纤维素水解实验背后的化学思想

张俊丽

【摘 要】纤维素水解实验是高中化学教学课程中一个十分重要的化学演示实验。该实验以其特殊的化学现象不仅能够增强学生对于化学学习的兴趣，在其背后更体现出了一些重要的化学思想。在本文中，作者从高中化学的纤维素水解实验入手，简单介绍了实验的过程，并对实验背后体现的重要化学思想进行了阐述，希望通过此文能够对广大高中生的化学学科的学习提供一定的帮助。

【关键词】纤维素；水解；化学思想

一、前言

纤维素，英文名称为cellulose，是一种由葡萄糖组成的大分子多糖，属于天然高分子化合物，是植物細胞壁的主要成分。溶解性质表现为不溶于水及一般有机溶剂。纤维素在自然界分布十分广泛，占植物界碳含量的50%以上，大量存在于木材、棉花、麻、麦秆、稻草、甘蔗渣等之中。

纤维素不溶于水和一般的化学试剂，但在特定的条件下可以发生水解生成葡萄糖，这一性质正是高中化学纤维素水解实验的基础。高中化学纤维素水解实验以滤纸为纤维素来源，以硫酸为催化剂，以一定的温度为化学反应条件，以氢氧化铜和银氨溶液为检测手段，组成了一个完整的水解+检测的化学实验。该实验因涉及到浓硫酸的稀释、氢氧化铜的变色和银镜反应的发生，可以极大地激发学生对于化学的学习兴趣，其背后所蕴含的化学思想对于学生今后在化学学科的继续学习发挥了积极地作用。

二、实验内容

1.纤维素的水解

（1）配制成20ml的浓度为70%的硫酸溶液置于50ml的玻璃烧杯中。混合过程中将浓硫酸缓慢倒入水中并且不停地搅拌，完成后，静置使其冷却。

（2）取一小块滤纸，撕碎后向小烧杯中一边加一边用玻璃棒搅拌，溶液将缓慢的变成无色透明状液体，然后将烧杯放入水浴中加热10min，直到溶液显现出棕黄色为止。

（3）将该棕黄色液体倾倒入另一盛有约20ml蒸馏水的烧杯中。取1ml混合液，注入一大试管中，加入适量的固体NaOH，直到溶液的pH值到达3-5之间，再加Na2CO3调节溶液pH值至9。

2.纤维素水解产物的检验

三、结果分析

葡萄糖的分子结构式如下图所示，在整个碳链的端部有一个醛基，使得葡萄糖有了一定的还原性，因此银镜反应和氧化亚铜实验就成了检验葡萄糖的定性试验。

纤维素的水解产物是否就是葡萄糖，这个问题就可以根据其水解产物是否能够在上面两个反应中起到作用。经过上面两个实验的现象，可以断定实验中的来源于滤纸的纤维素经过硫酸的处理发生水解，并且水解产物中存在具有还原性的葡萄糖。

四、实验思想

结构决定性质，这是化学领域的一个最基本的思想。以纤维素为例，它是一种天然的高分子材料。纤维素的形成大多在植物中进行，植物通过光合作用产生碳水化合物的糖类，这些糖类通过彼此间的脱水而形成纤维素。从葡萄糖到纤维素，结构上的变化导致了其性质上的截然不同。比如其溶解性的变化，葡萄糖在水中溶解性良好，而纤维素是不溶于水的。

纤维素的结构与性质的关系体现在下面两个方面：

1.原子排列影响物质化学性质

纤维素由葡萄糖分子间脱水形成，在脱水的过程中，葡萄糖分子中的醛基结构受到破坏，使物质的化学还原性消失，因此，直接用纤维素来还原银离子和铜离子是做不到的。从原子排列的角度来讲，组成醛基的碳氧双键易极化导致碳原子带正电性，碳氢键易断裂从而变现为一定的还原性。一旦经过脱水缩合反应，碳氢键中的氢被另一个氧原子代替，醛基变为糖苷键，而糖苷键是不具备以上还原性的。因此，原子的变化和原子结构排列的变化使得物质失去了还原性，也就是说，原子排列影响物质的化学性质。

2.分子结构影响物理性质

纤维素分子呈丝状，这是葡萄糖分子头-尾结合产生的结果。这些丝状物因为排列整齐而极易结晶，从而形成规则的晶体，往往表现为纤维状晶体，而纤维状晶体的强度较强，从宏观材料的角度来看就是纤维素材料强度较高。纤维素分子由葡萄糖分子脱水缩合而成，其脱水过程中虽然醛基结构遭到破坏，但是纤维素却完整的继承了葡萄糖分子中的羟基。这些羟基中的氢原子们可以被看做一个个裸露的质子。在这种情况下，一个氧原子连接质子很容易和另外一个氧化子相互吸引发生作用从而在分子间形成氢键。同一个纤维素分子上的两个羟基间生成的氢键被称为分子内氢键，分子内氢键使得分子的旋转难度增加，外在表现为材料刚度的较大。

能量决定化学反应能否进行，这是化学领域另一个重要的思想。化学反应与能量的关系如下面描述。

有机物分子通常是各种原子通过共价键的形式结合起来的，比如纤维素和葡萄糖都是碳氢氧三种元素组成。有机分子在反应的时候。化学键的断裂与形成是化学反应的实质。一个反应能否进行，除了物质的分子结构因素以外，一个重要的影响因素就是能量，体现在反应条件中就是反应温度。当然，某些化学反应也可以由激光、磁场、光照等代替加热完成实验。但归根结底都是为了能够达到旧键断裂和新键形成的目的。从实验中可以看到，虽然葡萄糖具有了还原性的醛基，但是在低温下仍然无法还原银离子和铜离子，只有当温度上升，达到旧键断裂的临界点，反应才能发生。了解了各种物质的特性，反应能否发生，什么温度发生，这一临界点是可以通过计算精确地算出来的，这就是化学本质和规律的体现。

五、总结

课堂演示实验对于高中化学学科而言十分重要，他不仅能够提升同学们对于化学的学习兴趣，更有利于学生对于化学思想的掌握。纤维素的水解实验是一个很基础的有机化学实验，通过此实验，不仅可以掌握一定的有机化学知识，更能从深层次了解到物质结构决定性质、化学反应条件的本质等。希望通过本篇论文，可以对广大高中化学老师和学生起到积极地作用。

参考文献：

[1]罗德高.谈淀粉及纤维素的水解.广西右江民族师范高等专科学校学报1999（07）

[2]陈少康.纤维素水解实验探讨.中学化学教学参考.1995（12）

[3]姜锋、马丁等.酸性离子液中纤维素的水解.催化学报.2009（4）