葡萄糖與新制氫氧化銅反應實驗改進

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實驗主副反應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%，設計一套實驗改進方案。研究結果表明：主副反應的競爭中，主反應更快;改進后的實驗避免了副反應產生的有色物質對實驗現象的干擾;反應后溶液透明無色，Cu2O磚紅色懸浮顆粒清晰可見。

關鍵詞：葡萄糖;氫氧化銅;實驗改進

蘇教版高中必修《化學2》中，葡萄糖與新制氫氧化銅反應的實驗方法為：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，觀察并記錄實驗現象。其主反應為：

葡萄糖與新制氫氧化銅在實驗加熱過程中會出現藍—黃綠—黃—磚紅—深棕的顏色變化，沉淀產物中出現黑色物質。黃色物質是葡萄糖與氫氧化鈉經歷復雜的反應過程生成的5-羥甲基糠醛，簡稱5-HMF（），5-HMF還會繼續聚合成一種樹脂狀的有色物質，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，黑色物質是單質銅。顯然5-HMF、樹脂狀有色物質以及黑色單質銅等的存在，嚴重干擾了對磚紅色Cu2O的觀察，更為嚴重的是，葡萄糖在堿的溶液中加熱至沸，也會出現顏色從無色—黃—磚紅—棕色的變化，因此，無法認定磚紅色物質就是Cu2O，即教科書實驗存在嚴重的顏色干擾問題。本課題研究的目的是改進實驗，盡可能避免干擾。

關于該實驗的改進研究曾有一些報道[2，3]，但這些研究僅僅是對各反應物濃度或溫度進行優化，由于對有機反應復雜性的認識不足，沒有更好地把握反應過程的特征，因而優化帶有盲目性，優化的結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實驗中的主、副反應在加熱過程中的特征進行研究，然后依據其“特征”提出實驗改進思路和方案，展開實驗改進研究。

1 主、副反應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，首先將水加熱到設定溫度），當試管中溫度計達到設定溫度時，停止加熱，取出試管冷卻，過濾，洗滌（直至無硫酸根檢出），觀察濾紙上沉淀數量的相對多少及加熱過程中的顏色變化。改變設定溫度，重復上述實驗，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，重復實驗1，實驗結果記錄于表1。

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

實驗1的結果表明，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溫度于68℃以下來避免單質Cu的生成。

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

綜合上述實驗結果，該實驗的反應可歸納為如下特征：

當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，形成藍色溶液;當加熱溫度到50℃時，生成Cu2O的主反應已基本完成，而生成黃色物質5-HMF的副反應少量發生。加熱溫度在50～68℃時，黃色物質5-HMF快速而大量生成;當加熱溫度在68℃以上時，Cu2O開始被還原為Cu，5-HMF發生聚合反應生成樹脂狀有色物質增多，顏色加深。主、副反應的競爭中，主反應更快。

2 改進實驗的思路

實驗的改進無非是避免或盡可能減少副產物5-HMF、樹脂狀有色物質以及黑色單質銅的生成。在教科書實驗中，按照反應計量關系，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生實驗2的副反應，生成大量副產物。從理論上講，降低葡萄糖和氫氧化鈉用量到計量反應水平，都有利于降低副產物，并且主反應與副反應在相互競爭中副反應更慢。這為通過降低葡萄糖和氫氧化鈉的投加量從而改進實驗帶來了可能性。

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生成碳負離子，再進一步生成H-，進而實現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，不利于主反應的發生。硫酸銅的投加量，主要影響的是主產物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，通過降低反應溫度至50℃左右，進一步減少副產物生成，也是思路之一，但加熱方式的改變，勢必使實驗操作復雜化。

葡萄糖溶液用量的設計是，首先確定主反應剛好按計量關系反應時，葡萄糖溶液的滴加量，設計為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系反應時，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

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，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，重復試驗，并將試驗結果記錄于表2。

表2的數據表明，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，導致固體產物中夾雜藍色固體，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。

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

4 改進后的實驗方案、優勢及注意事項

（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，觀察并記錄實驗現象。

（2） 優勢：避免了副反應產生的有色物質對實驗現象的干擾，加熱過程中的顏色僅僅是藍—淺藍—磚紅色的變化，Cu2O磚紅色懸浮顆粒清晰可見;大大節約了葡萄糖的用量，改進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，殘留藍色固體，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確。

參考文獻：

[1]劉巨英. 淺析葡萄糖與氫氧化銅反應的變化現象[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探討[J]. 云南醫藥，2014，（3）：382.

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

[4]紀貴川. 關于乙醛還原Cu（OH）2實驗的研究[J]. 化學教育，1997，（7）：37～39.