内容发布更新时间 : 2024/5/9 9:18:14星期一 下面是文章的全部内容请认真阅读。
纤维素的水解
孟娟
2012级化学3班14组 41207149
一、实验目的
1. 掌握纤维素水解实验的操作技能和演示方法； 2. 掌握银氨溶液配制的原理和方法；
3. 熟练浓硫酸的稀释过程，并巩固其过程中的安全问题； 4. 复习含有醛基的有机物的性质。
二、实验原理
纤维素是自然界分布最广、含量最多的一种多糖，有8000至10000个葡萄糖残基通过β-1,4-糖苷键连接而成。天然纤维素为无臭、无味的白色丝状物。纤维素在水中有高度的不溶性，同时也不溶于稀酸、稀碱和有机溶剂，主要的生物学功能是构成植物的支持组织。其结构式如下：
纤维素在一定温度和酸性催化剂条件下，会发生水解，最终生成葡萄糖：
H+
（C6H10O5)n + nH2O === nC6H12O6
△
纤维素 葡萄糖
葡萄糖分子中含有醛基，故具有较强的还原性，在碱性条件下能将新制氢氧化铜还原为红色的氧化亚铜沉淀，还能和银氨溶液发生银镜反应。通过这两个反应可以验证纤维素已水解为葡萄糖了。
C6H12O6 + 2Cu(OH)2 + NaOH → C5H11O5COONa + Cu2O↓ + 3H2O 葡萄糖
葡萄糖
△
C6H12O6+2Ag(NH3)2OH C5H11O5COONH4+2Ag↓+3NH3+H2O
水浴加热
三、实验仪器与药品
烧杯，试管，试管夹，酒精灯，玻璃棒，；
滤纸，浓H2SO4，NaOH固体，5%NaOH溶液，pH试纸，无水Na2CO3，2%AgNO3溶液，5%CuSO4溶液，2%氨水，蒸馏水。
四、实验内容
1. 纤维素的水解：
（1）按浓H2SO4与水7:3的体积比配制H2SO4溶液20mL于50mL的烧杯中，放置一会儿，使其稍微冷却。
（2）取1/4张滤纸，撕碎，向小烧杯中边加边用玻璃棒搅拌，使其变为无色粘稠状的液体，然后将烧杯放入水浴（用250mL烧杯代替水浴锅）中加热约10min，直到溶液显棕黄色为止。
（3）取出小烧杯，冷却后将该棕黄色液体倾入另一盛有约20mL蒸馏水的烧杯中。取1mL混合液，注入一大试管中，加入适量固体NaOH，直到溶液pH在3-4之间，再加Na2CO3调节溶液的pH至9-11之间。 2. 纤维素水解产物葡萄糖的检验：
（1）洗干净试管，配制银氨溶液。如果试管很脏，洗不干净，可先用沸腾的碱液洗去油污，再用沸腾的酸液洗去无机盐，最后用蒸馏水冲洗干净.银氨溶液的配制是本次实验的难点。取3胶头滴管的2%AgNO3溶液滴入试管，将2%氨水逐滴加入AgNO3溶液中，现象是先出现棕黄色沉淀，生成的AgOH不稳定分解成Ag2O的颜色。后来沉淀逐渐消失。当沉淀正好消失时，就是我们要的银氨溶液。（不能往氨水里加AgNO3，不仅操作不规范，而且氨水过量会生成AgN3，易爆炸，有安全隐患。）配制银氨溶液的过程中发生的反应为：
AgNO3 + NH3·H2O === AgOH↓ + NH4NO3
2AgOH=Ag2O+H2O
AgOH + 2NH3·H2O === Ag(NH3)2OH + H2O
（2）将3中溶液取2-3mL滴加到盛有银氨溶液的试管里，水浴加热，管壁附积一层银镜。
C6H12O6+2Ag(NH3)2OH C5H11O5COONH4+2Ag↓+3NH3+H2O
葡萄糖
水浴加热
（3）配制新制Cu(OH)2溶液，取1胶头滴管的CuSO4溶液加入一干净试管中，加5%NaOH溶液，直至溶液pH为>11。取3中溶液2-3mL于新制
的Cu(OH)2试管中，酒精灯上加热，可见到砖红色沉淀Cu2O生成。 C6H12O6 + 2Cu(OH)2 + NaOH → C5H11O5COONa + Cu2O↓ + 3H2O
葡萄糖
五、注意事项
1. 整个实验所用之水均为蒸馏水，以免引起副反应而干扰银镜反应。 2. 酸性水解所用H2SO4的浓度过大，易使纤维素脱水炭化而致使溶液变黑，浓度过小，水解度又不够，实验证明H2SO4溶液的质量分数以70%为宜。 3. 银氨溶液的pH=9，新制Cu(OH)2悬浊液的pH>11，是实验成功的保证。 4. 加入碎纸片时，H2SO4溶液的温度不能太高，否则也会发生炭化。 5. 做银镜实验时，试管要洁净。
6. 银镜实验中，有可能产生黑色的银单质，此时的银单质是纳米级别的银单质，故不会发出金属光泽。
7. 加入的氨水要适量。氨水的浓度不能太大，滴加氨水的速度一定要缓慢，否则氨水容易过量。氨水过量会降低试剂的灵敏度，且容易生成爆炸性物质AgN?。
8. Cu(OH)2一定要是新配制的，否则会影响试验现象，得不到砖红色沉淀或得到很少的沉淀。
9. 银氨溶液只能临时配制，不能久置。如果久置会析出Ag3N等爆炸性沉淀物。这些沉淀物即使用玻璃棒摩擦也会分解而发生猛烈爆炸。所以，实验完毕应立即将试管内的废液倾去，用稀硝酸溶解管壁上的银镜，然后用水将试管冲洗干净。
10. 浓硫酸易腐蚀，所以实验过程中一定要戴手套。
11. 在配制银氨溶液时，如果试管很脏，洗不干净，可先用沸腾的碱液洗去油污，再用沸腾的酸液洗去无机盐，最后用蒸馏水冲洗干净。
12. 在配制银氨溶液时，当沉淀正好消失时，就是我们要的银氨溶液。这时不能往氨水里加AgNO3，不仅操作不规范，而且氨水过量会生成AgN3，易爆炸，有安全隐患。
六、实验反思
1. 教师在做演示实验时，事先要做充分的准备，演示过程中充分利用空闲时间。
2. 演示实验避免不了有各种突发情况，所以在面对突发情况时，要学会灵活补救。
3. 教师在做演示实验时，可以穿插讲一部分课外知识，开阔学生的视野，
增加学生学习的乐趣。
4. 本实验中，课后的改进实验有待于进一步进行验证是否可行。
七、相关文献与重点文献综述
纤维素的水解实验是高中化学的比较重要的演示实验，对引导学生学习对纤维素水解产物的检验、对还原性糖的性质具有重要的意义。现行高中化学新教材 第二册教师演示实验和学生分组实验中,都是通过水解产物能使新制的氢氧化铜变成绛蓝色溶液、混合物经加热后有红色沉淀生成,来证明纤维素水解最终产物是葡萄糖[1]但是此实验的结果所受影响较多，操作讲究，是一个比较难做的实验，如果按照课本上的来进行，时间比较长，不仅影响课堂效率，还有可能达不到预期的效果而影响上课的质量，所以，对此实验进行了许多的探讨和研究。 1. 以正交法进行探究[2]。
在对纤维素水解产物进行检验时，常采用两种方法，一种是在碱性条件下将新制得的氢氧化铜还原为砖红色的Cu2O沉淀；另一个则是和银氨溶液发生银镜反应。但是由于纤维素的水解所需时间较长，生成的银镜质量不高，实验效果不佳，因此在进行对纤维素水解的探究时，常以银镜反应结果作为实验指标，采用正交试验法探讨纤维素水解的最佳实验条件，以达到较好的银镜生成效果。
①以形成光亮的银镜作为试验指标，对银镜光亮程度进行评分，将定性指标转化为定量指标。选取影响纤维素水解的因素，用L12（211）因素水平表进行实验。从实验中根据极查值选出4个影响本实验的主要因素，再设计为三水平做进一步探讨。得到主→次：水浴温度→纤维素用量→纤维素水解方式→纤维素用量。得出的最佳实验条件为：用脱脂棉。纤维素用量0.05g，在烧杯中水解，水浴温度为100℃。此实验操作简单，银镜效果好，重复性好，成功率100％，实验全过程为7-8分钟。
②以形成光亮的银镜作为试验指标，通过实践经验和相关论文[3]，找出认为影响较大的三个方面确定水平因素表，L12（211））正交试验，根据评分规则，对水平因素表中的各个因素打分，然后从最重要的影响因素纤维素的水解中选取3个因素，影响银镜反应的因素中选取1个因素，得出关系主→次：纤维素用量→纤维素水解方式→水浴温度→硫酸浓度。得出最佳实验条件为：银镜反应的水浴温度为90 ℃ ， 纤维素水解方式为烧杯 + 玻棒，纤维素用量为3 g，硫酸浓度为 74%。
③以形成光亮的银镜作为试验指标，查阅有关资料和实验基础上总结归纳出13个影响因素，再根据实验对于13个因素加以分析比较以便好中优选，其中水解液固定不过滤，初步实验为十一因素二水平，采用L12（211）正交试验→做四
因素三水平正交实验→L9(24)正交实验，得出关系主→次：硫酸浓度→纤维素类型→纤维素用量→水浴温度，得出最佳实验条件为，用脱脂棉纤维素用量为0.3g，硫酸浓度为70%，水浴温度为95℃。
虽然试验指标相同，采用L12（211）正交试验，但是由于实验过程不相同，即对最终确定的影响较大的实验因素以及进一步的实验过程不同，得出的实验因素的主次关系也不同，还需要我们亲自再去探究验证。 2. 控制变量法探究
先定好已定条件，比如：纤维素水解产物的药品用量，硫酸浓度，水浴停止时间，以试管内混合物呈浅黄色粘稠液体为准[4]。接着定好待定条件，首先进行水浴温度的探究，只改变温度，接着探究滤纸的用量，反应后的中和处理条件，最终得到结论为：1cm 滤纸片 5 片 ,70% H 2 SO 4 1mL, 水浴温度 70 ℃ , 稀释用水 3mL, 浓度 10% 和 30% 的 NaOH 溶液 , 酚酞指示剂[5]。
3. 准确判断碱化水解液的碱化终点也是一个比较重要的因素，在上述提到过1.可以用酚酞作指示剂。2.根据颜色的突变来掌握，随着中和过程的不断进行，溶液颜色的变化应该是：亮棕色—浅棕色—棕色[6]。
4. 总结：(1)影响纤维素水解的因素很多，主要的有纤维素的类型、用量，硫酸的浓度，水浴的温度[7]。正交试验法与控制变量法相比，能在很多的因素中找出主要的因素，并且能同时得出几个主要因素的条件，而控制变量法则需要在大量的理论和自己的经验上去确定因素，并且需要一个一个因素的进行探究，可能试验的总体过程会带来更大的误差，选定的主要因素没有正交法来的可信。(2)细节决定成败，①在进行氢氧化钠中和到PH=9时[8]，特别注意不仅是通过PH试纸来确定是否中和到所要的程度，更要借助更明显的方法，保证演示实验的成功。②不仅是药品影响实验，注意实验仪器也会影响实验结果[9]，用作银镜反应的试管的洗涤 最好向试管中注入 1/3 体积的 10% 的氢氧化钠溶液，煮沸 1 ～ 2 min ， 倒入另一待洗的试管中，然后用水冲洗干净。再用质量分数为 10% 的盐酸煮沸 1 ～ 2 min ，用水冲洗干净，即可使用 。
八、参考文献
[1] 人民教育出版社化学室,全日制普通高级中学化学第二册[M].北京:人民教育出版 社,2006:236-237.
[2] Benski,H.C.Use of a Normality Test to Identify Significant Effects in Fac- torial Designs[J]. Journal of Quality Technology,1989(21):174-178.
[3] 卫子光.化学实验设计与研究[M].天津:南开大学出版社,2000:3-11,84-88. [4]陈红,纤维素水解实验的改进[J].化学教育,1997,（5）：33-33.
[5]纪文惠,冯登超,纤维素水解的最佳实验方法研究[J].中国科教创新导刊, 2008,（32）:93-94.
[6]刘庆文,纤维素水解最佳条件探索[J].创新技术, 2011,（2）：38-40.
[7]李娟, 正交设计探究纤维素水解最佳实验条件[J].昌吉学院学报, 2006, （1）：105-108. [8]张忠云, “纤维素水解”实验最佳条件的确定[J].教学仪器与实验, 2001, 17（3）:10-11. [9]万中尧, 突破纤维素水解的技术难点[J].化学教育, 2001, （11）: 38-38.