对菲林试剂检验还原糖实验常见问题的讨论

魏植槐　顾秀秀

对菲林试剂检验还原糖实验常见问题的讨论

魏植槐顾秀秀

一、实验概述

人教版《生物(必修一)》中提及，菲林试剂由甲液(质量浓度为0.1g/mL的NaOH溶液)和乙液(质量浓度为0.05 g/mL的CuSO4溶液)等量混合均匀而成，检验还原糖时必须现配现用。实验时待测组织样液为2 mL，菲林试剂为1 mL，在50℃～60℃温水中加热约2 min即可得到砖红色沉淀[1]。

二、相关问题讨论

1.菲林试剂为什么要现配现用？能否静置一段时间后再使用？

实际上，菲林试剂并非需要现配现用。有研究者取久置一周的菲林试剂的上层清液与还原糖反应，依旧能得到砖红色沉淀，现象明显[2]。另外，文献[3]指出，高浓度的葡萄糖溶液能溶解Cu(OH)2沉淀，之后加热，同样可得到砖红色沉淀；然而此种方法存在弊端：加热过程中Cu(OH)2会析出，继而分解产生黑色CuO，掩盖实验现象的同时阻断反应。总之，现阶段教材强调菲林试剂需要现配现用并不准确。

教材之所以依旧强调现配现用，一是科学教育相关内容存在滞后性，二是受限于学生现阶段的认知水平。为了符合学生的认知规律，教材对这一方面的内容模糊处理，符合发展性教学原则，具有合理性。但是作为教师，则必须明白个中缘由。

(1)菲林试剂中与还原糖反应的有效成分是什么？为什么？

配置菲林试剂时要求NaOH过量，这是因为新生成的Cu(OH)2沉淀能进一步和OH—络合，生成[Cu(OH)4]2—，反应方程式为：Cu(OH)2+2OH—=[Cu(OH)4]2—。[Cu(OH)4]2—氧化还原糖，生成砖红色沉淀，其反应方程式如下：

由于K[Cu(OH)4]2—=3×10-23，所以络合物[Cu(OH)4]2—非常稳定，保证了还原糖的氧化反应为均相反应，速度快，现象明显。

(2)Cu2+或者Cu(OH)2不能直接与还原糖发生氧化还原反应吗？

Cu2+在水溶液中会发生水解，只存在于偏酸性环境下。从电极电位看：

由电极电位可知，此时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强，所以Cu(OH)2也不是有效成分。综上，Cu2+和Cu(OH)2由于氧化能力不够，无法氧化还原糖。

2.为什么要保证在碱性环境下反应？还原糖被氧化的机理是什么？

文献[5]、文献[6]指出，决定还原糖的氧化过程是糖的烯醇化(以葡萄糖为例，转化过程如图1所示)，即还原糖在碱性条件下转化为烯二醇负离子，再被[Cu(OH)4]2-中的Cu2+氧化成羧酸(反应机理如图2所示)，烯醇化速率越快，反应越容易进行。

图1　葡萄糖的烯醇化

图2　烯二醇负离子与［Cu（OH）4］2－的反应机理

综上，碱性条件能确保还原糖烯醇化成为烯二醇负离子，也确保了[Cu(OH)4]2—的稳定存在。而从生成物的角度，由于Cu2O在偏酸性条件下会迅速发生歧化反应，生成Cu2+和金属Cu，因此也要求体系是碱性环境。

3.什么是还原糖？果糖为什么也属于还原糖？

从字面上理解，还原糖是具有还原性的糖类。由以上分析可知，能发生烯醇化，即含有醛基或者羰基的单糖，均属于还原糖。另外，含醛基或羰基的二糖也属于还原糖。

葡萄糖与果糖在碱性环境下可以相互转化(如图3所示)。碱性的环境下，果糖也可以发生烯醇化，且速率远大于葡萄糖的烯醇化速率[5,6]，因此能与菲林试剂发生反应生成砖红色沉淀。这也佐证了NaOH过量有利于还原糖的检测的观点。

图3　葡萄糖与果糖之间的相互转化

4.为什么要使用水浴加热

笔者通过多次实验发现，有两种情况，直接在酒精灯外焰上加热也能成功。一种是加大还原糖的浓度并在加热前不断振荡，使反应物混合均匀；另一种是在教材原有基础上，使NaOH大大过量。第一种的实验重复率不高，不时会出现黑色沉淀；而第二种则能稳定看到砖红色沉淀。第一种情况是因为高浓度的还原糖能溶解Cu(OH)2，然而强加热的条件下容易析出Cu(OH)2固体，继而分解产生CuO[3]。第二种情况是因为NaOH大大过量，溶液中的Cu(OH)2全部转化为[Cu(OH)4]2—，有较高的热稳定性，保证了反应的顺利进行。

教材之所以强调水浴加热，是因为所用NaOH不仅浓度较低，量也偏小，Cu(OH)2固体依旧存在于体系中，此时使用水浴加热，较为温和，能有效避免受热不均带来的氢氧化铜分解，防止出现黑色的CuO。另外，按照教材所给的量而言，水浴加热能提高实验的成功率，具有非常好的重复性，能保证中学课堂实验的高效进行。那为什么有时候加热无法得到砖红色沉淀，也没有黑色的CuO沉淀生成？

当所用NaOH的量较少时，会发生以下反应：

Cu2(OH)2SO4的热稳定性高，水浴加热条件下不易发生分解，也不与还原糖反应。在这种情况下，可以判定试验所加NaOH的量不足，或者是试剂已经变质了。

三、实验改进建议

根据反应机理，只要保证还原糖烯醇化的正常进行以及[Cu(OH)4]2—的存在，实验就能顺利进行。为了保证实验具有较高的重复率，建议在确保试剂不变质的条件下，加大碱和还原糖的用量。另外，为了保证反应平稳进行且受热均匀，建议使用沸水浴加热。

[1] 人民教育出版社生物室.全国普通高级中学教科书生物1册[M]:北京:人民教育出版社,2003.

[2] 杨晓东.新制氢氧化铜若干问题的探究[J].化学教学,2012(9):53-55.

[3] 段昌平.细说氢氧化铜与新制氢氧化铜[J].化学教育,2010,31(12):76-77.

[4] 张应红.新制氢氧化铜与乙醛反应的再研究[J].化学教育,2007(8):51-52.

[5] 张殷全.还原糖试验与烯醇化的关系[J].大学化学,1990,5(6):11-13.

[6] 杨旭东.为什么果糖比葡萄糖的银镜反应速率快[J].化学教学,2006(6):63-64.

魏植槐，在读硕士研究生，中教二级。新疆乌鲁木齐市第一中学，830002

顾秀秀，在读硕士研究生，中教二级。新疆师范大学附属中学，830000