葡萄糖与新制氢氧化铜反应实验两个疑难问题探究

封享华 丁世敏 马霈

摘要：通过实验探究葡萄糖与新制氢氧化铜反应中颜色变化的成因，并对实验中产生的黑色物质作了鉴定。探究结果表明：葡萄糖与新制氢氧化铜反应过程中的颜色变化是各主副反应中产生的多种有色物质，在浓度变化过程中所表现出来的综合结果，副反应产生的有色物质严重干扰了对Cu2O的观察;黑色副产物为单质铜。

关键词：葡萄糖; 新制氢氧化铜; 实验探究; XRD分析

文章编号：1005-6629（2020）09-0073-03

中图分类号：G633.8

文献标识码：B

葡萄糖溶液与新制氢氧化铜反应的实验，在加热过程中溶液会出现从蓝→黄绿→黄→砖红→深棕的颜色变化，沉淀产物中出现黑色物质，而且看不到明显的砖红色沉淀。实验的颜色变化如何解释？黑色物质是什么？这是困扰中学教师多年的问题。

关于颜色变化，张金才[1]文章中提到绿色浊液的产生是氢氧化铜溶液加热时产生的一种黄色物质和原溶液的蓝色复合而成的，而赵国良[2]认为实验过程中出现的绿色是由黄色的氢氧化亚铜和蓝色的氢氧化铜混合而产生的。关于黑色物质，保志华[3]、杨淑梅[4]等人认为是单质Cu，理由是该反应中会产生大量还原性很强的H-，H-不仅可以把Cu（Ⅱ）还原为Cu（Ⅰ），还可以进一步将Cu（Ⅰ）还原为单质Cu。于洪超[5]等人认为是CuO，CuO的产生是Cu（OH）2受热分解所致。笔者认为，这些判断都仅仅源自于理论分析，没有实验佐证，不足为据。

1 葡萄糖与新制氢氧化铜反应实验颜色变化的成因

葡萄糖与新制氢氧化铜反应的实验方法采用的是人教版教科书实验方案：取约2g葡萄糖固体加入盛有5mL水的试管中，充分溶解，加入2mL 10%的氢氧化钠溶液，滴加5滴5%的硫酸铜溶液，加热至沸腾，观察并记录现象。表1是该反应的对照实验结果。

表1中的实验1至实验5的实验结果符合认知预期[实验3中硫酸铜溶液颜色由蓝色变为蓝绿色是Cu（Ⅱ）水解程度加大的结果]，而实验6中葡萄糖与氢氧化钠混合加热会发生反应，而且伴随着从无色→黄色→砖红色→棕色的颜色变化，这往往是没有想到的。有文献表明[6]，葡萄糖与氢氧化钠反应经历了如下的反应过程：葡萄糖在碱的作用下易发生差向异构化，转变为链形结构烯醇化的烯二醇中间体，然后生成甘露糖、果糖等物质。部分还会继续脱水形成5-羟甲基糠醛，简称5-HMF（），它是一种暗黄色针状晶体。5-HMF还会继续聚合成一种树脂状的有色物质。反应过程中从无色→黄→砖红→棕的颜色变化是由于5-HMF的生成，产生了黄色，随着温度的升高，5-HMF相互聚合产生树脂状物质，且随聚合度的升高，颜色加深。

葡萄糖与新制氢氧化铜反应的主反应可表示为：

按照实验中的反应计量关系，相对于硫酸铜用量来说，实验7中的NaOH的投加量过量了约25倍，葡萄糖过量了约282倍，因此，葡萄糖与新制氢氧化铜反应的实验中不仅存在生成Cu2O的主反应，还大量存在着NaOH与葡萄糖之间发生的副反应。实验7的结果还表明，葡萄糖和新制氢氧化铜反应的产物中还存在黑色的固体物质。

因此，实验7所呈现的颜色变化：蓝→黄绿→黄→橙→棕→深棕，是主副反应产生的多种有色物质，在浓度变化过程中所表现出来的综合结果。反应之初的蓝色溶液是氢氧化铜快速溶解到葡萄糖溶液的结果，黄绿色则是蓝色溶液与5-HMF的混合颜色，随着Cu（Ⅱ）的消耗，黄绿色不再存在，有色物质主要以Cu2O与5-HMF混合表现出来的的黄色为主，随着温度的升高，Cu2O、树脂状物质及黑色固体的增多，颜色逐渐加深，产生橙→棕→深棕的变化。

显然，5-HMF、树脂状物质及黑色物质的生成，特别是NaOH与葡萄糖之间发生的副反应也会出现砖红色浊液，严重干扰了实验中对Cu2O砖红色的观察，甚至在过滤后的滤纸上也观察不到砖红色，这严重影响了学生的认知，笔者认为，教科书上的实验方法是不科学的，有待改进。

2 黑色物质的测定分析

实验8：将实验7中所得的滤纸上的黑色物质，用蒸馏水冲洗，再滴加6mol/L HCl到滤纸上与黑色物质反应。并用相当量的试剂CuO及Cu2O代替黑色物质做对照实验。

实验8发现，葡萄糖和新制氢氧化铜实验得到的黑色物质，与6mol/L HCl的反应非常缓慢，需要大约40min后才能消失（单质Cu能与高浓度盐酸缓慢反应），而CuO及Cu2O的对照实验，CuO及Cu2O数秒内即消失，初步表明，黑色物质不是CuO，可能是单质Cu。

实验9：在250mL烧杯中，加入40mL 10%的氢氧化钠溶液，滴加5mL 5%的硫酸铜溶液，得到含氢氧化钠的氢氧化铜悬浊液。加入400g/L的葡萄糖溶液100mL，用电炉加热至刚沸，冷却至室温，重复该实验2次，将3次产物一起抽滤，洗涤（直至滤液无硫酸根检出）。滤纸上固体自然风干，刮下固体，用于X射线衍射物相分析（结果如图1所示）。

图1的X射线衍射物相分析中可以观察到结晶态Cu和Cu2O的特征衍射谱，并无结晶态CuO存在，说明黑色物质是单质Cu。

实验10：将实验7中的滤液用原子吸收分光光度法检测Cu元素的含量。

实验发现在滤液中检测不到Cu元素的存在，因此，葡萄糖与新制氢氧化铜反应后的Cu元素只能以固态存在。

实验11：用极少量Cu2O固体代替硫酸铜溶液，重复实验4、实验5、实验7。

实验发现，单一的氢氧化钠溶液或单一的葡萄糖溶液并不能够改变Cu2O固体的砖红色外观颜色，但在氢氧化钠和葡萄糖共同存在下，砖红色转变为黑色，表明Cu2O能在碱性条件下被葡萄糖还原为单质Cu。

按照文献[7]的观点，葡萄糖对氢氧化铜的还原本质上是H-对Cu（OH）2的还原，因此，有理由认为，单质Cu的生成，也是H-对Cu2O还原的结果。

3 结论与建议

（1） 葡萄糖与新制氢氧化铜反应过程中的颜色变化是各主副反应产生的多种有色物质，在浓度变化过程中所表现出来的综合结果。葡萄糖与新制氢氧化铜反应过程中的副产物5-HMF、树脂状物质及黑色單质Cu，严重干扰了实验中对Cu2O砖红色的观察。

（2） 黑色产物为单质铜，没有氧化铜存在。

（3） 建议对葡萄糖与新制氢氧化铜反应实验进行研究改进，尽可能避免副产物对实验现象的干扰影响。

参考文献：

[1]张金才. 葡萄糖与新制氢氧化铜反应实验的问题探究[J]. 实验教学与仪器， 2010， （4）：27～28.

[2]赵国良. 乙醛与氢氧化铜反应中的异常现象[J]. 实验教学与仪器， 2000， （9）：33.

[3]保志华. 葡萄糖的检验中试剂用量及相关探讨[J]. 云南医药， 2014， （3）：382.

[4]杨淑梅. 对乙醛还原氢氧化铜实验的探讨[J]. 化学工程与装备， 2010， （7）：33.

[5]于洪超. 葡萄糖检验的最佳方案实验探究[J]. 化学教与学， 2011， （2）：76.

[6]刘巨英. 浅析葡萄糖与氢氧化铜反应的变化现象[J]. 中国校外教育， 2015， （4）：122.

[7]纪贵川. 关于乙醛还原Cu（OH）2实验的研究[J]. 化学教育， 1997， （7）：37～39.