葡萄糖與新制氫氧化銅反應(yīng)實驗改進(jìn)

封享華 丁世敏 馬霈 陳園

摘要：實驗探究葡萄糖與新制氫氧化銅反應(yīng)實驗主副反應(yīng)在加熱過程中的特征，通過降低葡萄糖用量為教科書實驗用量的0.89%，設(shè)計一套實驗改進(jìn)方案。研究結(jié)果表明：主副反應(yīng)的競爭中，主反應(yīng)更快;改進(jìn)后的實驗避免了副反應(yīng)產(chǎn)生的有色物質(zhì)對實驗現(xiàn)象的干擾;反應(yīng)后溶液透明無色，Cu2O磚紅色懸浮顆粒清晰可見。

關(guān)鍵詞：葡萄糖;氫氧化銅;實驗改進(jìn)

蘇教版高中必修《化學(xué)2》中，葡萄糖與新制氫氧化銅反應(yīng)的實驗方法為：在潔凈的試管中加入2mL 10%的氫氧化鈉溶液，滴加4～5滴5%的硫酸銅溶液，得到含氫氧化鈉的氫氧化銅懸濁液。加入2mL 10%的葡萄糖溶液，加熱，觀察并記錄實驗現(xiàn)象。其主反應(yīng)為：

葡萄糖與新制氫氧化銅在實驗加熱過程中會出現(xiàn)藍(lán)—黃綠—黃—磚紅—深棕的顏色變化，沉淀產(chǎn)物中出現(xiàn)黑色物質(zhì)。黃色物質(zhì)是葡萄糖與氫氧化鈉經(jīng)歷復(fù)雜的反應(yīng)過程生成的5-羥甲基糠醛，簡稱5-HMF（），5-HMF還會繼續(xù)聚合成一種樹脂狀的有色物質(zhì)，且隨著溫度的升高，聚合度提高，顏色加深[1]。本課題組用X衍射物相分析證明，黑色物質(zhì)是單質(zhì)銅。顯然5-HMF、樹脂狀有色物質(zhì)以及黑色單質(zhì)銅等的存在，嚴(yán)重干擾了對磚紅色Cu2O的觀察，更為嚴(yán)重的是，葡萄糖在堿的溶液中加熱至沸，也會出現(xiàn)顏色從無色—黃—磚紅—棕色的變化，因此，無法認(rèn)定磚紅色物質(zhì)就是Cu2O，即教科書實驗存在嚴(yán)重的顏色干擾問題。本課題研究的目的是改進(jìn)實驗，盡可能避免干擾。

關(guān)于該實驗的改進(jìn)研究曾有一些報道[2，3]，但這些研究僅僅是對各反應(yīng)物濃度或溫度進(jìn)行優(yōu)化，由于對有機(jī)反應(yīng)復(fù)雜性的認(rèn)識不足，沒有更好地把握反應(yīng)過程的特征，因而優(yōu)化帶有盲目性，優(yōu)化的結(jié)果并沒有解決各種顏色的干擾問題。本課題首先對葡萄糖與新制氫氧化銅反應(yīng)實驗中的主、副反應(yīng)在加熱過程中的特征進(jìn)行研究，然后依據(jù)其“特征”提出實驗改進(jìn)思路和方案，展開實驗改進(jìn)研究。

1 主、副反應(yīng)在加熱過程中的特征

實驗1（硫酸銅+氫氧化鈉+葡萄糖）：在潔凈的試管中加入2mL 10%的氫氧化鈉溶液，滴加5滴5%的硫酸銅溶液，得到含氫氧化鈉的氫氧化銅懸濁液。加入10%（m/V）的葡萄糖溶液2.0mL，并在試管中插入溫度計，然后在一定溫度的水浴中加熱（用50mL燒杯裝水，插入溫度計，首先將水加熱到設(shè)定溫度），當(dāng)試管中溫度計達(dá)到設(shè)定溫度時，停止加熱，取出試管冷卻，過濾，洗滌（直至無硫酸根檢出），觀察濾紙上沉淀數(shù)量的相對多少及加熱過程中的顏色變化。改變設(shè)定溫度，重復(fù)上述實驗，并記錄于表1。

實驗2（氫氧化鈉+葡萄糖）：將實驗1中的5滴5%的硫酸銅改為5滴蒸餾水，重復(fù)實驗1，實驗結(jié)果記錄于表1。

實驗2的結(jié)果表明，葡萄糖與氫氧化鈉生成副產(chǎn)物的反應(yīng)在常溫22℃就能發(fā)生，只是反應(yīng)較緩慢，隨著溫度的升高，顏色加深，但在50℃及之前，顏色較淺，因此，副產(chǎn)物的大量生成是在50℃及之后。

實驗1的結(jié)果表明，葡萄糖與新制氫氧化銅在常溫22℃時看不到Cu2O生成，30℃時能看到極少量的Cu2O生成，但在50℃時就有大量Cu2O生成，溫度繼續(xù)升高，其沉淀量無顯著變化，表明Cu2O的生成在50℃時就已基本完成。黑色Cu是在加熱到68℃及以上才能觀察到，并隨溫度的升高，黑色增多。這意味著可以通過降低反應(yīng)溫度于68℃以下來避免單質(zhì)Cu的生成。

比較實驗1及實驗2，不難發(fā)現(xiàn)，葡萄糖與新制氫氧化銅生成Cu2O的主反應(yīng)是在50℃時就已基本完成，而大量生成有色副產(chǎn)物是在50℃及之后。

綜合上述實驗結(jié)果，該實驗的反應(yīng)可歸納為如下特征：

當(dāng)氫氧化銅懸濁液滴加到葡萄糖溶液中時，氫氧化銅快速溶解，形成藍(lán)色溶液;當(dāng)加熱溫度到50℃時，生成Cu2O的主反應(yīng)已基本完成，而生成黃色物質(zhì)5-HMF的副反應(yīng)少量發(fā)生。加熱溫度在50～68℃時，黃色物質(zhì)5-HMF快速而大量生成;當(dāng)加熱溫度在68℃以上時，Cu2O開始被還原為Cu，5-HMF發(fā)生聚合反應(yīng)生成樹脂狀有色物質(zhì)增多，顏色加深。主、副反應(yīng)的競爭中，主反應(yīng)更快。

2 改進(jìn)實驗的思路

實驗的改進(jìn)無非是避免或盡可能減少副產(chǎn)物5-HMF、樹脂狀有色物質(zhì)以及黑色單質(zhì)銅的生成。在教科書實驗中，按照反應(yīng)計量關(guān)系，相對于硫酸銅投加量來說，葡萄糖投加量過量約140倍左右，氫氧化鈉過量約126倍左右，過量的葡萄糖與過量的氫氧化鈉，在加熱過程中勢必發(fā)生實驗2的副反應(yīng)，生成大量副產(chǎn)物。從理論上講，降低葡萄糖和氫氧化鈉用量到計量反應(yīng)水平，都有利于降低副產(chǎn)物，并且主反應(yīng)與副反應(yīng)在相互競爭中副反應(yīng)更慢。這為通過降低葡萄糖和氫氧化鈉的投加量從而改進(jìn)實驗帶來了可能性。

氫氧化鈉在實驗中的作用，一是與硫酸銅生成新制氫氧化銅，二是保證氫氧化鈉高濃度下，OH-奪取醛中α-H生成碳負(fù)離子，再進(jìn)一步生成H-，進(jìn)而實現(xiàn)Cu（OH）2的還原[4]。因此，降低氫氧化鈉投加量，必然降低葡萄糖的還原能力，不利于主反應(yīng)的發(fā)生。硫酸銅的投加量，主要影響的是主產(chǎn)物Cu2O的多少，投加量太低，不便于磚紅色Cu2O的生成與觀察。所以，本實驗改進(jìn)的思路是，不改變氫氧化鈉與硫酸銅的投加量，降低葡萄糖用量至計量反應(yīng)水平。

需要說明的是，在降低葡萄糖用量的同時，通過降低反應(yīng)溫度至50℃左右，進(jìn)一步減少副產(chǎn)物生成，也是思路之一，但加熱方式的改變，勢必使實驗操作復(fù)雜化。

葡萄糖溶液用量的設(shè)計是，首先確定主反應(yīng)剛好按計量關(guān)系反應(yīng)時，葡萄糖溶液的滴加量，設(shè)計為4滴（按0.05mL/滴計），這樣的體積用量使得操作更為簡便，然后計算剛好按計量關(guān)系反應(yīng)時，葡萄糖溶液所需濃度c（葡萄糖）=c[Cu（OH）2]×V[Cu（OH）2]/2V（葡萄糖）=3.5%（m/V）。

3 實驗改進(jìn)

在潔凈的試管中加入2mL 10%的氫氧化鈉溶液，滴加5滴5%的硫酸銅溶液，得到含氫氧化鈉的氫氧化銅懸濁液。滴加一定量3.5%（m/V）的葡萄糖溶液，振蕩溶解，加熱至沸，觀察溶液顏色變化及溶液中固體狀態(tài)，冷卻，過濾，觀察濾紙上沉淀外觀及濾液顏色。改變葡萄糖溶液滴加量，重復(fù)試驗，并將試驗結(jié)果記錄于表2。

表2的數(shù)據(jù)表明，滴加2～4滴葡萄糖溶液時，葡萄糖不足，氫氧化銅不能完全溶解，導(dǎo)致固體產(chǎn)物中夾雜藍(lán)色固體，影響實驗觀察。滴加6～8滴葡萄糖溶液可觀察到明顯的磚紅色固體小顆粒懸浮于溶液中，但溶液呈黃色，影響觀察，且葡萄糖滴加量越大，溶液黃色越深，影響越大。滴加12～16滴葡萄糖溶液時，不僅溶液有較深黃色，而且在懸浮顆粒中存在黑色。因此，葡萄糖溶液以滴加5滴為宜。此時，葡萄糖過量約25%，溶液無色透明，溶液中可見大量磚紅色固體小顆粒懸浮物。

葡萄糖的適當(dāng)過量，有利于快速溶解氫氧化銅，但過量程度過大，會導(dǎo)致有色物質(zhì)大量生成，因此，過量25%左右比較恰當(dāng)。

4 改進(jìn)后的實驗方案、優(yōu)勢及注意事項

（1） 實驗方案：在潔凈的試管中加入2mL 10%的氫氧化鈉溶液，滴加5滴5%的硫酸銅溶液，得到含氫氧化鈉的氫氧化銅懸濁液。加入5滴3.5%（m/V）的葡萄糖溶液，振蕩，直至氫氧化銅固體完全溶解，加熱，觀察并記錄實驗現(xiàn)象。

（2） 優(yōu)勢：避免了副反應(yīng)產(chǎn)生的有色物質(zhì)對實驗現(xiàn)象的干擾，加熱過程中的顏色僅僅是藍(lán)—淺藍(lán)—磚紅色的變化，Cu2O磚紅色懸浮顆粒清晰可見;大大節(jié)約了葡萄糖的用量，改進(jìn)后的葡萄糖用量僅為教科書實驗用量的0.9%。

（3） 注意事項：①加熱前一定要振蕩溶液，使藍(lán)色氫氧化銅固體完全溶解，然后再開始加熱，不然，氫氧化銅固體在加熱過程中難以全部反應(yīng)，殘留藍(lán)色固體，影響對Cu2O磚紅色的觀察。②硫酸銅溶液和葡萄糖溶液配制的濃度一定要準(zhǔn)確。

參考文獻(xiàn)：

[1]劉巨英. 淺析葡萄糖與氫氧化銅反應(yīng)的變化現(xiàn)象[J]. 中國校外教育，2015，（4）：122.

[2]保志華. 葡萄糖的檢驗中試劑用量及相關(guān)探討[J]. 云南醫(yī)藥，2014，（3）：382.

[3]于洪超. 葡萄糖檢驗的最佳方案實驗探究[J]. 化學(xué)教與學(xué)，2011，（2）：76.

[4]紀(jì)貴川. 關(guān)于乙醛還原Cu（OH）2實驗的研究[J]. 化學(xué)教育，1997，（7）：37～39.