葡萄糖与新制氢氧化铜反应实验改进
时间：2020-12-22 22:06:32 来源：达达文档网 本文已影响 人 
封享华 丁世敏 马霈 陈园
摘要：实验探究葡萄糖与新制氢氧化铜反应实验主副反应在加热过程中的特征，通过降低葡萄糖用量为教科书实验用量的0.89%，设计一套实验改进方案。研究结果表明：主副反应的竞争中，主反应更快;改进后的实验避免了副反应产生的有色物质对实验现象的干扰;反应后溶液透明无色，Cu2O砖红色悬浮颗粒清晰可见。
关键词：葡萄糖;氢氧化铜;实验改进
苏教版高中必修《化学2》中，葡萄糖与新制氢氧化铜反应的实验方法为：在洁净的试管中加入2mL 10%的氢氧化钠溶液，滴加4～5滴5%的硫酸铜溶液，得到含氢氧化钠的氢氧化铜悬浊液。加入2mL 10%的葡萄糖溶液，加热，观察并记录实验现象。其主反应为：
葡萄糖与新制氢氧化铜在实验加热过程中会出现蓝—黄绿—黄—砖红—深棕的颜色变化，沉淀产物中出现黑色物质。黄色物质是葡萄糖与氢氧化钠经历复杂的反应过程生成的5-羟甲基糠醛，简称5-HMF（），5-HMF还会继续聚合成一种树脂状的有色物质，且随着温度的升高，聚合度提高，颜色加深[1]。本课题组用X衍射物相分析证明，黑色物质是单质铜。显然5-HMF、树脂状有色物质以及黑色单质铜等的存在，严重干扰了对砖红色Cu2O的观察，更为严重的是，葡萄糖在碱的溶液中加热至沸，也会出现颜色从无色—黄—砖红—棕色的变化，因此，无法认定砖红色物质就是Cu2O，即教科书实验存在严重的颜色干扰问题。本课题研究的目的是改进实验，尽可能避免干扰。
关于该实验的改进研究曾有一些报道[2，3]，但这些研究仅仅是对各反应物浓度或温度进行优化，由于对有机反应复杂性的认识不足，没有更好地把握反应过程的特征，因而优化带有盲目性，优化的结果并没有解决各种颜色的干扰问题。本课题首先对葡萄糖与新制氢氧化铜反应实验中的主、副反应在加热过程中的特征进行研究，然后依据其“特征”提出实验改进思路和方案，展开实验改进研究。
1 主、副反应在加热过程中的特征
实验1（硫酸铜+氢氧化钠+葡萄糖）：在洁净的试管中加入2mL 10%的氢氧化钠溶液，滴加5滴5%的硫酸铜溶液，得到含氢氧化钠的氢氧化铜悬浊液。加入10%（m/V）的葡萄糖溶液2.0mL，并在试管中插入温度计，然后在一定温度的水浴中加热（用50mL烧杯装水，插入温度计，首先将水加热到设定温度），当试管中温度计达到设定温度时，停止加热，取出试管冷却，过滤，洗涤（直至无硫酸根检出），观察滤纸上沉淀数量的相对多少及加热过程中的颜色变化。改变设定温度，重复上述实验，并记录于表1。
实验2（氢氧化钠+葡萄糖）：将实验1中的5滴5%的硫酸铜改为5滴蒸馏水，重复实验1，实验结果记录于表1。
实验2的结果表明，葡萄糖与氢氧化钠生成副产物的反应在常温22℃就能发生，只是反应较缓慢，随着温度的升高，颜色加深，但在50℃及之前，颜色较浅，因此，副产物的大量生成是在50℃及之后。
实验1的结果表明，葡萄糖与新制氢氧化铜在常温22℃时看不到Cu2O生成，30℃时能看到极少量的Cu2O生成，但在50℃时就有大量Cu2O生成，温度继续升高，其沉淀量无显著变化，表明Cu2O的生成在50℃时就已基本完成。黑色Cu是在加热到68℃及以上才能观察到，并随温度的升高，黑色增多。这意味着可以通过降低反应温度于68℃以下来避免单质Cu的生成。
比较实验1及实验2，不难发现，葡萄糖与新制氢氧化铜生成Cu2O的主反应是在50℃时就已基本完成，而大量生成有色副产物是在50℃及之后。
综合上述实验结果，该实验的反应可归纳为如下特征：
当氢氧化铜悬浊液滴加到葡萄糖溶液中时，氢氧化铜快速溶解，形成蓝色溶液;当加热温度到50℃时，生成Cu2O的主反应已基本完成，而生成黄色物质5-HMF的副反应少量发生。加热温度在50～68℃时，黄色物质5-HMF快速而大量生成;当加热温度在68℃以上时，Cu2O开始被还原为Cu，5-HMF发生聚合反应生成树脂状有色物质增多，颜色加深。主、副反应的竞争中，主反应更快。
2 改进实验的思路
实验的改进无非是避免或尽可能减少副产物5-HMF、树脂状有色物质以及黑色单质铜的生成。在教科书实验中，按照反应计量关系，相对于硫酸铜投加量来说，葡萄糖投加量过量约140倍左右，氢氧化钠过量约126倍左右，过量的葡萄糖与过量的氢氧化钠，在加热过程中势必发生实验2的副反应，生成大量副产物。从理论上讲，降低葡萄糖和氢氧化钠用量到计量反应水平，都有利于降低副产物，并且主反应与副反应在相互竞争中副反应更慢。这为通过降低葡萄糖和氢氧化钠的投加量从而改进实验带来了可能性。
氫氧化钠在实验中的作用，一是与硫酸铜生成新制氢氧化铜，二是保证氢氧化钠高浓度下，OH-夺取醛中α-H生成碳负离子，再进一步生成H-，进而实现Cu（OH）2的还原[4]。因此，降低氢氧化钠投加量，必然降低葡萄糖的还原能力，不利于主反应的发生。硫酸铜的投加量，主要影响的是主产物Cu2O的多少，投加量太低，不便于砖红色Cu2O的生成与观察。所以，本实验改进的思路是，不改变氢氧化钠与硫酸铜的投加量，降低葡萄糖用量至计量反应水平。
需要说明的是，在降低葡萄糖用量的同时，通过降低反应温度至50℃左右，进一步减少副产物生成，也是思路之一，但加热方式的改变，势必使实验操作复杂化。
葡萄糖溶液用量的设计是，首先确定主反应刚好按计量关系反应时，葡萄糖溶液的滴加量，设计为4滴（按0.05mL/滴计），这样的体积用量使得操作更为简便，然后计算刚好按计量关系反应时，葡萄糖溶液所需浓度c（葡萄糖）=c[Cu（OH）2]×V[Cu（OH）2]/2V（葡萄糖）=3.5%（m/V）。
3 实验改进
在洁净的试管中加入2mL 10%的氢氧化钠溶液，滴加5滴5%的硫酸铜溶液，得到含氢氧化钠的氢氧化铜悬浊液。滴加一定量3.5%（m/V）的葡萄糖溶液，振荡溶解，加热至沸，观察溶液颜色变化及溶液中固体状态，冷却，过滤，观察滤纸上沉淀外观及滤液颜色。改变葡萄糖溶液滴加量，重复试验，并将试验结果记录于表2。
表2的数据表明，滴加2～4滴葡萄糖溶液时，葡萄糖不足，氢氧化铜不能完全溶解，导致固体产物中夹杂蓝色固体，影响实验观察。滴加6～8滴葡萄糖溶液可观察到明显的砖红色固体小颗粒悬浮于溶液中，但溶液呈黄色，影响观察，且葡萄糖滴加量越大，溶液黄色越深，影响越大。滴加12～16滴葡萄糖溶液时，不仅溶液有较深黄色，而且在悬浮颗粒中存在黑色。因此，葡萄糖溶液以滴加5滴为宜。此时，葡萄糖过量约25%，溶液无色透明，溶液中可见大量砖红色固体小颗粒悬浮物。
葡萄糖的适当过量，有利于快速溶解氢氧化铜，但过量程度过大，会导致有色物质大量生成，因此，过量25%左右比较恰当。
4 改进后的实验方案、优势及注意事项
（1） 实验方案：在洁净的试管中加入2mL 10%的氢氧化钠溶液，滴加5滴5%的硫酸铜溶液，得到含氢氧化钠的氢氧化铜悬浊液。加入5滴3.5%（m/V）的葡萄糖溶液，振荡，直至氢氧化铜固体完全溶解，加热，观察并记录实验现象。
（2） 优势：避免了副反应产生的有色物质对实验现象的干扰，加热过程中的颜色仅仅是蓝—浅蓝—砖红色的变化，Cu2O砖红色悬浮颗粒清晰可见;大大节约了葡萄糖的用量，改进后的葡萄糖用量仅为教科书实验用量的0.9%。
（3） 注意事项：①加热前一定要振荡溶液，使蓝色氢氧化铜固体完全溶解，然后再开始加热，不然，氢氧化铜固体在加热过程中难以全部反应，残留蓝色固体，影响对Cu2O砖红色的观察。②硫酸铜溶液和葡萄糖溶液配制的浓度一定要准确。
参考文献：
[1]刘巨英. 浅析葡萄糖与氢氧化铜反应的变化现象[J]. 中国校外教育，2015，（4）：122.
[2]保志华. 葡萄糖的检验中试剂用量及相关探讨[J]. 云南医药，2014，（3）：382.
[3]于洪超. 葡萄糖检验的最佳方案实验探究[J]. 化学教与学，2011，（2）：76.
[4]纪贵川. 关于乙醛还原Cu（OH）2实验的研究[J]. 化学教育，1997，（7）：37～39.
