纖維素水解實驗背后的化學思想

張俊麗

【摘 要】纖維素水解實驗是高中化學教學課程中一個十分重要的化學演示實驗。該實驗以其特殊的化學現象不僅能夠增強學生對于化學學習的興趣，在其背后更體現出了一些重要的化學思想。在本文中，作者從高中化學的纖維素水解實驗入手，簡單介紹了實驗的過程，并對實驗背后體現的重要化學思想進行了闡述，希望通過此文能夠對廣大高中生的化學學科的學習提供一定的幫助。

【關鍵詞】纖維素；水解；化學思想

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。溶解性質表現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試劑，但在特定的條件下可以發生水解生成葡萄糖，這一性質正是高中化學纖維素水解實驗的基礎。高中化學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反應條件，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的發生，可以極大地激發學生對于化學的學習興趣，其背后所蘊含的化學思想對于學生今后在化學學科的繼續學習發揮了積極地作用。

二、實驗內容

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。混合過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調節溶液pH值至9。

2.纖維素水解產物的檢驗

三、結果分析

葡萄糖的分子結構式如下圖所示，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。

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

四、實驗思想

結構決定性質，這是化學領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，結構上的變化導致了其性質上的截然不同。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。

纖維素的結構與性質的關系體現在下面兩個方面：

1.原子排列影響物質化學性質

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構受到破壞，使物質的化學還原性消失，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致碳原子帶正電性，碳氫鍵易斷裂從而變現為一定的還原性。一旦經過脫水縮合反應，碳氫鍵中的氫被另一個氧原子代替，醛基變為糖苷鍵，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構排列的變化使得物質失去了還原性，也就是說，原子排列影響物質的化學性質。

2.分子結構影響物理性質

纖維素分子呈絲狀，這是葡萄糖分子頭-尾結合產生的結果。這些絲狀物因為排列整齊而極易結晶，從而形成規則的晶體，往往表現為纖維狀晶體，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構遭到破壞，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子。在這種情況下，一個氧原子連接質子很容易和另外一個氧化子相互吸引發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氫鍵，分子內氫鍵使得分子的旋轉難度增加，外在表現為材料剛度的較大。

能量決定化學反應能否進行，這是化學領域另一個重要的思想。化學反應與能量的關系如下面描述。

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。有機分子在反應的時候。化學鍵的斷裂與形成是化學反應的實質。一個反應能否進行，除了物質的分子結構因素以外，一個重要的影響因素就是能量，體現在反應條件中就是反應溫度。當然，某些化學反應也可以由激光、磁場、光照等代替加熱完成實驗。但歸根結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，反應才能發生。了解了各種物質的特性，反應能否發生，什么溫度發生，這一臨界點是可以通過計算精確地算出來的，這就是化學本質和規律的體現。

五、總結

課堂演示實驗對于高中化學學科而言十分重要，他不僅能夠提升同學們對于化學的學習興趣，更有利于學生對于化學思想的掌握。纖維素的水解實驗是一個很基礎的有機化學實驗，通過此實驗，不僅可以掌握一定的有機化學知識，更能從深層次了解到物質結構決定性質、化學反應條件的本質等。希望通過本篇論文，可以對廣大高中化學老師和學生起到積極地作用。

參考文獻：

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