蔗糖水解报告

课程名称：应用物化实验

实验项目：均相酸催化蔗糖水解反应

【实验目的】

1.根据物质的光学性质研究蔗糖水解反应，测量其反应速率常数。

2.了解旋光仪的基本原理，掌握使用方法。

3.研究不同种类酸催化对蔗糖水解反应反应速率常数的影响，验证Br nsted 定律。

4. 研究不同浓度酸对蔗糖水解反应反应速率常数的影响，了解催化剂的比活性概念。

【实验原理】

1、蔗糖的水解反应和利用旋光法测水解速率常数的原理

参见华南师范大学实验中心编写《基础物理化学实验》p108实验14：旋光法测定蔗糖转化反应的速率常数。

蔗糖在水中转化为葡萄糖和果糖：

H+

C12H22O11 + H2O —→ C6H12O6 + C6H12O6

（蔗糖）（葡萄糖）（果糖）

其中，蔗糖和葡萄糖是右旋的，果糖是左旋的，但果糖的比旋光度比葡萄糖大，反应过程中，溶液的旋光度将由右旋逐渐变为左旋。

蔗糖水解反应是一个二级反应，但由于水是大量存在的，在反应过程中可以认为浓度不变，在反应过程中的氢离子是一种催化剂，也可以认为浓度不变，由此，蔗糖水解反应可作为准一级反应来处理，称为“准一级反应”。

如果以 c 表示到达 t 时刻的反应物浓度，k 表示反应速率常数，则一级反应的速率方程为：

- dc / dt = kt

对此式积分可得：

ln c = - kt + ln c 0

式中 c 为反应过程中的浓度，c 0为反应开始时的浓度。当 c = c 0 / 2 时，时

间为 t 1/2，称为半衰期。代入上式，得：

t 1/2 = ln 2 / k = 0.693 / k

测定反应过程中的反应物浓度，以 ln c 对 t 作图，就可以求出反应的速率常数k。在这个反应中，利用体系在反应进程中的旋光度不同，来度量反应的进程。

用旋光仪测出的旋光度值，与溶液中旋光物质的旋光能力、溶剂的性质、溶液的浓度、温度等因素有关，固定其它条件，可认为旋光度α与反应物浓度c成线性关系。物质的旋光能力用比旋光度来度量：

蔗糖的比旋光度[α]D20=66.6°，葡萄糖的比旋光度[α]D20=52.5°，果糖是左旋性物质，它的比旋光度为[α]D20=-91.9°。因此，在反应过程中，溶液的旋光度先是右旋的，随着反应的进行右旋角度不断减小，过零后再变成左旋，直至蔗糖完全转化，左旋角度达到最大。

当t=0时，蔗糖尚未开始转化，溶液的旋光度为：

α0 = β反应物c 0 (1)

当蔗糖已完全转化时，体系的旋光度为：

α∞ = β生成物c 0 (2)

此处，β为旋光度与反应物浓度关系中的比例系数。

时间 t 时，蔗糖浓度为 c，旋光度应为：

αt = β反应物c + β生成物(c 0 - c) (3)

由1、2式：

由2、3式：

代入 ln c = - kt + ln c 0式，可得：

ln (αt -α∞) = - kt + ln ( α0-α∞)

根据实验测得的反应过程中的旋光度值计算 ln (αt -α∞)，再对时间作图，可得

一条直线，根据直线斜率可求得反应速率常数k 。 2、均相酸催化Br φnsted 定律

参见傅献彩主编《物理化学》下册 P287-289。 催化活性与催化剂的酸、碱强度有关,存在如下关系式:

A = G A K A

α

k B = G B K B

β

β

= G A (1 / K A )

若以水为溶剂, 则

B = G B ββ=K W K A

G β( 1 / K A )'G β'(= G B K W β)

其中，G A ,G B 、α和β与溶剂，温度和催化反应的种类有关，α和β值在0与1之间．上述关系首先为Br φnsted 等在研究硝酰胺的分解时所建立，故一般被称为Br φnsted 定律．

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。

【仪器与药品】

旋光仪 1 台; 停表 1 块 容量瓶（250 ml ） 2 个; 天平（0.001g ） 1 台 锥形瓶（100 ml ） 2 个; 移液管（25 ml ） 2 支

蔗糖（分析纯）；HCl 溶液（6M ）；HAC （4 M ）；磷酸（4 M ）；硫酸（4M ）；甲酸（4M ）

a a a

lg lg lg k G K α=+

【实验步骤】

1．测定不同浓度盐酸(6M 和3M) 催化蔗糖水解的速率常数，计算盐酸的比催化活性。 2．测定不同种类酸对催化速率常数的影响，包括HAC （4 M ）、磷酸（4 M ）、硫酸（4M ）、

甲酸（4M ）， 验证Br φnsted 定律:

。 具体步骤如下：

①校正旋光度仪零点。

打开旋光度仪器预热几分钟，旋光管内注满蒸馏水，旋紧套盖，用纸擦净两端玻璃片，放入旋光仪内，盖上槽盖。调节目镜使视野清晰。然后旋转检偏镜能观察到明暗相等的三分视野为止，记下刻度盘读数，重复操作三次，取其平均值，此即为旋光仪零点。测毕取出旋光管，倒出蒸馏水。

②蔗糖水解过程中t α的测定

用量筒量取30mL 蔗糖溶液和30mL6 mol/L HCI 溶液分别注人两个100mL 干燥的带塞三角瓶中，并将此同时置于室温中恒温5~10分钟。待恒温后将HCI 溶液迅速加到蔗糖溶液的锥形瓶中混合，来回倒三次使之充分混合，并在HCI 溶液加入时开动计时作为反应的开始时刻，迅速取适量混合液清洗旋光管2~3次，然后将此混合液注满旋光管，盖好玻璃片旋紧套盖（检查是否漏气和是否有气泡），擦净旋光管两端玻璃片，立刻置于旋光仪中盖上槽盖。测量各时间t 时溶液的旋光度t α，测定时要迅速准确。每隔3min 读一次，30min 后每5min 读一次。

③α∞的测定

将剩余的混合液置于60℃左右的水浴中温热30min ，以加速水解反应，然后冷却至实验温度。按上述操作，测其旋光度，此值即可认为是α∞。

④重复上述操作，测定3M 盐酸、醋酸（4 M ）、磷酸（4 M ）、硫酸（4M ）中蔗糖水解过程中t α和α∞。

【数据处理】

a a a lg lg lg k G K α=+