張俊麗
【摘 要】纖維素水解實驗是高中化學(xué)教學(xué)課程中一個十分重要的化學(xué)演示實驗。該實驗以其特殊的化學(xué)現(xiàn)象不僅能夠增強學(xué)生對于化學(xué)學(xué)習(xí)的興趣,在其背后更體現(xiàn)出了一些重要的化學(xué)思想。在本文中,作者從高中化學(xué)的纖維素水解實驗入手,簡單介紹了實驗的過程,并對實驗背后體現(xiàn)的重要化學(xué)思想進行了闡述,希望通過此文能夠?qū)V大高中生的化學(xué)學(xué)科的學(xué)習(xí)提供一定的幫助。
【關(guān)鍵詞】纖維素;水解;化學(xué)思想
一、前言
纖維素,英文名稱為cellulose,是一種由葡萄糖組成的大分子多糖,屬于天然高分子化合物,是植物細胞壁的主要成分。溶解性質(zhì)表現(xiàn)為不溶于水及一般有機溶劑。纖維素在自然界分布十分廣泛,占植物界碳含量的50%以上,大量存在于木材、棉花、麻、麥稈、稻草、甘蔗渣等之中。
纖維素不溶于水和一般的化學(xué)試劑,但在特定的條件下可以發(fā)生水解生成葡萄糖,這一性質(zhì)正是高中化學(xué)纖維素水解實驗的基礎(chǔ)。高中化學(xué)纖維素水解實驗以濾紙為纖維素來源,以硫酸為催化劑,以一定的溫度為化學(xué)反應(yīng)條件,以氫氧化銅和銀氨溶液為檢測手段,組成了一個完整的水解+檢測的化學(xué)實驗。該實驗因涉及到濃硫酸的稀釋、氫氧化銅的變色和銀鏡反應(yīng)的發(fā)生,可以極大地激發(fā)學(xué)生對于化學(xué)的學(xué)習(xí)興趣,其背后所蘊含的化學(xué)思想對于學(xué)生今后在化學(xué)學(xué)科的繼續(xù)學(xué)習(xí)發(fā)揮了積極地作用。
二、實驗內(nèi)容
1.纖維素的水解
(1)配制成20ml的濃度為70%的硫酸溶液置于50ml的玻璃燒杯中?;旌线^程中將濃硫酸緩慢倒入水中并且不停地攪拌,完成后,靜置使其冷卻。
(2)取一小塊濾紙,撕碎后向小燒杯中一邊加一邊用玻璃棒攪拌,溶液將緩慢的變成無色透明狀液體,然后將燒杯放入水浴中加熱10min,直到溶液顯現(xiàn)出棕黃色為止。
(3)將該棕黃色液體傾倒入另一盛有約20ml蒸餾水的燒杯中。取1ml混合液,注入一大試管中,加入適量的固體NaOH,直到溶液的pH值到達3-5之間,再加Na2CO3調(diào)節(jié)溶液pH值至9。
2.纖維素水解產(chǎn)物的檢驗
三、結(jié)果分析
葡萄糖的分子結(jié)構(gòu)式如下圖所示,在整個碳鏈的端部有一個醛基,使得葡萄糖有了一定的還原性,因此銀鏡反應(yīng)和氧化亞銅實驗就成了檢驗葡萄糖的定性試驗。
纖維素的水解產(chǎn)物是否就是葡萄糖,這個問題就可以根據(jù)其水解產(chǎn)物是否能夠在上面兩個反應(yīng)中起到作用。經(jīng)過上面兩個實驗的現(xiàn)象,可以斷定實驗中的來源于濾紙的纖維素經(jīng)過硫酸的處理發(fā)生水解,并且水解產(chǎn)物中存在具有還原性的葡萄糖。
四、實驗思想
結(jié)構(gòu)決定性質(zhì),這是化學(xué)領(lǐng)域的一個最基本的思想。以纖維素為例,它是一種天然的高分子材料。纖維素的形成大多在植物中進行,植物通過光合作用產(chǎn)生碳水化合物的糖類,這些糖類通過彼此間的脫水而形成纖維素。從葡萄糖到纖維素,結(jié)構(gòu)上的變化導(dǎo)致了其性質(zhì)上的截然不同。比如其溶解性的變化,葡萄糖在水中溶解性良好,而纖維素是不溶于水的。
纖維素的結(jié)構(gòu)與性質(zhì)的關(guān)系體現(xiàn)在下面兩個方面:
1.原子排列影響物質(zhì)化學(xué)性質(zhì)
纖維素由葡萄糖分子間脫水形成,在脫水的過程中,葡萄糖分子中的醛基結(jié)構(gòu)受到破壞,使物質(zhì)的化學(xué)還原性消失,因此,直接用纖維素來還原銀離子和銅離子是做不到的。從原子排列的角度來講,組成醛基的碳氧雙鍵易極化導(dǎo)致碳原子帶正電性,碳氫鍵易斷裂從而變現(xiàn)為一定的還原性。一旦經(jīng)過脫水縮合反應(yīng),碳氫鍵中的氫被另一個氧原子代替,醛基變?yōu)樘擒真I,而糖苷鍵是不具備以上還原性的。因此,原子的變化和原子結(jié)構(gòu)排列的變化使得物質(zhì)失去了還原性,也就是說,原子排列影響物質(zhì)的化學(xué)性質(zhì)。
2.分子結(jié)構(gòu)影響物理性質(zhì)
纖維素分子呈絲狀,這是葡萄糖分子頭-尾結(jié)合產(chǎn)生的結(jié)果。這些絲狀物因為排列整齊而極易結(jié)晶,從而形成規(guī)則的晶體,往往表現(xiàn)為纖維狀晶體,而纖維狀晶體的強度較強,從宏觀材料的角度來看就是纖維素材料強度較高。纖維素分子由葡萄糖分子脫水縮合而成,其脫水過程中雖然醛基結(jié)構(gòu)遭到破壞,但是纖維素卻完整的繼承了葡萄糖分子中的羥基。這些羥基中的氫原子們可以被看做一個個裸露的質(zhì)子。在這種情況下,一個氧原子連接質(zhì)子很容易和另外一個氧化子相互吸引發(fā)生作用從而在分子間形成氫鍵。同一個纖維素分子上的兩個羥基間生成的氫鍵被稱為分子內(nèi)氫鍵,分子內(nèi)氫鍵使得分子的旋轉(zhuǎn)難度增加,外在表現(xiàn)為材料剛度的較大。
能量決定化學(xué)反應(yīng)能否進行,這是化學(xué)領(lǐng)域另一個重要的思想?;瘜W(xué)反應(yīng)與能量的關(guān)系如下面描述。
有機物分子通常是各種原子通過共價鍵的形式結(jié)合起來的,比如纖維素和葡萄糖都是碳氫氧三種元素組成。有機分子在反應(yīng)的時候。化學(xué)鍵的斷裂與形成是化學(xué)反應(yīng)的實質(zhì)。一個反應(yīng)能否進行,除了物質(zhì)的分子結(jié)構(gòu)因素以外,一個重要的影響因素就是能量,體現(xiàn)在反應(yīng)條件中就是反應(yīng)溫度。當然,某些化學(xué)反應(yīng)也可以由激光、磁場、光照等代替加熱完成實驗。但歸根結(jié)底都是為了能夠達到舊鍵斷裂和新鍵形成的目的。從實驗中可以看到,雖然葡萄糖具有了還原性的醛基,但是在低溫下仍然無法還原銀離子和銅離子,只有當溫度上升,達到舊鍵斷裂的臨界點,反應(yīng)才能發(fā)生。了解了各種物質(zhì)的特性,反應(yīng)能否發(fā)生,什么溫度發(fā)生,這一臨界點是可以通過計算精確地算出來的,這就是化學(xué)本質(zhì)和規(guī)律的體現(xiàn)。
五、總結(jié)
課堂演示實驗對于高中化學(xué)學(xué)科而言十分重要,他不僅能夠提升同學(xué)們對于化學(xué)的學(xué)習(xí)興趣,更有利于學(xué)生對于化學(xué)思想的掌握。纖維素的水解實驗是一個很基礎(chǔ)的有機化學(xué)實驗,通過此實驗,不僅可以掌握一定的有機化學(xué)知識,更能從深層次了解到物質(zhì)結(jié)構(gòu)決定性質(zhì)、化學(xué)反應(yīng)條件的本質(zhì)等。希望通過本篇論文,可以對廣大高中化學(xué)老師和學(xué)生起到積極地作用。
參考文獻:
[1]羅德高.談淀粉及纖維素的水解.廣西右江民族師范高等??茖W(xué)校學(xué)報1999(07)
[2]陳少康.纖維素水解實驗探討.中學(xué)化學(xué)教學(xué)參考.1995(12)
[3]姜鋒、馬丁等.酸性離子液中纖維素的水解.催化學(xué)報.2009(4)