封享華 丁世敏 馬霈

摘要：通過實驗探究葡萄糖與新制氫氧化銅反應中顏色變化的成因，并對實驗中產(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過程中的顏色變化是各主副反應中產(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，副反應產(chǎn)生的有色物質(zhì)嚴重干擾了對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; 實驗探究; XRD分析

文章編號：1005-6629（2020）09-0073-03

中圖分類號：G633.8

文獻標識碼：B

葡萄糖溶液與新制氫氧化銅反應的實驗，在加熱過程中溶液會出現(xiàn)從藍→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。實驗的顏色變化如何解釋？黑色物質(zhì)是什么？這是困擾中學教師多年的問題。

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)和原溶液的藍色復合而成的，而趙國良[2]認為實驗過程中出現(xiàn)的綠色是由黃色的氫氧化亞銅和藍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]等人認為是單質(zhì)Cu，理由是該反應中會產(chǎn)生大量還原性很強的H-，H-不僅可以把Cu（Ⅱ）還原為Cu（Ⅰ），還可以進一步將Cu（Ⅰ）還原為單質(zhì)Cu。于洪超[5]等人認為是CuO，CuO的產(chǎn)生是Cu（OH）2受熱分解所致。筆者認為，這些判斷都僅僅源自于理論分析，沒有實驗佐證，不足為據(jù)。

1?葡萄糖與新制氫氧化銅反應實驗顏色變化的成因

葡萄糖與新制氫氧化銅反應的實驗方法采用的是人教版教科書實驗方案：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是該反應的對照實驗結(jié)果。

表1中的實驗1至實驗5的實驗結(jié)果符合認知預期[實驗3中硫酸銅溶液顏色由藍色變?yōu)樗{綠色是Cu（Ⅱ）水解程度加大的結(jié)果]，而實驗6中葡萄糖與氫氧化鈉混合加熱會發(fā)生反應，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。有文獻表明[6]，葡萄糖與氫氧化鈉反應經(jīng)歷了如下的反應過程：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的主反應可表示為：

按照實驗中的反應計量關(guān)系，相對于硫酸銅用量來說，實驗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的實驗中不僅存在生成Cu2O的主反應，還大量存在著NaOH與葡萄糖之間發(fā)生的副反應。實驗7的結(jié)果還表明，葡萄糖和新制氫氧化銅反應的產(chǎn)物中還存在黑色的固體物質(zhì)。

因此，實驗7所呈現(xiàn)的顏色變化：藍→黃綠→黃→橙→棕→深棕，是主副反應產(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。反應之初的藍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)生的副反應也會出現(xiàn)磚紅色濁液，嚴重干擾了實驗中對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，這嚴重影響了學生的認知，筆者認為，教科書上的實驗方法是不科學的，有待改進。

2?黑色物質(zhì)的測定分析

實驗8：將實驗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。并用相當量的試劑CuO及Cu2O代替黑色物質(zhì)做對照實驗。

實驗8發(fā)現(xiàn)，葡萄糖和新制氫氧化銅實驗得到的黑色物質(zhì)，與6mol/L HCl的反應非常緩慢，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），而CuO及Cu2O的對照實驗，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。

實驗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，重復該實驗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。

實驗10：將實驗7中的濾液用原子吸收分光光度法檢測Cu元素的含量。

實驗發(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后的Cu元素只能以固態(tài)存在。

實驗11：用極少量Cu2O固體代替硫酸銅溶液，重復實驗4、實驗5、實驗7。

實驗發(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?，表明Cu2O能在堿性條件下被葡萄糖還原為單質(zhì)Cu。

按照文獻[7]的觀點，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過程中的顏色變化是各主副反應產(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過程中的副產(chǎn)物5-HMF、樹脂狀物質(zhì)及黑色單質(zhì)Cu，嚴重干擾了實驗中對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實驗進行研究改進，盡可能避免副產(chǎn)物對實驗現(xiàn)象的干擾影響。

參考文獻：

[1]張金才. 葡萄糖與新制氫氧化銅反應實驗的問題探究[J]. 實驗教學與儀器， 2010， （4）：27～28.

[2]趙國良. 乙醛與氫氧化銅反應中的異?，F(xiàn)象[J]. 實驗教學與儀器， 2000， （9）：33.

[3]保志華. 葡萄糖的檢驗中試劑用量及相關(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驗的探討[J]. 化學工程與裝備， 2010， （7）：33.

[5]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.

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

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