纖維素水解實驗背后的化學(xué)思想

張俊麗

【摘 要】纖維素水解實驗是高中化學(xué)教學(xué)課程中一個十分重要的化學(xué)演示實驗。該實驗以其特殊的化學(xué)現(xiàn)象不僅能夠增強學(xué)生對于化學(xué)學(xué)習(xí)的興趣，在其背后更體現(xiàn)出了一些重要的化學(xué)思想。在本文中，作者從高中化學(xué)的纖維素水解實驗入手，簡單介紹了實驗的過程，并對實驗背后體現(xiàn)的重要化學(xué)思想進行了闡述，希望通過此文能夠?qū)V大高中生的化學(xué)學(xué)科的學(xué)習(xí)提供一定的幫助。

【關(guān)鍵詞】纖維素；水解；化學(xué)思想

一、前言

纖維素，英文名稱為cellulose，是一種由葡萄糖組成的大分子多糖，屬于天然高分子化合物，是植物細胞壁的主要成分。溶解性質(zhì)表現(xiàn)為不溶于水及一般有機溶劑。纖維素在自然界分布十分廣泛，占植物界碳含量的50%以上，大量存在于木材、棉花、麻、麥稈、稻草、甘蔗渣等之中。

纖維素不溶于水和一般的化學(xué)試劑，但在特定的條件下可以發(fā)生水解生成葡萄糖，這一性質(zhì)正是高中化學(xué)纖維素水解實驗的基礎(chǔ)。高中化學(xué)纖維素水解實驗以濾紙為纖維素來源，以硫酸為催化劑，以一定的溫度為化學(xué)反應(yīng)條件，以氫氧化銅和銀氨溶液為檢測手段，組成了一個完整的水解+檢測的化學(xué)實驗。該實驗因涉及到濃硫酸的稀釋、氫氧化銅的變色和銀鏡反應(yīng)的發(fā)生，可以極大地激發(fā)學(xué)生對于化學(xué)的學(xué)習(xí)興趣，其背后所蘊含的化學(xué)思想對于學(xué)生今后在化學(xué)學(xué)科的繼續(xù)學(xué)習(xí)發(fā)揮了積極地作用。

二、實驗內(nèi)容

1.纖維素的水解

（1）配制成20ml的濃度為70%的硫酸溶液置于50ml的玻璃燒杯中?；旌线^程中將濃硫酸緩慢倒入水中并且不停地攪拌，完成后，靜置使其冷卻。

（2）取一小塊濾紙，撕碎后向小燒杯中一邊加一邊用玻璃棒攪拌，溶液將緩慢的變成無色透明狀液體，然后將燒杯放入水浴中加熱10min，直到溶液顯現(xiàn)出棕黃色為止。

（3）將該棕黃色液體傾倒入另一盛有約20ml蒸餾水的燒杯中。取1ml混合液，注入一大試管中，加入適量的固體NaOH，直到溶液的pH值到達3-5之間，再加Na2CO3調(diào)節(jié)溶液pH值至9。

2.纖維素水解產(chǎn)物的檢驗

三、結(jié)果分析

葡萄糖的分子結(jié)構(gòu)式如下圖所示，在整個碳鏈的端部有一個醛基，使得葡萄糖有了一定的還原性，因此銀鏡反應(yīng)和氧化亞銅實驗就成了檢驗葡萄糖的定性試驗。

纖維素的水解產(chǎn)物是否就是葡萄糖，這個問題就可以根據(jù)其水解產(chǎn)物是否能夠在上面兩個反應(yīng)中起到作用。經(jīng)過上面兩個實驗的現(xiàn)象，可以斷定實驗中的來源于濾紙的纖維素經(jīng)過硫酸的處理發(fā)生水解，并且水解產(chǎn)物中存在具有還原性的葡萄糖。

四、實驗思想

結(jié)構(gòu)決定性質(zhì)，這是化學(xué)領(lǐng)域的一個最基本的思想。以纖維素為例，它是一種天然的高分子材料。纖維素的形成大多在植物中進行，植物通過光合作用產(chǎn)生碳水化合物的糖類，這些糖類通過彼此間的脫水而形成纖維素。從葡萄糖到纖維素，結(jié)構(gòu)上的變化導(dǎo)致了其性質(zhì)上的截然不同。比如其溶解性的變化，葡萄糖在水中溶解性良好，而纖維素是不溶于水的。

纖維素的結(jié)構(gòu)與性質(zhì)的關(guān)系體現(xiàn)在下面兩個方面：

1.原子排列影響物質(zhì)化學(xué)性質(zhì)

纖維素由葡萄糖分子間脫水形成，在脫水的過程中，葡萄糖分子中的醛基結(jié)構(gòu)受到破壞，使物質(zhì)的化學(xué)還原性消失，因此，直接用纖維素來還原銀離子和銅離子是做不到的。從原子排列的角度來講，組成醛基的碳氧雙鍵易極化導(dǎo)致碳原子帶正電性，碳氫鍵易斷裂從而變現(xiàn)為一定的還原性。一旦經(jīng)過脫水縮合反應(yīng)，碳氫鍵中的氫被另一個氧原子代替，醛基變?yōu)樘擒真I，而糖苷鍵是不具備以上還原性的。因此，原子的變化和原子結(jié)構(gòu)排列的變化使得物質(zhì)失去了還原性，也就是說，原子排列影響物質(zhì)的化學(xué)性質(zhì)。

2.分子結(jié)構(gòu)影響物理性質(zhì)

纖維素分子呈絲狀，這是葡萄糖分子頭-尾結(jié)合產(chǎn)生的結(jié)果。這些絲狀物因為排列整齊而極易結(jié)晶，從而形成規(guī)則的晶體，往往表現(xiàn)為纖維狀晶體，而纖維狀晶體的強度較強，從宏觀材料的角度來看就是纖維素材料強度較高。纖維素分子由葡萄糖分子脫水縮合而成，其脫水過程中雖然醛基結(jié)構(gòu)遭到破壞，但是纖維素卻完整的繼承了葡萄糖分子中的羥基。這些羥基中的氫原子們可以被看做一個個裸露的質(zhì)子。在這種情況下，一個氧原子連接質(zhì)子很容易和另外一個氧化子相互吸引發(fā)生作用從而在分子間形成氫鍵。同一個纖維素分子上的兩個羥基間生成的氫鍵被稱為分子內(nèi)氫鍵，分子內(nèi)氫鍵使得分子的旋轉(zhuǎn)難度增加，外在表現(xiàn)為材料剛度的較大。

能量決定化學(xué)反應(yīng)能否進行，這是化學(xué)領(lǐng)域另一個重要的思想?；瘜W(xué)反應(yīng)與能量的關(guān)系如下面描述。

有機物分子通常是各種原子通過共價鍵的形式結(jié)合起來的，比如纖維素和葡萄糖都是碳氫氧三種元素組成。有機分子在反應(yīng)的時候。化學(xué)鍵的斷裂與形成是化學(xué)反應(yīng)的實質(zhì)。一個反應(yīng)能否進行，除了物質(zhì)的分子結(jié)構(gòu)因素以外，一個重要的影響因素就是能量，體現(xiàn)在反應(yīng)條件中就是反應(yīng)溫度。當然，某些化學(xué)反應(yīng)也可以由激光、磁場、光照等代替加熱完成實驗。但歸根結(jié)底都是為了能夠達到舊鍵斷裂和新鍵形成的目的。從實驗中可以看到，雖然葡萄糖具有了還原性的醛基，但是在低溫下仍然無法還原銀離子和銅離子，只有當溫度上升，達到舊鍵斷裂的臨界點，反應(yīng)才能發(fā)生。了解了各種物質(zhì)的特性，反應(yīng)能否發(fā)生，什么溫度發(fā)生，這一臨界點是可以通過計算精確地算出來的，這就是化學(xué)本質(zhì)和規(guī)律的體現(xiàn)。

五、總結(jié)

課堂演示實驗對于高中化學(xué)學(xué)科而言十分重要，他不僅能夠提升同學(xué)們對于化學(xué)的學(xué)習(xí)興趣，更有利于學(xué)生對于化學(xué)思想的掌握。纖維素的水解實驗是一個很基礎(chǔ)的有機化學(xué)實驗，通過此實驗，不僅可以掌握一定的有機化學(xué)知識，更能從深層次了解到物質(zhì)結(jié)構(gòu)決定性質(zhì)、化學(xué)反應(yīng)條件的本質(zhì)等。希望通過本篇論文，可以對廣大高中化學(xué)老師和學(xué)生起到積極地作用。

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