對菲林試劑檢驗還原糖實驗常見問題的討論

魏植槐　顧秀秀

對菲林試劑檢驗還原糖實驗常見問題的討論

魏植槐顧秀秀

一、實驗概述

人教版《生物(必修一)》中提及，菲林試劑由甲液(質量濃度為0.1g/mL的NaOH溶液)和乙液(質量濃度為0.05 g/mL的CuSO4溶液)等量混合均勻而成，檢驗還原糖時必須現配現用。實驗時待測組織樣液為2 mL，菲林試劑為1 mL，在50℃～60℃溫水中加熱約2 min即可得到磚紅色沉淀[1]。

二、相關問題討論

1.菲林試劑為什么要現配現用？能否靜置一段時間后再使用？

實際上，菲林試劑并非需要現配現用。有研究者取久置一周的菲林試劑的上層清液與還原糖反應，依舊能得到磚紅色沉淀，現象明顯[2]。另外，文獻[3]指出，高濃度的葡萄糖溶液能溶解Cu(OH)2沉淀，之后加熱，同樣可得到磚紅色沉淀；然而此種方法存在弊端：加熱過程中Cu(OH)2會析出，繼而分解產生黑色CuO，掩蓋實驗現象的同時阻斷反應?？傊?，現階段教材強調菲林試劑需要現配現用并不準確。

教材之所以依舊強調現配現用，一是科學教育相關內容存在滯后性，二是受限于學生現階段的認知水平。為了符合學生的認知規律，教材對這一方面的內容模糊處理，符合發展性教學原則，具有合理性。但是作為教師，則必須明白個中緣由。

(1)菲林試劑中與還原糖反應的有效成分是什么？為什么？

配置菲林試劑時要求NaOH過量，這是因為新生成的Cu(OH)2沉淀能進一步和OH—絡合，生成[Cu(OH)4]2—，反應方程式為：Cu(OH)2+2OH—=[Cu(OH)4]2—。[Cu(OH)4]2—氧化還原糖，生成磚紅色沉淀，其反應方程式如下：

由于K[Cu(OH)4]2—=3×10-23，所以絡合物[Cu(OH)4]2—非常穩定，保證了還原糖的氧化反應為均相反應，速度快，現象明顯。

(2)Cu2+或者Cu(OH)2不能直接與還原糖發生氧化還原反應嗎？

Cu2+在水溶液中會發生水解，只存在于偏酸性環境下。從電極電位看：

由電極電位可知，此時SO42—起氧化作用，因此，Cu2+不是有效成分[4]。而φθCu(OH)2/Cu2O=—0.080 V，即Cu2+的氧化能力比Cu(OH)2強，所以Cu(OH)2也不是有效成分。綜上，Cu2+和Cu(OH)2由于氧化能力不夠，無法氧化還原糖。

2.為什么要保證在堿性環境下反應？還原糖被氧化的機理是什么？

文獻[5]、文獻[6]指出，決定還原糖的氧化過程是糖的烯醇化(以葡萄糖為例，轉化過程如圖1所示)，即還原糖在堿性條件下轉化為烯二醇負離子，再被[Cu(OH)4]2-中的Cu2+氧化成羧酸(反應機理如圖2所示)，烯醇化速率越快，反應越容易進行。

圖1　葡萄糖的烯醇化

圖2　烯二醇負離子與［Cu（OH）4］2－的反應機理

綜上，堿性條件能確保還原糖烯醇化成為烯二醇負離子，也確保了[Cu(OH)4]2—的穩定存在。而從生成物的角度，由于Cu2O在偏酸性條件下會迅速發生歧化反應，生成Cu2+和金屬Cu，因此也要求體系是堿性環境。

3.什么是還原糖？果糖為什么也屬于還原糖？

從字面上理解，還原糖是具有還原性的糖類。由以上分析可知，能發生烯醇化，即含有醛基或者羰基的單糖，均屬于還原糖。另外，含醛基或羰基的二糖也屬于還原糖。

葡萄糖與果糖在堿性環境下可以相互轉化(如圖3所示)。堿性的環境下，果糖也可以發生烯醇化，且速率遠大于葡萄糖的烯醇化速率[5,6]，因此能與菲林試劑發生反應生成磚紅色沉淀。這也佐證了NaOH過量有利于還原糖的檢測的觀點。

圖3　葡萄糖與果糖之間的相互轉化

4.為什么要使用水浴加熱

筆者通過多次實驗發現，有兩種情況，直接在酒精燈外焰上加熱也能成功。一種是加大還原糖的濃度并在加熱前不斷振蕩，使反應物混合均勻；另一種是在教材原有基礎上，使NaOH大大過量。第一種的實驗重復率不高，不時會出現黑色沉淀；而第二種則能穩定看到磚紅色沉淀。第一種情況是因為高濃度的還原糖能溶解Cu(OH)2，然而強加熱的條件下容易析出Cu(OH)2固體，繼而分解產生CuO[3]。第二種情況是因為NaOH大大過量，溶液中的Cu(OH)2全部轉化為[Cu(OH)4]2—，有較高的熱穩定性，保證了反應的順利進行。

教材之所以強調水浴加熱，是因為所用NaOH不僅濃度較低，量也偏小，Cu(OH)2固體依舊存在于體系中，此時使用水浴加熱，較為溫和，能有效避免受熱不均帶來的氫氧化銅分解，防止出現黑色的CuO。另外，按照教材所給的量而言，水浴加熱能提高實驗的成功率，具有非常好的重復性，能保證中學課堂實驗的高效進行。那為什么有時候加熱無法得到磚紅色沉淀，也沒有黑色的CuO沉淀生成？

當所用NaOH的量較少時，會發生以下反應：

Cu2(OH)2SO4的熱穩定性高，水浴加熱條件下不易發生分解，也不與還原糖反應。在這種情況下，可以判定試驗所加NaOH的量不足，或者是試劑已經變質了。

三、實驗改進建議

根據反應機理，只要保證還原糖烯醇化的正常進行以及[Cu(OH)4]2—的存在，實驗就能順利進行。為了保證實驗具有較高的重復率，建議在確保試劑不變質的條件下，加大堿和還原糖的用量。另外，為了保證反應平穩進行且受熱均勻，建議使用沸水浴加熱。

[1] 人民教育出版社生物室.全國普通高級中學教科書生物1冊[M]:北京:人民教育出版社,2003.

[2] 楊曉東.新制氫氧化銅若干問題的探究[J].化學教學,2012(9):53-55.

[3] 段昌平.細說氫氧化銅與新制氫氧化銅[J].化學教育,2010,31(12):76-77.

[4] 張應紅.新制氫氧化銅與乙醛反應的再研究[J].化學教育,2007(8):51-52.

[5] 張殷全.還原糖試驗與烯醇化的關系[J].大學化學,1990,5(6):11-13.

[6] 楊旭東.為什么果糖比葡萄糖的銀鏡反應速率快[J].化學教學,2006(6):63-64.

魏植槐，在讀碩士研究生，中教二級。新疆烏魯木齊市第一中學，830002

顧秀秀，在讀碩士研究生，中教二級。新疆師范大學附屬中學，830000