對菲林試劑檢驗還原糖實驗常見問題的討論

魏植槐　顧秀秀

對菲林試劑檢驗還原糖實驗常見問題的討論

魏植槐顧秀秀

一、實驗概述

人教版《生物(必修一)》中提及，菲林試劑由甲液(質(zhì)量濃度為0.1g/mL的NaOH溶液)和乙液(質(zhì)量濃度為0.05 g/mL的CuSO4溶液)等量混合均勻而成，檢驗還原糖時必須現(xiàn)配現(xiàn)用。實驗時待測組織樣液為2 mL，菲林試劑為1 mL，在50℃～60℃溫水中加熱約2 min即可得到磚紅色沉淀[1]。

二、相關(guān)問題討論

1.菲林試劑為什么要現(xiàn)配現(xiàn)用？能否靜置一段時間后再使用？

實際上，菲林試劑并非需要現(xiàn)配現(xiàn)用。有研究者取久置一周的菲林試劑的上層清液與還原糖反應(yīng)，依舊能得到磚紅色沉淀，現(xiàn)象明顯[2]。另外，文獻(xiàn)[3]指出，高濃度的葡萄糖溶液能溶解Cu(OH)2沉淀，之后加熱，同樣可得到磚紅色沉淀；然而此種方法存在弊端：加熱過程中Cu(OH)2會析出，繼而分解產(chǎn)生黑色CuO，掩蓋實驗現(xiàn)象的同時阻斷反應(yīng)?？傊?，現(xiàn)階段教材強調(diào)菲林試劑需要現(xiàn)配現(xiàn)用并不準(zhǔn)確。

教材之所以依舊強調(diào)現(xiàn)配現(xiàn)用，一是科學(xué)教育相關(guān)內(nèi)容存在滯后性，二是受限于學(xué)生現(xiàn)階段的認(rèn)知水平。為了符合學(xué)生的認(rèn)知規(guī)律，教材對這一方面的內(nèi)容模糊處理，符合發(fā)展性教學(xué)原則，具有合理性。但是作為教師，則必須明白個中緣由。

(1)菲林試劑中與還原糖反應(yīng)的有效成分是什么？為什么？

配置菲林試劑時要求NaOH過量，這是因為新生成的Cu(OH)2沉淀能進(jìn)一步和OH—絡(luò)合，生成[Cu(OH)4]2—，反應(yīng)方程式為：Cu(OH)2+2OH—=[Cu(OH)4]2—。[Cu(OH)4]2—氧化還原糖，生成磚紅色沉淀，其反應(yīng)方程式如下：

由于K[Cu(OH)4]2—=3×10-23，所以絡(luò)合物[Cu(OH)4]2—非常穩(wěn)定，保證了還原糖的氧化反應(yīng)為均相反應(yīng)，速度快，現(xiàn)象明顯。

(2)Cu2+或者Cu(OH)2不能直接與還原糖發(fā)生氧化還原反應(yīng)嗎？

Cu2+在水溶液中會發(fā)生水解，只存在于偏酸性環(huán)境下。從電極電位看：

由電極電位可知，此時SO42—起氧化作用，因此，Cu2+不是有效成分[4]。而φθCu(OH)2/Cu2O=—0.080 V，即Cu2+的氧化能力比Cu(OH)2強，所以Cu(OH)2也不是有效成分。綜上，Cu2+和Cu(OH)2由于氧化能力不夠，無法氧化還原糖。

2.為什么要保證在堿性環(huán)境下反應(yīng)？還原糖被氧化的機理是什么？

文獻(xiàn)[5]、文獻(xiàn)[6]指出，決定還原糖的氧化過程是糖的烯醇化(以葡萄糖為例，轉(zhuǎn)化過程如圖1所示)，即還原糖在堿性條件下轉(zhuǎn)化為烯二醇負(fù)離子，再被[Cu(OH)4]2-中的Cu2+氧化成羧酸(反應(yīng)機理如圖2所示)，烯醇化速率越快，反應(yīng)越容易進(jìn)行。

圖1　葡萄糖的烯醇化

圖2　烯二醇負(fù)離子與［Cu（OH）4］2－的反應(yīng)機理

綜上，堿性條件能確保還原糖烯醇化成為烯二醇負(fù)離子，也確保了[Cu(OH)4]2—的穩(wěn)定存在。而從生成物的角度，由于Cu2O在偏酸性條件下會迅速發(fā)生歧化反應(yīng)，生成Cu2+和金屬Cu，因此也要求體系是堿性環(huán)境。

3.什么是還原糖？果糖為什么也屬于還原糖？

從字面上理解，還原糖是具有還原性的糖類。由以上分析可知，能發(fā)生烯醇化，即含有醛基或者羰基的單糖，均屬于還原糖。另外，含醛基或羰基的二糖也屬于還原糖。

葡萄糖與果糖在堿性環(huán)境下可以相互轉(zhuǎn)化(如圖3所示)。堿性的環(huán)境下，果糖也可以發(fā)生烯醇化，且速率遠(yuǎn)大于葡萄糖的烯醇化速率[5,6]，因此能與菲林試劑發(fā)生反應(yīng)生成磚紅色沉淀。這也佐證了NaOH過量有利于還原糖的檢測的觀點。

圖3　葡萄糖與果糖之間的相互轉(zhuǎn)化

4.為什么要使用水浴加熱

筆者通過多次實驗發(fā)現(xiàn)，有兩種情況，直接在酒精燈外焰上加熱也能成功。一種是加大還原糖的濃度并在加熱前不斷振蕩，使反應(yīng)物混合均勻；另一種是在教材原有基礎(chǔ)上，使NaOH大大過量。第一種的實驗重復(fù)率不高，不時會出現(xiàn)黑色沉淀；而第二種則能穩(wěn)定看到磚紅色沉淀。第一種情況是因為高濃度的還原糖能溶解Cu(OH)2，然而強加熱的條件下容易析出Cu(OH)2固體，繼而分解產(chǎn)生CuO[3]。第二種情況是因為NaOH大大過量，溶液中的Cu(OH)2全部轉(zhuǎn)化為[Cu(OH)4]2—，有較高的熱穩(wěn)定性，保證了反應(yīng)的順利進(jìn)行。

教材之所以強調(diào)水浴加熱，是因為所用NaOH不僅濃度較低，量也偏小，Cu(OH)2固體依舊存在于體系中，此時使用水浴加熱，較為溫和，能有效避免受熱不均帶來的氫氧化銅分解，防止出現(xiàn)黑色的CuO。另外，按照教材所給的量而言，水浴加熱能提高實驗的成功率，具有非常好的重復(fù)性，能保證中學(xué)課堂實驗的高效進(jìn)行。那為什么有時候加熱無法得到磚紅色沉淀，也沒有黑色的CuO沉淀生成？

當(dāng)所用NaOH的量較少時，會發(fā)生以下反應(yīng)：

Cu2(OH)2SO4的熱穩(wěn)定性高，水浴加熱條件下不易發(fā)生分解，也不與還原糖反應(yīng)。在這種情況下，可以判定試驗所加NaOH的量不足，或者是試劑已經(jīng)變質(zhì)了。

三、實驗改進(jìn)建議

根據(jù)反應(yīng)機理，只要保證還原糖烯醇化的正常進(jìn)行以及[Cu(OH)4]2—的存在，實驗就能順利進(jìn)行。為了保證實驗具有較高的重復(fù)率，建議在確保試劑不變質(zhì)的條件下，加大堿和還原糖的用量。另外，為了保證反應(yīng)平穩(wěn)進(jìn)行且受熱均勻，建議使用沸水浴加熱。

[1] 人民教育出版社生物室.全國普通高級中學(xué)教科書生物1冊[M]:北京:人民教育出版社,2003.

[2] 楊曉東.新制氫氧化銅若干問題的探究[J].化學(xué)教學(xué),2012(9):53-55.

[3] 段昌平.細(xì)說氫氧化銅與新制氫氧化銅[J].化學(xué)教育,2010,31(12):76-77.

[4] 張應(yīng)紅.新制氫氧化銅與乙醛反應(yīng)的再研究[J].化學(xué)教育,2007(8):51-52.

[5] 張殷全.還原糖試驗與烯醇化的關(guān)系[J].大學(xué)化學(xué),1990,5(6):11-13.

[6] 楊旭東.為什么果糖比葡萄糖的銀鏡反應(yīng)速率快[J].化學(xué)教學(xué),2006(6):63-64.

魏植槐，在讀碩士研究生，中教二級。新疆烏魯木齊市第一中學(xué)，830002

顧秀秀，在讀碩士研究生，中教二級。新疆師范大學(xué)附屬中學(xué)，830000