第４期  收稿日期：２０２０－１１－２１
基金项目：枣庄学院化学化工与材料科学学院一流本科课程（ＨＸＹ２０２０ＹＬＫＣ１０）作者简介：王金虎（１９８１—），山东枣庄人，博士，副教授櫂櫂櫂櫂櫂櫂櫂櫂櫂櫂櫂櫂櫂櫂殬
殬
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。
生产与应用
精确探究温度变化对蔗糖水解反应速率常数的影响
王金虎，唐　欣，王　文，范立
（枣庄学院化学化工与材料科学学院，山东枣庄　２７７１６０）
摘要：本实验旨在用旋光法精确探究温度对蔗糖反应速率及活化能的影响。两个浓度的盐酸结果表明低温时线性拟合明显好于高温条件下，并且反应速率常数、活化能都成一定规律变化，为今后同类动力学反应操作条件优化提供参考信息。关键词：蔗糖水解；温度；反应速率常数；活化能
中图分类号：Ｏ６－３３９    　文献标识码：Ａ    文章编号：１００８－０２１Ｘ（２０２１）０４－０１２５－０３
ＡｃｃｕｒａｔｅＩｎｖｅｓｔｉｇａｔｉｏｎｓｏｆＴｅｍｐｅｒａｔｕｒｅＣｈａｎｇｅｓｏｎｔｈｅＩｎｆｌｕｅｎｃｅ
ｏｆＳｕｃｒｏｓｅＨｙｄｒｏｌｙｓｉｓＲｅａｃｔｉｏｎＲａｔｅＣｏｎｓｔａｎｔ
ＷａｎｇＪｉｎｈｕ，ＴａｎｇＸｉｎ，ＷａｎｇＷｅｎ，ＦａｎＬｉｑｕｎ
（ＤｅｐａｒｔｍｅｎｔｏｆＣｈｅｍｉｃａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇａｎｄＭａｔｅｒｉａｌｓＳｃｉｅｎｃｅ，ＺａｏｚｈｕａｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｚａｏｚｈｕａｎｇ　２７７１６０，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｏｐｔｉｃａｌｍｅｔｈｏｄｓａｒｅｕｓｅｄｔｏｅｘｐｌｏｒｅａｃｃｕｒａｔｅｌｙｅｆｆｅｃｔｉｖｅｒｅｓｕｌｔｓｏｆｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｓｏｎｓｕｃｒｏｓｅｒｅ
ａｃｔｉｏｎｒａｔｅｓａｎｄａｃｔｉｖａｔｉｏｎｅｎｅｒｇｉｅｓ．Ｒｅｓｕｌｔｓａｔｔｗｏｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎｓｏｆｈｙｄｒｏｃｈｌｏｒｉｃａｃｉｄｓｈｏｗｔｈａｔｔｈｅｌｏｗｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｌｉｎｅａｒｆｉｔｔｉｎｇｉｓｍｕｃｈｂｅｔｔｅｒｔｈａｎｔｈａｔｕｎｄｅｒｔｈｅｃｏｎｄｉｔｉｏｎｏｆｈｉｇｈｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ，ｗｈｅｒｅｒｅａｃｔｉｏｎｒａｔｅｃｏｎｓｔａｎｔｓａｎｄａｃｔｉｖａｔｉｏｎｅｎｅｒｇｉｅｓｐｒｅｓｅｎｔａｃｅｒｔａｉｎｒｅｇｕｌａｒｉｔｙ．Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓｐｒｏｖｉｄｅａｒｅｆｅｒｅｎｃｅｆｏｒｆｕｔｕｒｅｓｉｍｉｌａｒｄｙｎａｍｉｃｓｒｅｓｐｏｎｓｅｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎｏｆｏｐｅｒａｔｉｎｇｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｓｕｃｒｏｓｅｈｙｄｒｏｌｙｓｉｓ；ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ；ｒｅａｃｔｉｏｎｒａｔｅｃｏｎｓｔａｎｔ；ａｃｔｉｖａｔｉｏｎｅｎｅｒｇｙ
  速率常数是化学动力学中一个重要物理量，数值上相当于
参加反应的物质都处于单位浓度时的反应速率。它是确定反应历程的主要依据，在化学工程中，它又是设计合理的反应器的重要依据。在物理化学实验上通过蔗糖水解反应可以测定其反应速率常数，先后已有很多学者做了探究，这些学者从影响其反应的各个因素逐步探究，力求将此经典物理化学实验做
进一步的改进和完善［１－６］
。
从历年对蔗糖水解反应速率的研究可知，影响其反应的的因素主要有：酸的种类、用量及浓度，反应温度和反应时间的长短等。
用旋光法探究蔗糖水解反应速率常数是物理化学中一个较为典型的一级动力学实验，但目前此实验需要做进一步改进和拓展的是：稳定性不好；温度极易受环境影响，尤其是在恒温水浴蔗糖溶液及盐酸时；因此实验温度不易控制，从而导致之
后的蔗糖水解不完全，测定的旋光度偏大［７－１１］
。
活化能是指分子从常态转变为容易发生化学反应的活跃状态所需要的能量。阿伦尼乌斯公式中的活化能区别于由动力学推导出来的活化能，又称阿伦尼乌斯活化能或经验活化能，活化分子的平均能量与反应物分子平均能量的差值即称之
为活化能［１２－１３］
。
蔗糖水解反应为：Ｃ１２Ｈ２２Ｏ１１＋Ｈ２Ｏ→Ｃ６Ｈ１２Ｏ６＋Ｃ６Ｈ１６  蔗糖葡萄糖果糖
蔗糖水解反应本身是一个二级反应［１４］
，从反应方程式可看
出反应速率与蔗糖、水和Ｈ＋
的浓度有关，而催化剂浓度在反应过程中又是基本保持不变的；所以蔗糖在一定酸度的条件下，
该反应可视为一级反应［１５］
。
一级反应速率方程可表示为：
－ｄｃ
ｄｔ
＝ｋｃ（１）积分后得：
ｌｎｃ＝－ｋｔ＋ｌｎｃｏ（２）其中ｃｏ为蔗糖的初始浓度，ｃ为ｔ时刻蔗糖的浓度，ｋ为蔗糖在该条件下水解反应速率常数；
由于反应是不断进行的，所以在某一时刻要实时而快速的测量出反应物的相应浓度较为困难。因为蔗糖及其水解产物葡萄糖、果糖都具有旋光性质，所以可根据旋光度与浓度的关系，用旋光度表示浓度，利用旋光仪测出体系在反应过程中旋
光度的变化并以此来度量反应进程［１６］
：
（３）
以对不同时刻作图，由直线的斜率即可计
算出反应速率常数ｋ
，同时也可测量出不同温度下的反应速率常数，利用阿伦尼乌斯（Ａｒｒｈｅｎｉｕｓ）
公式：（４）
以ｌｎｋ对１／Ｔ作图，从公式可知由直线斜率可计算出蔗糖水解反应的活化能。
１　实验
１．１　实验仪器与材料
ＲｕｄｏｌｐｈＳ２－ＡｕｔｏｐｏｌＩＶ全自动旋光仪；ＳＹＣ－１５Ｃ型超级恒温水浴；ＡＲ２２４ＣＮ型电子天平；蔗糖（天津市福晨化学试剂厂）、盐酸、氯化钾、氯化钠均为分析纯；蒸馏水。
１．２　实验操作
１．２．１　溶液配制
reaction rate
用电子天平分别称取３０ｇ蔗糖、１５０ｇ蒸馏水（按蔗糖：蒸
·
５２１·王金虎，等：精确探究温度变化对蔗糖水解反应速率常数的影响
山　东　化　工
馏水＝１∶５配制［２６］
）放入２５０ｍＬ烧杯中，配成溶液（若溶液浑浊则需过滤或重新换药品配制）；将质量分数为３６．０～３８．０％盐酸稀释为１ｍｏｌ／Ｌ和３ｍｏｌ／Ｌ，并将其暂时存放于容量瓶中；１．２．２　蔗糖水解过程中的测定
用两支移液管分别移取蔗糖溶液、盐酸溶液各３ｍＬ至５０
ｍＬ烧杯中，
先移入蔗糖溶液，再紧接着移入盐酸，测量盐酸在１５，２０２５，３０，３５℃和４０℃条件下的旋光值；１．２．３　蔗糖水解过程中的测定用移液管各移取１０ｍＬ蔗糖溶液及盐酸至１００ｍＬ带塞三角瓶，之后将其放置于５０℃的水浴中，恒温９０ｍｉｎ以加快反应的速度，然后将其冷却至室温，按照测蔗糖的方法测量不同温
度下的ａｔ，ａ∞。
２　结果与讨论
２．１　探究温度对蔗糖反应速率的影响
在盐酸浓度为３ｍｏｌ／Ｌ时分别测定不同温度、不同时刻蔗糖水解的旋光度。盐酸３ｍｏｌ／Ｌ时，蔗糖水解反应在２８８～３１３Ｋ的条件下以ｌｎ（ａｔ－ａ∞）为纵坐标，反应不同时刻ｔ为横坐标，线性拟合出不同的直线，据直线的斜率可得出反应速率常数，具体见图１
。
图１　盐酸３ｍｏｌ／Ｌ时在不同温度下的蔗糖反应速率常数
  从上图可以看出，蔗糖水解反应在同一温度下，随着时间的增加，值在不断减小。另一方面，整个反应图像都较为符合一级动力学方程式，拟合曲线也近似呈直线。而随着温度变大数据渐渐偏离拟合直线，可见整个反应在高温时更不稳定。随着温度的升高，图像斜率越小，这表明随着蔗糖水解反应的速度加快，其反应速率常数也在不断的增大。最后，可以看出随着温度升高，的绝对值在变小，这可能是因为随着温度的升高，蔗糖转化为葡萄糖、果糖的含量不同；而最终呈现负值，这说明水解最后又果糖的旋光性决定。
２．２　探究不同温度下蔗糖反应速率的变化
蔗糖水解反应在盐酸１，３ｍｏｌ／Ｌ下，在温度１５，２０，２５和３０
℃时以不同时刻为横坐标，以为纵坐标作图比较如图２。
图２显示温度相同时蔗糖水解在盐酸１ｍ
ｏｌ／Ｌ下比在盐酸３ｍｏｌ／Ｌ时整体的图像更为平缓，且随着时间的增加二者图像的差距也越来越大，这表明高浓度酸下蔗糖水解速度更快（盐酸１ｍｏｌ／Ｌ时蔗糖水解反应速率常数为０．００１３，则盐酸３ｍｏｌ／Ｌ时为０．００６１）。当温度不同时（１５，２０℃和２５℃）此温度区间蔗糖水解反应都近似符合准一级特点。
分析蔗糖水解反应在温度３０℃的图可知，随着温度升高，有些数据偏离直线，这表明高温时整个反应不稳定；同时随着温度的升高，蔗糖反应速率常数也逐渐增大，即反应程度也逐渐趋于完全。同时，催
化剂酸浓度降低，那么其反应速率也相应的减慢，其中起催化作用的是酸中的Ｈ＋，酸性越弱，则解离的Ｈ＋越少，那么催化的能力也相应减弱。最后，催化剂盐酸浓度分别在１ｍｏｌ／Ｌ、３ｍｏｌ／Ｌ时，在同一温度下，盐酸浓度３ｍｏｌ／Ｌ时的值比盐酸浓度１ｍｏｌ／Ｌ时大，这表明反应速率常数值不仅受温度的影响，同时也受催化剂浓度的影响，催化剂的浓度越适宜，
其蔗糖水解反应越彻底。
图２　盐酸浓度为１ｍｏｌ／Ｌ及３ｍｏｌ／Ｌ
时不同温度下蔗糖反应速率常数
２．３　不同酸体系对蔗糖水解反应活化能的影响蔗糖在盐酸１ｍｏｌ／Ｌ及３ｍｏｌ／Ｌ发生水解反应，测量２８８Ｋ－３１３Ｋ温度范围反应速率常数列于表１。据Ａｒｒｈｅｎｉｕｓ公式：
ｌｎｋ＝－Ｅａ
ＲＴ
＋ｌｎＡ可知，以ｌｎｋ为纵坐标，１／Ｔ为横坐标作图拟合
得到一直线，由直线斜率可求计算出活化能（图３）。·
６２１·ＳＨＡＮＤＯＮＧＣＨＥＭＩＣＡＬＩＮＤＵＳＴＲＹ            ２０２１年第５０卷
　第４期表１　不同温度下蔗糖在盐酸３ｍｏｌ／Ｌ及１ｍｏｌ／Ｌ的催化下的反应速率常数
温度１５℃２０℃２５℃３０℃３５℃４０℃Ｔ／Ｋ２８８２９３２９８３０３３０８３１３１／Ｔ
０．００３４７０．００３４１０．００３３６０．００３３００．００３２５０．００３２０ｌｎｋ（Ｈ＋３ｍｏｌ／Ｌ）－５．１０－４．３３－４．１８－３．１３－２．４０－１．９６ｌｎｋ（Ｈ＋１ｍｏｌ／Ｌ）
－６．６８
－５．９４
－５．１７
－４．４６
－３．７８
－２．９
９
图３　盐酸１ｍｏｌ／Ｌ及３ｍｏｌ／Ｌ时蔗糖水解反应活化能
  由图３可知：盐酸浓度为１ｍｏｌ／Ｌ时活化能为１０９．８４ｋＪ／
ｍｏｌ，理论值为１０９．３８ｋＪ／ｍｏｌ，相对误差（０．４％）小于３％［２６］
，催化剂盐酸浓度为３ｍｏｌ／Ｌ时活化能为９６．３９７ｋＪ／ｍｏｌ，理论值
为１
０２．１２ｋＪ／ｍｏｌ，相对误差（－５．６％）大于３％；在盐酸浓度为１ｍｏｌ／Ｌ较为符合物理化学实验测定的要求［２３
］；在盐酸３ｍｏｌ／Ｌ时不太符合物理化学实验测定的要求，这可能是由于在此条件下整个反应不稳定而导致实验数据发生偏离。由此可
知，催化剂浓度越高，解离出的Ｈ＋越多，
加快了反应的进程，使反应活化能降低。
３　结论
本论文主要研究了温度和酸度对蔗糖水解反应的影响，在催化剂盐酸浓度一定的条件下，温度越高，其反应速度及程度越快，同时其蔗糖水解反应速率常数也越大。但反应温度不应高于６０℃，拟合曲线会偏离应有的直线。在盐酸浓度分别为１
ｍｏｌ／Ｌ和３ｍ
ｏｌ／Ｌ时，同一温度下，盐酸３ｍｏｌ／Ｌ时解离出的Ｈ＋多，即整个反应的速率相比盐酸１ｍｏｌ／Ｌ时也更快，其反应速率常数相对也较大，同时相比也降低了反应的活化能。
参考文献
［１］赵云强．蔗糖转化速率常数与酸度和温度的关系［Ｊ］．贵州
师范大学学报（自然科学版），２０００，１８（０４）：８４－８６．［２］屈景年，莫运春，刘梦琴，等．旋光法测蔗糖水解反应速率
常数实验的改进［Ｊ］．大学化学，２００５，２０（０１）：４８－４９．［３］田志美，宋崇富，田友华，等．蔗糖水解反应速率常数测定
方法的改进［
Ｊ］．实验科学与技术，２０１５，１３（０４）：１－３．［４］傅式洲，魏西莲，刘　杰，等．表面活性剂对蔗糖水解反应
的影响［Ｊ］．聊城大学学报（自然科学版），２００７，２０（０２）：５４－５６．［５］张卫东，刘泽槟，陈骏佳，等．不同种类的酸对蔗糖的水解
催化研究［Ｊ］．甘蔗糖业，２０１４（０３）：３１－３５．［６］周海琨，利　杰，罗　鸣，等．蔗糖水解工艺在甘露醇生产
上的应用研究［Ｊ］．广西轻工业，２００６（０５）：５６－５７．［７］邹桂华，刘春凤，沈广志，等．蔗糖水解反应速率常数测定
的实验改进［Ｊ］．实验科学与技术，２００９，７（０５）：４４－４５．［８］王立斌，陈福忠．蔗糖水解反应速率常数测定实验的改进
［Ｊ］．通化师范学院学报，２００４，２５（０８）：３７－３９．［９］张苓花，王运吉．基因工程菊粉酶水解菊芋生产果糖：
ＣＮ１４６５６９９［Ｐ］．２００４－０１－０７．［１０］朱　艳，杨文春，党　微．盐酸催化蔗糖水解中反应速率
常数和盐酸浓度等温关系式［Ｊ］．天然产物研究与开发，２００７，１９（６）：１０６７－１０６９．［１１］杨瑞金，潘允鸿，王文生，等．化学法分离果糖和葡萄糖
［Ｊ］．冷饮与速冻食品工业，１９９７（０３）：２９－３２．［１２］搜狗百科．蔗糖［ＯＬ］．［２０２０－１０－１４］．ｈｔｔｐｓ：／／ｂａｉｋｅ．
ｓｏｇｏｕ．ｃｏｍ／ｖ１０５３５０．ｈｔｍ．［１３］傅献彩，沈文霞，姚天扬．物理化学［Ｍ］．北京：高等教育出
版社，
２００８：１６３－１６４．［１４］ＨＯＵＤＳ．Ｉｍｐｒｏｖｅｍｅｎｔｏｆｓｕｃｒｏｓｅｈｙｄｒｏｌｙｓｉｓｒａｔｅ
ｄｅｔｅｒｍｉｎａｔｉｏｎｏｆｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｄｅｓｉｇｎ
［Ｊ］．ＨｅｂｅｉＣｈｅｍｉｃａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇａｎｄＩｎｄｕｓｔｒｙ，２０１０（１０）：２３－２５．
［１５］尚宏利，桑雪梅，李　军，等．酸催化蔗糖水解反应动力学
的研［
Ｊ］．四川兵工学报，２００７（０６）：４４－４５［１６］李红霞．计算机在物理化学实验数据处理中的应用［Ｊ］．
实验室科学，２０１０，１３（０１）：１１１－１１２．（本文文献格式：王金虎，唐　欣，王　文，等．精确探究温度变化对蔗糖水解反应速率常数的影响［Ｊ］．山东化工，２０２１，５０（０４）：１２５－１２７．檹檹檹檹檹檹檹檹檹檹檹檹檹檹檹檹檹檹檹檹檹檹檹檹檹檹檹檹檹檹檹檹檹檹檹檹檹檹檹檹檹檹檹檹檹檹檹檹
）
（上接第１２２页）［５］国家环境保护局．ＨＪ／Ｔ１９９－２００５，水质总氮的测定气相分
子吸收光谱法［
Ｓ］．北京：中国环境科学出版社，２００５．［６］贾岳清），周昊），殷惠民，等．水中总氮测定方法的研究进
展［
Ｊ］．工业水处理，２０２０，４０（２）：１－５．［７］ＰＡＧＬＩＡＮＯＥ，ＣＡＭＰＡＮＥＬＬＡＢ，ＳＨＩＬ，ｅｔａｌ．Ｄｅｔｅｒｍｉｎａｔｉｏｎ
ｏｆｔｏｔａｌｄｉｓｓｏｌｖｅｄｎｉｔｒｏｇｅｎｉｎｓｅａｗａｔｅｒｂｙｉｓｏｔｏｐｅｄｉｌｕｔｉｏｎｇａｓｃｈｒｏｍａｔｏｇｒａｐｈｙｍａｓｓｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｒｙｆｏｌｌｏｗｉｎｇｄｉｇｅｓｔｉｏｎｗｉｔｈｐｅｒｓｕｌｆａｔｅａｎｄｄｅｒｉｖａｔｉｚａｔｉｏｎｗｉｔｈａｑｕｅｏｕｓｔｒｉｅｔｈｙｌｏｘｏｎｉｕｍ［Ｊ］．ＪｏｕｒｎａｌｏｆＣｈｒｏｍａｔｏｇｒａｐｈｙＡ，２０１８，１５６９：１９３－１９９．［８］宋大英，水质总氮测定中影响空白的因素研究［Ｊ］．江西化
工，２０１７（３）：９１－９２．［９］叶　玲，胡明娟．总氮测定中空白吸光值的控制方法，污染
防治技术，
２０１６，２９（４）：７０－７２．［１０］李　坤，总氮测定中空白吸光度值偏高问题的实验探讨
［Ｊ］．环境科学导刊，２０１７，３６（５）：８４－８６．［１１］李玉莲，王成端，黄胜勇，等．水体总氮测定影响因素的优
化研究，安全与环境学报，２０１３，１３（５）：８５－８９．
［１２］孙晶艳，郑少奎．水质总氮测试中高空白值形成规律与对
策［
Ｊ］．安全与环境学报，２００７，７（５）：９３－９６．［１３］刘小平，菲尔汗，吴智慧．总氮测定中影响空白值的因素
分析及经验对策［
Ｊ］．新疆环境保护，２０１８，４０（１）：４７－５０．［１４］李　莉．碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法测定水中微
量总氮影响因素分析，干旱环境监测，２０１４，２８（３）：１２９－１３４．［１５］黄文婷，周　俊，张奇磊．水体中总氮测定的影响因素及
方法改进，环境监控与预警，
２０１７，９（６）：４５－４７．［１６］丁　琼，薛传金．浑浊度对总氮测定影响的探讨［Ｊ］．污染
防治技术，２０１０，２３（２）：６９－７０．（本文文献格式：付　瑶，刘玲玲，董希良，等．紫外分光光度法测定水体总氮的干扰因素及优化方法［Ｊ］．山东化工，２０２１，５０（０４）：１２０－１２２．）
·
７２１·王金虎，等：精确探究温度变化对蔗糖水解反应速率常数的影响

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