同种类酸对催化速率常数的影响，包括HAC（4M）、磷酸（4M）、硫酸（4M）、验证布朗斯特德定律:

lgka=lgGa+αlgKa。

（6）不同种类酸催化蔗糖水解过程的测定：

将2MHCl分别换成4M磷酸、2M硫酸按照步骤（3）测定水解过程中at，然后再按照步骤（4）测定a∞。

五、数据记录与处理

1、2mol/LHCl催化蔗糖水解数据记录与处理：

（1）蔗糖溶液完全水解旋光度a∞=-1.302

（2）2mol/LHCl催化蔗糖水解数据记录：

表一温度：

室温盐酸浓度：

2mol/L

反应时间/min

αt

αt-α∞

ln（αt-α∞）

3

2.838

4.140

1.420696

6

2.711

4.013

1.389539

9

2.500

3.802

1.335527

12

2.275

3.577

1.274524

15

2.056

3.358

1.211346

18

1.846

3.148

1.146767

21

1.631

2.933

1.076026

24

1.420

2.722

1.001367

27

1.194

2.496

0.914689

30

1.036

2.338

0.849296

33

0.821

2.123

0.75283

36

0.604

1.906

0.645007

39

0.453

1.755

0.562469

42

0.300

1.602

0.471253

45

0.149

1.451

0.372253

48

-0.009

1.293

0.256965

51

-0.105

1.197

0.179818

54

-0.249

1.053

0.051643

57

-0.349

0.953

-0.04814

60

-0.401

0.901

-0.10425

63

-0.498

0.804

-0.21816

66

-0.598

0.704

-0.35098

69

-0.649

0.653

-0.42618

71

-0.696

0.606

-0.50088

（3）以ln（αt-α∞）对t作图如图1：

图12mol/LHCl催化蔗糖水解

由图1得ln（αt-α∞）t所做图的直线为ln（αt-α∞）=1.65044-0.02931tR2=0.991，可见直线的斜率为-0.02931，则反应的速率常数为0.02931，半衰期t1/2=0.693/k=23.6438。

2、4mol/LHCl催化蔗糖水解数据记录与处理：

（1）蔗糖溶液完全水解旋光度a∞=-1.345

（2）4mol/LHCl催化蔗糖水解数据记录：

表二温度：

4mol/L

2.489

3.834

1.343909

1.909

3.254

1.179885

1.463

2.808

1.032472

1.062

2.407

0.878381

0.695

2.04

0.71295

0.414

1.759

0.564745

0.136

1.481

0.392718

-0.083

1.262

0.232698

-0.29

1.055

0.053541

-0.492

0.853

-0.159

-0.638

0.707

-0.34672

-0.741

-0.50418

-0.846

0.499

-0.69515

-0.944

0.401

-0.91379

-0.993

0.352

-1.04412

-1.043

0.302

-1.19733

-1.091

0.254

-1.37042

（3）以ln（αt-α∞）对t作图如图2：

图24mol/LHCl催化蔗糖水解

由图2得ln（αt-α∞）对t所做图的直线为ln（αt-α∞）=1.56427-0.05759tR2=0.999，可见直线的斜率为-0.05759，则反应的速率常数为0.05759，半衰期t1/2=0.693/k=12.0333。

3、2mol/LH2SO4催化蔗糖水解数据记录与处理：

（1）蔗糖溶液完全水解旋光度a∞=-1.003

（2）2mol/LH2SO4催化蔗糖水解数据记录：

表三温度：

室温硫酸浓度：

3.026

4.029

1.393518

2.796

3.799

1.334738

2.498

3.501

1.253049

2.286

3.289

1.190584

2.06

3.063

1.119395

1.791

2.794

1.027474

1.572

2.575

0.94585

1.412

2.415

0.881699

1.215

2.218

0.796606

1.003

2.006

0.696143

0.866

1.869

0.625404

0.658

1.661

0.50742

0.503

1.506

0.409457

0.4

1.403

0.338613

0.237

1.24

0.215111

0.134

1.137

0.128393

-0.018

0.985

-0.01511

-0.118

0.885

-0.12217

-0.216

0.787

-0.23953

-0.266

0.737

-0.30517

-0.379

0.624

-0.4716

-0.431

0.572

-0.55862

-0.483

0.52

-0.65393

-0.533

0.47

-0.75502

74

-0.581

0.422

-0.86275

77

-0.629

0.374

-0.9835

（3）ln（αt-α∞）对t作图如图3：

图32mol/LH2SO4催化蔗糖水解

由图3得ln（at-a∞）对t所做图的直线为ln（αt-α∞）=1.61793-0.03254tR2=0.993可见直线的斜率为-0.03254，则反应的速率常数0.03254，半衰期t1/2=0.693/k=21.2969。

4、4mol/LH3PO4催化蔗糖水解数据记录与处理：

（1）蔗糖溶液完全水解旋光度a∞=-1.0365

（2）4mol/LH3PO4催化蔗糖水解数据记录：

表四温度：

室温磷酸浓度：

3.181

4.2175

1.439243

3.139

4.1755

1.429234

3.086

4.1225

1.41646

2.985

4.0215

1.391655

2.882

3.9185

1.365709

2.768

3.8045

1.336185

2.664

3.7005

1.308468

2.566

3.6025

1.281628

2.466

3.5025

1.253477

2.367

3.4035

1.224804

2.211

3.2475

1.177885

2.11

3.1465

1.146291

2.007

3.0435

1.113008

1.907

2.9435

1.079599

1.806

2.8425

1.044684

1.702

2.7385

1.00741

1.551

2.5875

0.950692

1.452

2.4885

0.91168

1.353

2.3895

0.871084

1.254

2.2905

0.82877

1.151

2.1875

0.782759

1.051

2.0875

0.735967

1

2.0365

0.711233

0.9

1.9365

0.660882

0.801

1.8375

0.608406

0.754

1.7905

0.582495

80

0.654

1.6905

0.525024

83

0.605

1.6415

0.49561

86

1.5395

0.431458

89

0.455

1.4915

0.399782

（3）ln（αt-α∞）对t作图如图4：

图44mol/LH3PO4催化蔗糖水解

由图4得ln（at-a∞）对t所做图的直线为ln（αt-α∞）=1.56649-0.0126tR2=0.988，可见直线的斜率为-0.0126，则反应的速率常数为0.0126，半衰期t1/2=0.693/k=55。

5.不同浓度盐酸下的比催化活性：

表五不同盐酸浓度的比催化活性

反应速率常数

比催化活性

2mol/LHCl

0.02931

0.014655

4mol/LHCl

0.05759

0.0143975

反应的速率常数是和[H+]的浓度呈线性相关。

根据lgk=lgk'

-pH这一公式，k'

其实和比催化活性是相同的，该公式应该对同一种酸的不同浓度使用，或者对特殊酸催化体系（只与H+有关，与其他离子存在无关）适用。

表六Lgk和pH的数值

pH

lgk

-0.30103

-1.53298

-0.60206

-1.23965

图5以lgk对pH作图

由图5所得的不同浓度盐酸的比催化活性得：

lgk=-1.82631-0.97442pH。

6.布朗斯特德定律的应用：

根据布朗斯特德定律：

lgk=lgGa+algKa，由硫酸和磷酸的速率常数和解离平衡常数，计算出Ga、a。

查阅硫酸和醋酸的解离常数，其中磷酸只考虑一级电离。

H2SO4的一级解离常数：

1.0×

103

H3PO4的一级解离常数：

7.52×

10-3

所得数据如下表：

表七硫酸、磷酸相关数据

Ka

lgKa

k

硫酸

1000

0.03254

-1.48758

磷酸

0.00752

-2.12378

0.0126

-1.89963

按照公式lgk=lgGa+algKa作图，如下图6：

图6蔗糖在硫酸、磷酸水解过程中，布朗斯特德关系图

由图6可知lgk=-1.72884+0.08042lgKa，则Ga=--1.72884，α=0.08042。

7、不同酸根离子的比催化活性：

计算硫酸的比催化活性与盐酸比较，如下表：

表八不同酸根离子比催化活性的比较

反应速率常数 

2mol/LH2SO4

0.016270

8、不同强度酸的蔗糖水解速率常数：

表九不同强度酸的蔗糖水解速率常数

酸

4mol/LH3PO4

六、结果与讨论

1、蔗糖水解反应：

观察图1-4，可见以ln（at-a∞）对t作图，并不是完全的直线，而是有稍稍的弯曲，这是因为蔗糖浓度比较高，水的浓度无法远远大于蔗糖的浓度，不属于稀溶液的范畴，因此不可以看成是一级反应，因此曲线开始是稍稍弯曲的线，这会对实验结果引起一定的误差，但曲线的线性还是不错的。

2、不同浓度盐酸下的比催化活性：

为了描述液相催化反应催化活性的差异，通常用速率常数与催化剂浓度之比来表示比催化剂活性。

从表五可以得到2mol/LHCl、4mol/LHCl比催化活性分别是0.014655和0.0143975，可看出不同浓度盐酸的比催化活性基本上是相同的。

因此，通过比较可以得知催化剂的催化作用取决于其本性，而与用量无关。

但是，酸的浓度会影响蔗糖水解的反应速率常数。

加大酸的浓度可以加快反应速率，但是并不是酸的浓度越高越好，因为酸的浓度过大，蔗糖水解反应就不是一级反应了。

3、布朗斯特德定律--氢离子催化蔗糖水解反应对酸的强度敏感性分析：

lgk=lgGa+algKa，其中α值为0~1。

α越小，表明反应对催化剂的酸强度不敏感，此时任何一种酸都是优良的催化剂，反应与催化剂酸强度无关。

α接近1，表明反应对催化剂酸强度很敏感，只有强酸才能催化该反应。

本次实验中看图6，可知Ga=--1.72884，α=0.08042。

α比较小，说明蔗糖反应对催化剂氢离子的酸度不敏感，因此，因此对于蔗糖反应来说，任何一种酸都算是优良的催化剂，反应与催化剂酸强度无关，弱酸也能催化蔗糖水解反应。

4、不同酸根离子的比催化活性：

根据表八，比较硫酸与盐酸的比催化活性，4mol/LHCl、2mol/LH2SO4的比催化活性分别为0.0143975和0.016270，这说明了在不同的酸根离子存在下，它们得比催化活性基本相同（在误差允许的范围内）。

可见均相酸催化蔗糖中酸根离子不影响催化作用，只与氢离子的浓度有关。

即蔗糖水解反应速率只取决于H+,与溶液中其它离子的浓度无关。

5、不同强度酸的蔗糖水解速率常数：

从表九看出，不同强度的酸因H+的浓度不同,对蔗糖水解速率影响也不一样,酸性愈强,解离H+愈多,催化能力也愈强,所以对蔗糖水解起催化作用的是H+。

讨论：

分析产生误差的原因有哪些？

（1）温度的影响。

在实验过程中，温度会影响反应的速率常数，由于钠光灯的散热,放在旋光暗室中的蔗糖水解溶液的温度并不恒定,经过一定时间后，反应液温度开始上升，蔗糖转化反应速率加快，使得测得的速率常数会有误差，这可能是产生实验误差的主要原因。

（2）本实验是以 

ln（at-a∞）对t作图，从拟合直线的斜率即可求出蔗糖水解反应的反应速率常数k值，拟合曲线引入误差，但是拟合曲线的相关系数均在0.98以上，可忽略不计。

（3）以ln（at-a∞）对t作图的曲线刚开始是稍稍弯曲的，这是因为蔗糖浓度比较高，水的浓度无法远远大于蔗糖的浓度，不属于稀溶液的范畴，因此不可以看成是一级反应，这对速率常数的测定产生误差。

（4）实验仪器的影响。

本小组所使用的旋光仪不稳定，数值总是在跳动。

数据不准确也会造成误差。

七、注意事项

1、本实验均在室温条件下操作。

2、因反应液为酸性，测量旋光度之前，切记将旋光管外侧的液体擦拭干净，以免腐蚀仪器。

3、在测定a∞时，通过加热使反应速度加快转化完全，但加热温度不要超过60摄氏度。

4、将酸倒入蔗糖溶液后，要进行充分的振荡；

并且在加入酸之后就进行计时；

混合液要装满旋光管。

5、实验过程中的钠光灯不应开启时间太长，否则应熄灭，以延长钠光灯寿命，但下一次测量之前提前10min打开钠光灯，使光源稳定。

八、思考题

1、为什么可以用蒸馏水校正仪器零点？

答：

主要是因为蒸馏水没有旋光性，其旋光度为零，其次是因为它无色透明，方便可得，化学性质较为稳定。

另外实验中的蔗糖溶液是使用蒸馏水来配制，且看成是稀溶液处理，故可用来校正仪器零点。

2、本实验可否不进行零点校正？

为什么？

实验中所测的旋光度αt，可以不校正零点，因为实际上在处理数据时αt-α∞，已将系统的零点误差消除掉。

3、为什么用ln（αt－α∞）对t作图就可得到k？

答：

因为蔗糖转化反应对蔗糖为一级反应，以ln（αt－α∞）对t作图求k，不需要α0的数值。

4、蔗糖反应是真一级还是假一级反应？

蔗糖反应是假一级反应。

蔗糖在水中转化为葡萄糖和果糖，反应的方程式是：

C12H22O11+H2O—→C6H12O6+C6H12O6，可见蔗糖水解反应是一个二级反应，但由于反应时水是大量存在的，所以尽管有部分水分子参加了反应，仍可近似地认为整个反应过程中水的浓度是恒定的，因此，蔗糖转化反应可作为一级