利用Na2CO3代替NaOH實驗舉隅
2012-04-29 00:00:00吳軍芳
中學教學參考·理科版 2012年1期
NaOH在化學實驗中常常用到。NaOH在常溫下呈片狀白色晶體，具有強腐蝕性，曝露在空氣中容易吸收水分而使表面潮解，水溶液呈強堿性能使酚酞溶液變紅。
Na2CO3是氫氧化鈉的弱酸鹽，因此它的水溶液在水中水解呈堿性，有一定的腐蝕性。碳酸鈉固體是白色粉狀顆粒，在空氣中容易風化，能與酸反應生成相應的鹽，同時放出二氧化碳。
鑒于碳酸鈉的這些特點，通過比較和探索，在一些實驗中往往用碳酸鈉代替NaOH，會獲得更好的實驗效果。
一、利用碳酸鈉代替氫氧化鈉中和多余的酸
例如，蘇教版《有機化學基礎》第93頁“活動與探究”蔗糖水解實驗：向兩支試管中各加入1mL20%的蔗糖溶液，并向其中一支試管中加入3滴稀硫酸（1∶5）。把兩支試管都放在水浴中加熱5min，然后向加入硫酸的試管中滴加氫氧化鈉溶液，中和硫酸。另取兩支潔凈的試管，分別配制堿性氫氧化銅懸濁液，將上述溶液分別加入到試管中，水浴加熱，觀察現象。
在實驗中用1∶5的H2SO4水解蔗糖溶液，水解完成后需要中和H2SO4。課本中要求使用NaOH溶液，但在實驗過程中發現，水解過程中加入的H2SO4的量雖然不多，但中和時滴加的氫氧化鈉的量不好控制。如果加入的氫氧化鈉的量過少，中和后溶液仍呈酸性，加入堿性氫氧化銅懸濁液后，堿性氫氧化銅懸濁液與硫酸反應，氫氧化銅沉淀溶解：Cu(OH)2+H2SO4CuSO4+H2O，所以水浴加熱后，溶液仍然是藍色的，實驗失敗。
只有中和后水解溶液呈中性或堿性，加入堿性氫氧化銅懸濁液，在水浴加熱下，Cu(OH)2才能被氧化成紅色的氧化亞銅。
所以在實驗過程中，教師和學生通常提出需要使用pH試紙，才能隨時掌握水解后溶液的中和情況。而在具體實驗過程中，邊滴加氫氧化鈉溶液，邊用pH試紙測溶液的pH，這個過程很消耗課堂時間，而且操作過程不斷反復也很枯燥乏味，還要添加pH試紙、玻棒、表面皿等器材。
在淀粉、纖維素水解過程中也使用H2SO4來催化水解，纖維素水解甚至要用濃H2SO4，用于中和的氫氧化鈉溶液的量更多，中和過程需要花費的時間也相應延長，耗時更多。
如果，糖類水解后還要做銀鏡反應，就更需要調整好溶液的pH，沒有中和完全，銀鏡反應做不好；如果NaOH過量，也影響配置好的銀氨溶液，使溶液中的Ag(NH3)2OH被破壞，達不到預期的效果。
在反復考慮實驗效果、對實驗的影響等因素后，我們決定用無水碳酸鈉固體代替氫氧化鈉溶液中和蔗糖水解時使用的硫酸。在反復實驗后總結步驟如下：在中和時，先將試管中已水解完的蔗糖溶液，倒入50mL小燒杯中（因為試管比較小加入固體顆粒不方便，容易黏在試管壁上），將少量無水碳酸鈉固體顆粒慢慢加入待中和的溶液中；當無水碳酸鈉固體顆粒剛加入到溶液中時，馬上有大量氣泡產生，碳酸鈉顆粒全部溶解，繼續加入無水碳酸鈉，并搖動小燒杯幫助碳酸鈉與硫酸充分反應，氣泡逐漸減少至突然消失；繼續搖動小燒杯不再有氣泡產生，小燒杯的底部剩余少量無水碳酸鈉顆粒，說明硫酸已被完全中和。
將中和好的溶液倒入準備好的堿性氫氧化銅懸濁液中（如果中和后溶液量比較少，可以加入2~3滴管蒸餾水，因為水解后葡萄糖足夠多，加入蒸餾水不會影響實驗結果）水浴加熱，很快在試管中可以看到有磚紅色沉淀產生。將中和好的溶液倒入配好的銀氨溶液中，水浴加熱，試管壁上出現均勻光亮的銀鏡。從實驗結果來看，實驗現象很明顯，實驗效果很好。
在這個實驗過程中，因為不需要檢測溶液的pH，耗時較少；而且中和過程反應現象明顯，隨著無水碳酸鈉顆粒減少，溶液中有大量氣泡產生，到氣泡瞬間消失，溶液歸于平靜，很容易判斷硫酸被完全中和，而且稍微過量的碳酸鈉顆粒對實驗結果沒有影響。
我們用無水碳酸鈉固體顆粒，對淀粉水解和纖維素水解后的硫酸進行中和，實驗現象明顯，實驗效果很好。
二、利用碳酸鈉在水中水解代替氫氧化鈉提供OH-
在高中化學教材中，檢驗糖有沒有還原性通常用氫氧化鈉溶液和硫酸銅溶液配制成堿性氫氧化銅懸濁液，這個實驗是在偏堿性的條件下進行。
還原性糖與堿性氫氧化銅懸濁液反應時，主要化學反應就是還原性糖如葡萄糖中的醛基與氫氧化銅反應生成磚紅色的氧化亞銅，反應如下：
CH2OH(CHOH)4CHO+2Cu(OH)2
CH2OH(CHOH)4COOH+Cu2O↓+2H2O
由于Cu(OH)2很容易沉淀析出，也不穩定，易分解成黑色的氧化銅和水，所以實驗室使用硫酸銅溶液與氫氧化鈉溶液混合制取氫氧化銅和硫酸鈉(產生藍色絮狀沉淀），反應如下：
CuSO4+2NaOHNa2SO4+Cu(OH)2↓
配制好后立即使用。人們又把這樣制得的氫氧化銅叫做新制氫氧化銅沉淀。
在浙科版高中生物教材中，檢驗生物組織中還原性糖時使用的是本尼迪特試劑。本尼迪特試劑配制的方法是：將173g檸檬酸鈉和100g無水碳酸鈉溶解于800mL水中，再取17.3g結晶硫酸銅（CuSO4#8226;5H2O）溶解于100mL水中，將兩份溶液混合，并用水稀釋到1L，溶液呈藍色，當溶液不澄清時可以過濾使用。配制好的試劑放在玻璃瓶中用橡皮塞塞緊備用。
實驗時在研磨好的2mL梨汁或蘋果汁中加入本尼迪特試劑，振蕩試管，使研磨出來的組織液與本尼迪特試劑充分混合，將試管置于水浴中加熱2~3min，可以觀察到有磚紅色沉淀產生。
從實驗結果可以看到，雖然實驗藥品看起來不同，但實際的反應原理卻相同。本尼迪特試劑利用了碳酸鈉在水中可以水解產生OH-，反應式如下：
Na2CO3+H2ONaHCO3+NaOH
CO32-+H2OHCO3-+OH-
當檸檬酸鈉-碳酸鈉溶液和CuSO4溶液混合時，CuSO4溶液中的大部分Cu2+與檸檬酸根絡合成為檸檬酸合銅(Ⅱ)離子，只有少量游離的Cu2+與OH-相互結合，使溶液中有少量Cu(OH)2存在。因為產生Cu(OH)2的濃度相對較低，不易析出，因此該試劑可長期保存。實驗過程中，本尼迪特試劑中存在的Cu(OH)2與還原性糖上的醛基（甲醛除外）或乙酰基發生反應，Cu(OH)2被還原成紅色的Cu2O沉淀。溶液中Cu(OH)2量減少時，檸檬酸合銅(Ⅱ)離子又會釋放出Cu2+離子，Cu2+和水解出來的OH-再結合，又可以繼續提供Cu(OH)2，讓反應繼續進行。
在實驗教學過程中經常會碰到不同的實驗情況，要多注意細節，多動腦筋，適當改進實驗的儀器和藥品，這樣既可以簡化實驗步驟和程序，又可以達到好的實驗效果。
(責任編輯 廖銀燕）
