蔗糖水解物化实验报告

2024-10-17

蔗糖水解物化实验报告（共3篇）

蔗糖水解物化实验报告篇1

均相酸催化蔗糖水解反应

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 12 H 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 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。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 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：

α t

= 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

式，可得：

ln(α t

-α ∞)=-kt + ln

(α 0

-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 2 O = 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 aα

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 bβ

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

台;

停表

块锥形瓶（100 ml）

个;

移液管（20 ml）

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 a t 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（4 M）、磷酸（4 M）、硫酸（4M）、验证布朗斯特德定律:

lg k a

= lgG a

+αlgK a。

（6）不同种类酸催化蔗糖水解过程的测定：将 2MHCl 分别换成 4 M 磷酸、2M 硫酸按照步骤（3）测定水解过程中 a t，然后再按照步骤（4）测定 a ∞。

五、

数据记录与处理1、l 2mol/L HCl 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/L HCl 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 α t

α t-α ∞

ln(α t-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(α t-α ∞)对 t 作图如图 1：

图 1

2mol/L HCl 催化蔗糖水解由图 1 得 ln(α t-α ∞)t 所做图的直线为 ln(α t-α ∞)=1.65044-0.02931t

R2 =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t 1/2 =0.693/k=23.6438。2、l 4mol/L HCl 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/L HCl 催化蔗糖水解数据记录：

表二

温度：室温

盐酸浓度：4mol/L 反应时间/min α t

α t-α ∞

ln(α t-α ∞)3 2.489 3.834 1.343909 6 1.909 3.254 1.179885 9 1.463 2.808 1.032472 12 1.062 2.407 0.878381 15 0.695 2.04 0.71295 0.414 1.759 0.564745 21 0.136 1.481 0.392718 24-0.083 1.262 0.232698 27-0.29 1.055 0.053541 30-0.492 0.853-0.159 33-0.638 0.707-0.34672 36-0.741 0.604-0.50418 39-0.846 0.499-0.69515 42-0.944 0.401-0.91379 45-0.993 0.352-1.04412 48-1.043 0.302-1.19733 51-1.091 0.254-1.37042

(3)以 ln(α t-α ∞)对 t 作图如图 2：

图 2 4mol/L HCl 催化蔗糖水解由图 2 得 ln(α t-α ∞)对 t 所做图的直线为 ln(α t-α ∞)=1.56427-0.05759t

R2 =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t 1/2 =0.693/k=12.0333。3、2mol/L H 2 2 SO 4 4 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/L

H 2 SO 4 催化蔗糖水解数据记录：

表三

温度：室温

硫酸浓度：2mol/L 反应时间/min α t

α t-α ∞

ln(α t-α ∞)3 3.026 4.029 1.393518 6 2.796 3.799 1.334738 9 2.498 3.501 1.253049 12 2.286 3.289 1.190584 15 2.06 3.063 1.119395 18 1.791 2.794 1.027474 21 1.572 2.575 0.94585 24 1.412 2.415 0.881699 27 1.215 2.218 0.796606 30 1.003 2.006 0.696143 33 0.866 1.869 0.625404 36 0.658 1.661 0.50742 39 0.503 1.506 0.409457 42 0.4 1.403 0.338613 45 0.237 1.24 0.215111 48 0.134 1.137 0.128393 51-0.018 0.985-0.01511 54-0.118 0.885-0.12217 57-0.216 0.787-0.23953 60-0.266 0.737-0.30517 63-0.379 0.624-0.4716 66-0.431 0.572-0.55862 69-0.483 0.52-0.65393 71-0.533 0.47-0.75502 74-0.581 0.422-0.86275 77-0.629 0.374-0.9835

（3）ln(α t-α ∞)对 t 作图如图 3：

图 3

2mol/L H 2 SO 4 催化蔗糖水解由图 3 得 ln(a t-a ∞）对 t 所做图的直线为 ln(α t-α ∞)=1.61793-0.03254t

R2 =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t 1/2 =0.693/k=21.2969。4、4mol/L H 3 3 PO 4 4 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/L H 3 PO 4 催化蔗糖水解数据记录：

表四

温度：室温

磷酸浓度：4mol/L 反应时间/min α t

α t-α ∞

ln(α t-α ∞)3 3.181 4.2175 1.439243 6 3.139 4.1755 1.429234 9 3.086 4.1225 1.41646 12 2.985 4.0215 1.391655 15 2.882 3.9185 1.365709 18 2.768 3.8045 1.336185 21 2.664 3.7005 1.308468 24 2.566 3.6025 1.281628 27 2.466 3.5025 1.253477 30 2.367 3.4035 1.224804 33 2.211 3.2475 1.177885

2.11 3.1465 1.146291 39 2.007 3.0435 1.113008 42 1.907 2.9435 1.079599 45 1.806 2.8425 1.044684 48 1.702 2.7385 1.00741 51 1.551 2.5875 0.950692 54 1.452 2.4885 0.91168 57 1.353 2.3895 0.871084 60 1.254 2.2905 0.82877 63 1.151 2.1875 0.782759 66 1.051 2.0875 0.735967 69 1 2.0365 0.711233 71 0.9 1.9365 0.660882 74 0.801 1.8375 0.608406 77 0.754 1.7905 0.582495 80 0.654 1.6905 0.525024 83 0.605 1.6415 0.49561 86 0.503 1.5395 0.431458 89 0.455 1.4915 0.399782（3）ln(α t-α ∞)对 t 作图如图 4：

图 4

4mol/L H 3 PO 4 催化蔗糖水解

由图 4 得 ln(a t-a ∞）对 t 所做图的直线为 ln(α t-α ∞)=1.56649-0.0126t

R2 =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t 1/2 =0.693/k=55。5..不同浓度盐酸下的比催化活性：

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。

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/L HCl 0.02931 0.014655 4mol/L HCl 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 2mol/L HCl-0.30103-1.53298 4mol/L HCl-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 =lgG a +algK a，由硫酸和磷酸的速率常数和解离平衡常数，计算出 G a、a。查阅硫酸和醋酸的解离常数，其中磷酸只考虑一级电离。

H 2 SO 4 的一级解离常数：1.0×103

H 3 PO 4 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

K a

lgK a

k lgk 硫酸 1000 3 0.03254-1.48758 磷酸 0.00752-2.12378 0.0126-1.89963

按照公式 lgk =lgG a +algK a 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+0.08042lgK a，则 G a =--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

比催化活性 2mol/L HCl 0.02931 0.014655 4mol/L HCl 0.05759 0.0143975 2mol/L H 2 SO 4

0.03254 0.0162708、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/L HCl

2mol/L H 2 SO 4

4mol/L H 3 PO 4

k 0.05759

0.03254

0.0126

六、结果与讨论1、蔗糖水解反应：

观察图 1-4，可见以 ln(a t-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：

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。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/L HCl、4mol/L HCl 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：

根据布朗斯特德定律：lgk =lgG a +algK a，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 G a =--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/L HCl、2mol/L H 2 SO 4 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(a t-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(a t-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？答：实验中所测的旋光度α t，可以不校正零点，因为实际上在处理数据时α t-α ∞，已将系统的零点误差消除掉。

3、为什么用 ln（α t －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(α t －α ∞)对 t 作图求 k，不需要α

0 的数值。

4、蔗糖反应是真一级还是假一级反应？答：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：

C 12 H 22 O 11

+ H 2 O —→ C 6 H 12 O 6

+ C 6 H 12 O 6，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反应。

5、在测量过程中，为什么旋光度逐渐减小？为什么α ∞ 为负值？答：蔗糖在水中转化为葡萄糖和果糖。蔗糖、葡萄糖为右旋，而果糖为左旋，且果糖的左旋能力比葡萄糖的强。当反应开始时，t=0，溶液只有蔗糖的右旋，旋光度为正值，随着反应的进行，蔗糖溶液浓度减少，葡萄糖和果糖浓度增大，由于果糖的左旋能力强于葡萄糖的右旋。整体来说，溶液的旋光度随着时间而减少。当反应进行完全时，蔗糖溶液浓度为零，溶液中只有葡萄糖和果糖，这时，溶液的旋光度为负值。

蔗糖水解物化实验报告篇2

一、实验原理[1,2,3]

目前的量热计一般为热导式量热计, 其输入函数Ω (放热速率) 与输出函数Δ (温差电信号) 之间可用Tian方程描述如式 (1) 。

式中:K—热量常数, 是一个单位为1的量;Λ—热容系数, 单位为s。

Tian方程是热谱曲线的微分方程式, 当从0到t的时间范围内进行积分, 便有

式中:Qt—化学反应在时刻t前的热效应, 若为恒压体系, 则为ΔrHt;

a—反应在时刻t前的峰面积;

Δ—经校正后的t时热谱峰 (谷) 的大小。

反应结束后, Δ=0, 则有

式中:Q∞—反应过程的总热效应, 若为恒压, 则为ΔrH∞;

A—热谱曲线的总面积。

当从0到t的时间范围内积分, 可得

对反应的全过程进行积分, 则有

可见:在容积不变的反应体系中

式中:C0—反应物初始体积摩尔浓度;

x—t时刻反应物剩余浓度。

将式 (2) 代入式 (6) 可得

式中:Q前—热谱曲线中t时刻的热效应, 可由热谱曲线上直接得到。当ΛΔ=0时, Q前=Qt。

下面对式 (7) 进行讨论。

若不考虑到产物的抑制或促进作用对反应速率的影响, 则用于求动力学参数的反应时间范围应介于最大峰高时间tm和反应结束时间te之间, 即tm<t<te。值得注意的是, 由于仪器的时间滞后, te应小于热谱曲线回到基线时的时间t∞。

在F (t) 的表达式中, Q∞, Q前, Δ, t均可从热谱曲线上得到, 如图1。因此, 只要求得热容常数Λ则可求得各种不可逆反应的速率系数。若测定各不同温度下的k值, 可进一步求得表观活化能Ea。

求Λ的方法:在恒功率热谱曲线上, 当稳态峰高出现后, 以恒功率法求。这时热容常数与稳态峰高Δ及断开恒功率源的热效应Qe有如式 (8) 的关系。

二、实验试剂和仪器

1. 实验试剂。

蔗糖, 盐酸。实验室所用水均为二次蒸馏水, HCl (aq) 的准确浓度用干燥处理后的Na2CO3标定。

2. 主要仪器及其工作原理[1,2,3]。

3114/3236 TAM Air微量等温热量计, 电子分析天平, 滴定装置, 玻璃器皿。等温热量计测量池周围是一个维持在恒温状态的散热装置。样品放入测量池后, 因某一物理化学过程的进行而产生一定的热效应, 从而使其自身的温度发生改变。样品和散热片之间就存在一定的温差, 使热量从样品流向散热片, 热量流动的速率与温差的大小呈正比。高灵敏度的热电元件分布在反应容器的周围, 可测出样品与环境之间的温差并转化为一定的电压, 经过放大后输出。如果样品的反应终止, 那么它就与环境保持在相同的温度, 不再有热效应输出, 热电元件所产生的电压为零。TAM Air是一种八通道毫瓦到微瓦级热导式等温热量计。所有这八套量热系统聚集在一起, 组成一个单独的区域, 装在一个可以控温的空气恒温装置中。其每一个通道包含孪生式结构, 一边是样品, 另一侧是惰性参比。该热量计能使样品中的物理或化学反应产生的热迅速地流向环境。

三、实验步骤

配制HCl溶液, 用干燥处理的无水Na2CO3标定其浓度;配制蔗糖溶液;在20m L参比安瓿瓶中装入10.00m L蒸馏水;移取蔗糖溶液 (V1) 于20m L样品安剖瓶内, 用1m L注射器移取适量标定好的HCl溶液 (10.00-V1) ;安装好注射器及搅拌装置;将参比安瓿瓶及安装好注射器和搅拌装置的样品安瓿瓶放入已恒温且标定好的TAM Air量热仪中, 开动搅拌器搅拌。待热谱基线稳定后, 将注射器中HCl溶液注入样品安瓿瓶中, 记录热谱曲线。

四、结果与讨论

实验结果如表2。

量热法[1,2,3]适用范围宽, 处理方便, 具有不受体系光谱性质 (如旋光法) 、电学性质 (如电导法) 限制的独特性质。采用本方法, 可利用图解求反应速率常数及相关热动力学参量, 结果准确度较高。将此方法用于处理诸如聚合反应、胶束催化等, 用常规动力学方法较难以处理的反应体系有很大的优越性。

对一些未知反应级数的不可逆反应, 可采用变更初始浓度, 并从相应的热谱上确定Qt/Q∞=1/2的时间 (半衰期t1/2) , 最后利用lgt1/2=lg K+ (1-n) lg C0, 由作图法确定反应级数n。对一些整数级数的反应, 也可将热谱数据分别代入表1中各已知级数的热动力学方程, 当得到的曲线为直线时, 该反应的级数便是对应方程的级数。

摘要：本文介绍了如何用微量量热法研究蔗糖水解反应的热动力学, 通过实验和计算得出了该反应的速率常数。

山大物化实验燃烧热篇3

化学热力学实验一燃烧热的测定

【目的要求】

1.通过测定萘的燃烧热，掌握有关热化学实验的一般知识和技术。2.掌握氧弹式量热计的原理、构造及其使用方法。3.掌握高压钢瓶的有关知识并能正确使用。【实验原理】

燃烧热是指1 mol物质完全燃烧时的热效应，是热化学中重要的基本数据。一般化学反应的热效应，往往因为反应太慢或反应不完全，因而难以直接测定。但是，通过盖斯定律可用燃烧热数据间接求算。因此燃烧热广泛地用在各种热化学计算中。许多物质的燃烧热和反应热已经精确测定。测定燃烧热的氧弹式量热计是重要的热化学仪器，在热化学、生物化学以及某些工业部门中广泛应用。燃烧热可在恒容或恒压情况下测定。由热力学第一定律可知：在不做非膨胀功情况下，恒容反应热QV＝ΔU，恒压反应热Qp＝ΔH。在氧弹式量热计中所测燃烧热为QV，而一般热化学计算用的值为Qp，这两者可通过下式进行换算：

Qp＝QV ＋ ΔnRT(1)式中：Δn为反应前后生成物与反应物中气体的摩尔数之差；R为摩尔气体常数；T为反应温度(K)。

在盛有定量水的容器中，放入内装有一定量样品和氧气的密闭氧弹，然后使样品完全燃烧，放出的热量通过氧弹传给水及仪器，引起温度升高。氧弹量热计的基本原理是能量守恒定律，测量介质在燃烧前后温度的变化值，则恒容燃烧热为：

QV ＝（M/m）· W·(t终－t始)(2)式中：W为样品等物质燃烧放热使水及仪器每升高1℃所需的热量，称为水当量。

水当量的求法是用已知燃烧热的物质(如本实验用苯甲酸)放在量热计中燃烧，测定其始、终态温度,一般来说，对不同样品，只要每次的水量相同，水当量就是定值。热化学实验常用的量热计有环境恒温式量热计和绝热式量热计两种。环境恒温式量热计的构造如图2-1-1所示。

由图可知，环境恒温式量热计的最外层是储满水的外筒(图中5)，当氧弹中的样品开始燃烧时，内筒与外筒之间有少许热交换，因此不能直接测出初温和最高温度，需要由温度—时间曲线(即雷诺曲线)进行确定,详细步骤如下：

将样品燃烧前后历次观察的水温对时间作图，联成FHIDG折线，如图2-1-2所示。图中H相当于开始燃烧之点，D为观察到的最高温度读数点，作相当于环境温度之平行线JI交折线于I过I点作ab垂线，然后将FH线和GD线外延交ab线A、C两点，A点与C点所表示的温度差即为欲求温度的升高ΔT。图中AA′为开始燃烧到温度上升至环境温度这一段时间Δt1内，由环境辐射进来和搅拌引进的能量而造成体系温度的升高必须扣除，CC′为温度由环境温度升高到最高点D这一段时间Δt2内，体系向环境辐射出能图2-1-1 环境恒温式氧弹量热计

量而造成体系温度的降低，因此需要添加上。由此可见AC两点的温差是较1-氧弹；2-温度传感器；3-内筒；4-空气隔层；5-外筒；6-搅拌

客观地表示了由于样品燃烧致使量热计温度升高的数值。

有时量热计的绝热情况良好，热漏小，而搅拌器功率大，不断稍微引进能量使得燃烧后的最高点不出现，如图2-1-3所示。这种情况下ΔT仍然可以按照同样方法校正。

图2-1-2 绝热较差时的雷诺校正图图2-1-3 绝热良好时的雷诺校正图

【仪器试剂】

氧弹式量热计1套；氧气钢瓶(带氧气表)1个；台称1只；电子天平1台(0.0001g)。苯甲酸(A.R.)；萘(A.R.)；燃烧丝；棉线。【实验步骤】 1.水当量的测定：

(1)仪器预热将量热计及其全部附件清理干净，将有关仪器通电预热。(2)样品压片在电子台秤上粗称0.7～0.8g苯甲酸，在压片机中压成片状；取约10cm长的燃烧丝和棉线各一根，分别在电子天平上准确称重；用棉线把燃烧丝绑在苯甲酸片上，准确称重。

(3)氧弹充氧将氧弹的弹头放在弹头架上，把燃烧丝的两端分别紧绕在氧弹头上的两根电极上；在氧弹中加入10mL蒸馏水，把弹头放入弹杯中，拧紧。当充氧时，开始先充约0.5MPa氧气，然后开启出口，借以赶出氧弹中的空气。再充入1MPa氧气。氧弹放入量热计中，接好点火线。

(4)调节水温准备一桶自来水，调节水温约低于外筒水温1℃。用容量瓶量取一定体积（视内筒容积而定）已调温的水注入内筒，水面盖过氧弹。装好搅拌头。(5)测定水当量打开搅拌器，待温度稳定后开始记录温度，每隔30s记录一次，直到连续几min水温有规律微小变化，开启“点火”按钮，当温度明显升高时，说明点火成功，继续每30s记录一次；到温度升至最高点后，再记录几min，停止实验。

停止搅拌，取出氧弹，放出余气，打开氧弹盖，若氧弹中无灰烬，表示燃烧完全，将剩余燃烧丝称重，待处理数据时用。

2.测量萘的燃烧热称取0.6～0.7g萘，重复上述步骤测定之。【注意事项】

— 内筒中加3000mL水后若有气泡逸出，说明氧弹漏气，设法排除。— 搅拌时不得有摩擦声。

— 燃烧样品萘时，内筒水要更换且需重新调温。— 氧气瓶在开总阀前要检查减压阀是否关好；实验结束后要关上钢瓶总阀，注意排净余气，使指针回零。【数据处理】

1.将实验条件和原始数据列表记录。

2.由实验数据分别求出苯甲酸、萘燃烧前后的t始和t终。3．由苯甲酸数据求出水当量W。

Q总热量=Q样品·(M/m)＋Q燃丝·m燃丝＋Q棉线·m棉线－5.983·VNaOH＝ W·(t终－t始)式中：Q铁丝= －6695J·g-1；Q镍铬丝=－1400.8J·g-1；Q棉线=－17479J·g-1。4．求出萘的燃烧热QV，换算成Qp。

5.将所测萘的燃烧热值与文献值比较，求出误差，分析误差产生的原因。

思考题

1.在氧弹里加10mL蒸馏水起什么作用？2.本实验中，那些为体系？那些为环境？实验过程中有无热损耗，如何降低热损耗？盛水桶内部物质及空间为系统，除盛水桶内部物质及空间的热量计其余部分为环境，系统和环境之间有热交换，热交换的存在会影响燃烧热测定的准确值，可通过雷诺校正曲线校正来减小其影响。

3.在环境恒温式量热计中，为什么内筒水温要比外筒水温低？低多少合适？ 4.欲测定液体样品的燃烧热，你能想出测定方法吗？玻璃泡中【讨论】

1.量热计的类型很多，分类方法也不统一。常用的为环境恒温式和绝热式量热计两种。绝热式量热计的外筒中有温度控制系统，在实验过程中，内桶与外筒温度始终相同或始终略低0.3℃，热损失可以降低到极微小程度，因而，可以直接测出初温和最高温度。