葡萄糖與新制氫氧化銅反應(yīng)實(shí)驗(yàn)兩個疑難問題探究

封享華 丁世敏 馬霈

摘要：通過實(shí)驗(yàn)探究葡萄糖與新制氫氧化銅反應(yīng)中顏色變化的成因，并對實(shí)驗(yàn)中產(chǎn)生的黑色物質(zhì)作了鑒定。探究結(jié)果表明：葡萄糖與新制氫氧化銅反應(yīng)過程中的顏色變化是各主副反應(yīng)中產(chǎn)生的多種有色物質(zhì)，在濃度變化過程中所表現(xiàn)出來的綜合結(jié)果，副反應(yīng)產(chǎn)生的有色物質(zhì)嚴(yán)重干擾了對Cu2O的觀察;黑色副產(chǎn)物為單質(zhì)銅。

關(guān)鍵詞：葡萄糖; 新制氫氧化銅; 實(shí)驗(yàn)探究; XRD分析

文章編號：1005-6629（2020）09-0073-03

中圖分類號：G633.8

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

葡萄糖溶液與新制氫氧化銅反應(yīng)的實(shí)驗(yàn)，在加熱過程中溶液會出現(xiàn)從藍(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)，而且看不到明顯的磚紅色沉淀。實(shí)驗(yàn)的顏色變化如何解釋？黑色物質(zhì)是什么？這是困擾中學(xué)教師多年的問題。

關(guān)于顏色變化，張金才[1]文章中提到綠色濁液的產(chǎn)生是氫氧化銅溶液加熱時產(chǎn)生的一種黃色物質(zhì)和原溶液的藍(lán)色復(fù)合而成的，而趙國良[2]認(rèn)為實(shí)驗(yàn)過程中出現(xiàn)的綠色是由黃色的氫氧化亞銅和藍(lán)色的氫氧化銅混合而產(chǎn)生的。關(guān)于黑色物質(zhì)，保志華[3]、楊淑梅[4]等人認(rèn)為是單質(zhì)Cu，理由是該反應(yīng)中會產(chǎn)生大量還原性很強(qiáng)的H-，H-不僅可以把Cu（Ⅱ）還原為Cu（Ⅰ），還可以進(jìn)一步將Cu（Ⅰ）還原為單質(zhì)Cu。于洪超[5]等人認(rèn)為是CuO，CuO的產(chǎn)生是Cu（OH）2受熱分解所致。筆者認(rèn)為，這些判斷都僅僅源自于理論分析，沒有實(shí)驗(yàn)佐證，不足為據(jù)。

1?葡萄糖與新制氫氧化銅反應(yīng)實(shí)驗(yàn)顏色變化的成因

葡萄糖與新制氫氧化銅反應(yīng)的實(shí)驗(yàn)方法采用的是人教版教科書實(shí)驗(yàn)方案：取約2g葡萄糖固體加入盛有5mL水的試管中，充分溶解，加入2mL 10%的氫氧化鈉溶液，滴加5滴5%的硫酸銅溶液，加熱至沸騰，觀察并記錄現(xiàn)象。表1是該反應(yīng)的對照實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

表1中的實(shí)驗(yàn)1至實(shí)驗(yàn)5的實(shí)驗(yàn)結(jié)果符合認(rèn)知預(yù)期[實(shí)驗(yàn)3中硫酸銅溶液顏色由藍(lán)色變?yōu)樗{(lán)綠色是Cu（Ⅱ）水解程度加大的結(jié)果]，而實(shí)驗(yàn)6中葡萄糖與氫氧化鈉混合加熱會發(fā)生反應(yīng)，而且伴隨著從無色→黃色→磚紅色→棕色的顏色變化，這往往是沒有想到的。有文獻(xiàn)表明[6]，葡萄糖與氫氧化鈉反應(yīng)經(jīng)歷了如下的反應(yīng)過程：葡萄糖在堿的作用下易發(fā)生差向異構(gòu)化，轉(zhuǎn)變?yōu)殒溞谓Y(jié)構(gòu)烯醇化的烯二醇中間體，然后生成甘露糖、果糖等物質(zhì)。部分還會繼續(xù)脫水形成5-羥甲基糠醛，簡稱5-HMF（），它是一種暗黃色針狀晶體。5-HMF還會繼續(xù)聚合成一種樹脂狀的有色物質(zhì)。反應(yīng)過程中從無色→黃→磚紅→棕的顏色變化是由于5-HMF的生成，產(chǎn)生了黃色，隨著溫度的升高，5-HMF相互聚合產(chǎn)生樹脂狀物質(zhì)，且隨聚合度的升高，顏色加深。

葡萄糖與新制氫氧化銅反應(yīng)的主反應(yīng)可表示為：

按照實(shí)驗(yàn)中的反應(yīng)計(jì)量關(guān)系，相對于硫酸銅用量來說，實(shí)驗(yàn)7中的NaOH的投加量過量了約25倍，葡萄糖過量了約282倍，因此，葡萄糖與新制氫氧化銅反應(yīng)的實(shí)驗(yàn)中不僅存在生成Cu2O的主反應(yīng)，還大量存在著NaOH與葡萄糖之間發(fā)生的副反應(yīng)。實(shí)驗(yàn)7的結(jié)果還表明，葡萄糖和新制氫氧化銅反應(yīng)的產(chǎn)物中還存在黑色的固體物質(zhì)。

因此，實(shí)驗(yàn)7所呈現(xiàn)的顏色變化：藍(lán)→黃綠→黃→橙→棕→深棕，是主副反應(yīng)產(chǎn)生的多種有色物質(zhì)，在濃度變化過程中所表現(xiàn)出來的綜合結(jié)果。反應(yīng)之初的藍(lán)色溶液是氫氧化銅快速溶解到葡萄糖溶液的結(jié)果，黃綠色則是藍(lán)色溶液與5-HMF的混合顏色，隨著Cu（Ⅱ）的消耗，黃綠色不再存在，有色物質(zhì)主要以Cu2O與5-HMF混合表現(xiàn)出來的的黃色為主，隨著溫度的升高，Cu2O、樹脂狀物質(zhì)及黑色固體的增多，顏色逐漸加深，產(chǎn)生橙→棕→深棕的變化。

顯然，5-HMF、樹脂狀物質(zhì)及黑色物質(zhì)的生成，特別是NaOH與葡萄糖之間發(fā)生的副反應(yīng)也會出現(xiàn)磚紅色濁液，嚴(yán)重干擾了實(shí)驗(yàn)中對Cu2O磚紅色的觀察，甚至在過濾后的濾紙上也觀察不到磚紅色，這嚴(yán)重影響了學(xué)生的認(rèn)知，筆者認(rèn)為，教科書上的實(shí)驗(yàn)方法是不科學(xué)的，有待改進(jìn)。

2?黑色物質(zhì)的測定分析

實(shí)驗(yàn)8：將實(shí)驗(yàn)7中所得的濾紙上的黑色物質(zhì)，用蒸餾水沖洗，再滴加6mol/L HCl到濾紙上與黑色物質(zhì)反應(yīng)。并用相當(dāng)量的試劑CuO及Cu2O代替黑色物質(zhì)做對照實(shí)驗(yàn)。

實(shí)驗(yàn)8發(fā)現(xiàn)，葡萄糖和新制氫氧化銅實(shí)驗(yàn)得到的黑色物質(zhì)，與6mol/L HCl的反應(yīng)非常緩慢，需要大約40min后才能消失（單質(zhì)Cu能與高濃度鹽酸緩慢反應(yīng)），而CuO及Cu2O的對照實(shí)驗(yàn)，CuO及Cu2O數(shù)秒內(nèi)即消失，初步表明，黑色物質(zhì)不是CuO，可能是單質(zhì)Cu。

實(shí)驗(yàn)9：在250mL燒杯中，加入40mL 10%的氫氧化鈉溶液，滴加5mL 5%的硫酸銅溶液，得到含氫氧化鈉的氫氧化銅懸濁液。加入400g/L的葡萄糖溶液100mL，用電爐加熱至剛沸，冷卻至室溫，重復(fù)該實(shí)驗(yàn)2次，將3次產(chǎn)物一起抽濾，洗滌（直至濾液無硫酸根檢出）。濾紙上固體自然風(fēng)干，刮下固體，用于X射線衍射物相分析（結(jié)果如圖1所示）。

圖1的X射線衍射物相分析中可以觀察到結(jié)晶態(tài)Cu和Cu2O的特征衍射譜，并無結(jié)晶態(tài)CuO存在，說明黑色物質(zhì)是單質(zhì)Cu。

實(shí)驗(yàn)10：將實(shí)驗(yàn)7中的濾液用原子吸收分光光度法檢測Cu元素的含量。

實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)在濾液中檢測不到Cu元素的存在，因此，葡萄糖與新制氫氧化銅反應(yīng)后的Cu元素只能以固態(tài)存在。

實(shí)驗(yàn)11：用極少量Cu2O固體代替硫酸銅溶液，重復(fù)實(shí)驗(yàn)4、實(shí)驗(yàn)5、實(shí)驗(yàn)7。

實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，單一的氫氧化鈉溶液或單一的葡萄糖溶液并不能夠改變Cu2O固體的磚紅色外觀顏色，但在氫氧化鈉和葡萄糖共同存在下，磚紅色轉(zhuǎn)變?yōu)楹谏砻鰿u2O能在堿性條件下被葡萄糖還原為單質(zhì)Cu。

按照文獻(xiàn)[7]的觀點(diǎn)，葡萄糖對氫氧化銅的還原本質(zhì)上是H-對Cu（OH）2的還原，因此，有理由認(rèn)為，單質(zhì)Cu的生成，也是H-對Cu2O還原的結(jié)果。

3?結(jié)論與建議

（1） 葡萄糖與新制氫氧化銅反應(yīng)過程中的顏色變化是各主副反應(yīng)產(chǎn)生的多種有色物質(zhì)，在濃度變化過程中所表現(xiàn)出來的綜合結(jié)果。葡萄糖與新制氫氧化銅反應(yīng)過程中的副產(chǎn)物5-HMF、樹脂狀物質(zhì)及黑色單質(zhì)Cu，嚴(yán)重干擾了實(shí)驗(yàn)中對Cu2O磚紅色的觀察。

（2） 黑色產(chǎn)物為單質(zhì)銅，沒有氧化銅存在。

（3） 建議對葡萄糖與新制氫氧化銅反應(yīng)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行研究改進(jìn)，盡可能避免副產(chǎn)物對實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的干擾影響。

參考文獻(xiàn)：

[1]張金才. 葡萄糖與新制氫氧化銅反應(yīng)實(shí)驗(yàn)的問題探究[J]. 實(shí)驗(yàn)教學(xué)與儀器， 2010， （4）：27～28.

[2]趙國良. 乙醛與氫氧化銅反應(yīng)中的異常現(xiàn)象[J]. 實(shí)驗(yàn)教學(xué)與儀器， 2000， （9）：33.

[3]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.

[4]楊淑梅. 對乙醛還原氫氧化銅實(shí)驗(yàn)的探討[J]. 化學(xué)工程與裝備， 2010， （7）：33.

[5]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.

[6]劉巨英. 淺析葡萄糖與氫氧化銅反應(yīng)的變化現(xiàn)象[J]. 中國校外教育， 2015， （4）：122.

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