均相酸催化蔗糖水解反应
指导老师：艳辉
一、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，验证布朗斯特德定律。
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。
二、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
蔗糖在水中转化为葡萄糖和果糖：
C
12H
22
O
11
+ H
2
O —→ C
6
H
12
O
6
+ C
6
H
12
O
6
（蔗糖）（葡萄糖）（果糖）
其中， 20℃时，蔗糖的比旋光度〔α〕＝66.6°；葡萄糖比旋光度〔α〕＝52.5°；果糖的比旋光度〔α〕＝－91.9°蔗糖水解反应，开始体系是右旋的角度大，随反应进行，旋光角度减少，变成左旋。
蔗糖水解反应是一个二级反应，在纯水中此反应的速率极慢，通常在H+催化作用下进行，由于反应时水是大量存在的，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，而且H+是催化剂，其浓度也保持不变。因此，蔗糖转化反应可作为一级反应。
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：
- d
c / d
t
= kt
对此式积分可得：
ln c = - k
t + ln c
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
/ 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。但直接测量反应物浓度比较困难。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：
α
0 = β
反应物
c
(1)
当蔗糖已完全转化时，体系的旋光度为：
α
∞ = β
生成物
c
(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：
α
t = β
反应物
c + β
生成物
(c
- c) (3)
由1、2式：
由2、3式：
代入 ln c = - kt + ln c
式，可得：
ln (α
t - α
∞
) = - kt + ln (α
- α
∞
)
根据实验测得的反应过程中的旋光度值计算 ln (α
t - 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。
2、均相酸催化布朗斯特德定律
在酸催化反应中包含了催化剂分子把质子转移给反应物，因此催化剂的效率常与酸催化剂的酸强度有关。在酸催化时，酸失去质子的趋势可用它的解离常数K来衡量：
HA + H
2O = H
3
O+ + A-
酸催化反应速率常数ka应与酸的解离常数Ka成比例，实验表明，两者有如下的关系：
k
a =G
a
K
a
α
或 lg k
a = lgG
a
+αlgK
a
式中G
a
，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k
b
同样与它的解离常数Kb有如下的关系：
k b =G
b
K
b
β
式中G
b
，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（100 ml） 2 个; 移液管（20 ml） 2 支
蔗糖（分析纯）；HCl 溶液（2M）；HCl 溶液（4M）；磷酸（4 M）；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a
t
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,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a
t
的测定：将步骤（3）的2MHCl换成4MHCl，重复步骤（3）、（4）。
