封享華 丁世敏 馬霈 陳園

摘要：實(shí)驗(yàn)探究葡萄糖與新制氫氧化銅反應(yīng)實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)用量的0.89%，設(shè)計(jì)一套實(shí)驗(yàn)改進(jìn)方案。研究結(jié)果表明：主副反應(yīng)的競(jìng)爭(zhēng)中，主反應(yīng)更快;改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn)避免了副反應(yīng)產(chǎn)生的有色物質(zhì)對(duì)實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。其主反應(yīng)為：

葡萄糖與新制氫氧化銅在實(shí)驗(yàn)加熱過程中會(huì)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(jiǎn)稱5-HMF（），5-HMF還會(huì)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(duì)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(huì)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(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)，盡可能避免干擾。

關(guān)于該實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)研究曾有一些報(bào)道[2，3]，但這些研究?jī)H僅是對(duì)各反應(yīng)物濃度或溫度進(jìn)行優(yōu)化，由于對(duì)有機(jī)反應(yīng)復(fù)雜性的認(rèn)識(shí)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(duì)葡萄糖與新制氫氧化銅反應(yīng)實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)改進(jìn)思路和方案，展開實(shí)驗(yàn)改進(jìn)研究。

1 主、副反應(yīng)在加熱過程中的特征

實(shí)驗(yàn)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(jì)，然后在一定溫度的水浴中加熱（用50mL燒杯裝水，插入溫度計(jì)，首先將水加熱到設(shè)定溫度），當(dāng)試管中溫度計(jì)達(dá)到設(shè)定溫度時(shí)，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(duì)多少及加熱過程中的顏色變化。改變?cè)O(shè)定溫度，重復(fù)上述實(shí)驗(yàn)，并記錄于表1。

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

實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)1的結(jié)果表明，葡萄糖與新制氫氧化銅在常溫22℃時(shí)看不到Cu2O生成，30℃時(shí)能看到極少量的Cu2O生成，但在50℃時(shí)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(shí)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(shí)驗(yàn)1及實(shí)驗(yàn)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(shí)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(shí)驗(yàn)結(jié)果，該實(shí)驗(yàn)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(shí)，氫氧化銅快速溶解，形成藍(lán)色溶液;當(dāng)加熱溫度到50℃時(shí)，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(shí)，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(shí)，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(jìng)爭(zhēng)中，主反應(yīng)更快。

2 改進(jìn)實(shí)驗(yàn)的思路

實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)中，按照反應(yīng)計(jì)量關(guān)系，相對(duì)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(shì)必發(fā)生實(shí)驗(yàn)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(jì)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(jìng)爭(zhēng)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(shí)驗(yàn)帶來了可能性。

氫氧化鈉在實(shí)驗(yàn)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(shí)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(shí)驗(yàn)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(jì)量反應(yīng)水平。

需要說明的是，在降低葡萄糖用量的同時(shí)，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(shì)必使實(shí)驗(yàn)操作復(fù)雜化。

葡萄糖溶液用量的設(shè)計(jì)是，首先確定主反應(yīng)剛好按計(jì)量關(guān)系反應(yīng)時(shí)，葡萄糖溶液的滴加量，設(shè)計(jì)為4滴（按0.05mL/滴計(jì)），這樣的體積用量使得操作更為簡(jiǎn)便，然后計(jì)算剛好按計(jì)量關(guān)系反應(yīng)時(shí)，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(shí)驗(yàn)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(yàn)，并將試驗(yàn)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(shí)，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(shí)驗(yàn)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(shí)，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(shí)，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(huì)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(shí)驗(yàn)方案、優(yōu)勢(shì)及注意事項(xiàng)

（1） 實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。

（2） 優(yōu)勢(shì)：避免了副反應(yīng)產(chǎn)生的有色物質(zhì)對(duì)實(shí)驗(yàn)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?jī)H為教科書實(shí)驗(yàn)用量的0.9%。

（3） 注意事項(xiàng)：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(duì)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(guó)校外教育，2015，（4）：122.

[2]保志華. 葡萄糖的檢驗(yàn)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(yàn)的最佳方案實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)的研究[J]. 化學(xué)教育，1997，（7）：37～39.