化学工程化学与化工
 
 
[实验展示] [原创] 简化版“班氏试剂”的配制——碳酸根离子对二价铜离子的络合作用初探
TBsoft 2015-3-20 22:48:33
醛(或者α-羟基酮)在碱性环境中可将Ag+还原成Ag(银镜反应),新制的Cu(OH)2还原成Cu2O,这是众所周知的反应。为了防止在碱性环境中Ag+生成AgOH或者Ag2O沉淀,银镜反应常用银氨溶液,即银氨络离子[Ag(NH3)2]+作为氧化剂,也就是在溶液中加入NH3作为络合剂,使得Ag+转化成银氨络离子。同样的道理,配制新制Cu(OH)2时,常将少量CuSO4溶液加入过量NaOH溶液中,使得生成的Cu(OH)2转化成四羟基合铜(Ⅱ)络离子[Cu(OH)4]2-,尽量不出现Cu(OH)2沉淀,这样检验醛还原性的效果明显。

可以看出,在碱性环境中,加入适当的络合剂,使得Ag+或者Cu2+生成可溶性的络合物再用于检验醛,可以取得较好的效果。众所周知的银氨溶液又称托伦(Tollens)试剂;将硫酸铜溶液,与氢氧化钠和酒石酸钾钠的混合溶液混合,酒石酸钾钠(或者酒石酸根离子)作为络合剂络合Cu2+,使之不生成Cu(OH)2沉淀,就是著名的费林(Fehling)试剂,检验醛的效果比新制Cu(OH)2更好;硫酸铜、碳酸钠和柠檬酸钠配制成的溶液,柠檬酸钠(或者柠檬酸根离子)也可以作为络合剂络合Cu2+,使得溶液不出现沉淀,这种溶液叫做班乃德(Benedict)试剂,又译作本尼迪克试剂,简称班氏试剂,也是著名的醛基(或者还原糖)检测试剂,班氏试剂比费林试剂稳定,常作为医院检验尿糖的试剂。

实际上,高浓度的碳酸根离子同样可以作为二价铜离子的络合剂,因此只用硫酸铜和碳酸钠,也可以配制出简化版的“班氏试剂”,下面介绍一个简单的实验(笔者实验验证通过)。

试剂:硫酸铜,碳酸钠。

注意:硫酸铜要用化学纯(C.P.)以上的,不宜用工业品(工业品中经常含有较多的铁离子杂质);碳酸钠用一般食用纯碱即可。

实验步骤:

1、将硫酸铜配制成1%—2%的溶液。
2、称取10g左右的碳酸钠,溶解在50ml水中,配制成碳酸钠的浓溶液,如果溶解较慢可适当加热溶解,然后将溶液冷却。
3、用滴管吸取少量硫酸铜溶液,缓慢滴入碳酸钠浓溶液中,约滴入5—6滴,可见溶液中先出现烟云状蓝绿色碱式碳酸铜沉淀(不是碳酸铜沉淀),同时冒出少量气泡(二氧化碳)。

2CuSO4+2Na2CO3+H2O=Cu2(OH)2CO3↓+CO2↑+2Na2SO4

用玻璃棒迅速搅拌溶液,在二氧化碳逸出的同时,碱式碳酸铜沉淀溶解,溶液蓝色显著加深,成为亮蓝色溶液,相关文献认为反应如下(注意只是一种可能的解释!):

Cu2(OH)2CO3+3Na2CO3=2Na2[Cu(CO3)2]+2NaOH

过量碳酸根离子作为配位体络合二价铜离子,生成亮蓝色的二碳酸根合铜(Ⅱ)络离子[Cu(CO3)2]2-,可溶于水,使得碱式碳酸铜沉淀溶解。

4、这一亮蓝色溶液即可作为简化版“班氏试剂”使用,将10ml—20ml亮蓝色溶液注入大试管或者小锥形瓶,加入少量醛或者还原糖溶液(数滴即可),还原糖溶液可用口服葡萄糖溶于水或者医用葡萄糖注射液,也可用市售蔗糖(白砂糖或者冰糖)溶于水后加稀酸加热水解,再加碱中和,然后将试管或者锥形瓶放在酒精灯火焰上微热(锥形瓶需要垫石棉网,亦可用电炉加热),很快,溶液颜色开始发生亮蓝—绿—黄(CuOH)的变化,最后变成砖红色,并出现砖红色Cu2O沉淀。

总结:

1、并不只有大家熟知的NH3、H2O、CN-等分子或者离子可以作为络离子的配位体,很多常见阴离子和酸根离子,例如氯离子、硫酸根离子、碳酸根离子等都有一定的配位能力,也就是作为配位体生成络离子的能力,浓度越高越明显,特别是对过渡金属离子的配位。很多不溶于水的过渡金属化合物在含有高浓度这类离子的溶液中,往往有意想不到的溶解性。

2、很多化学反应都是复杂的,存在副反应是化学反应的常态,同样的反应物,在某些极端情况下(例如浓溶液)会发生意想不到的反应,切勿被几本教科书和文献限制了思维和认识。

3、化学是以实验为基础的学科,理论解释必须服从于实验事实,不动手做实验,仅靠几本书和文献,甚至网上的文章,就试图对复杂的化学问题做“跨界科普”,往往只能贻笑大方。

思考题:

(笔者实验验证结果)用较浓的氯化铜溶液代替硫酸铜溶液,滴入数滴到过量碳酸钠浓溶液中,并加以搅拌,沉淀也会溶解,但最终得到的溶液往往带有绿色而非亮蓝色,试解释这一现象的原因,可能有多种原因,解释合理即可。
2015-3-21 00:35:23
1楼
为什么不用氨而用酒石酸稳定二价铜



最后那个问题:因为高浓度氯化铜就是翠绿色的, 铜的四氯络合物是黄色
2楼
怪不得,我以前用碳酸钠、硫酸铜在制备碱式碳酸铜的时候,加过量的碳酸钠尽量析出沉淀,抽滤后却发现母液是淡蓝色的,继续加碳酸钠也没沉淀了。

PS:实验展示,无图无真相,纯文字给人的感觉是直搬文献的。
3楼
好久不见楼主,握个手[s::handshake]
TBsoft(作者)
4楼
引用 helium:
怪不得,我以前用碳酸钠、硫酸铜在制备碱式碳酸铜的时候,加过量的碳酸钠尽量析出沉淀,抽滤后却发现母液是淡蓝色的,继续加碳酸钠也没沉淀了。

PS:实验展示,无图无真相,纯文字给人的感觉是直搬文献的。
呵呵,手边没有相机,手机清晰度不足,下一个实验上图片。
TBsoft(作者)
5楼
引用 虎哥:
好久不见楼主,握个手
好久不见站长,同握手[s::handshake]

这几年很忙,很难上来发文,不过最近想写一些关于实验的连载文章,但不知有没有时间,争取吧。
6楼
引用 TBsoft:
呵呵,手边没有相机,手机清晰度不足,下一个实验上图片。
随便一台有500万像素摄像头的智能手机就能胜任这种工作,清晰度还是可以的,注意对焦和补光就行。
2015-3-23 23:36:15
7楼
有图吗?个人感觉就是有这种配合物产生,也会很不稳定,如果是乙二酸我相信。但碳酸根离子的碳在中间,是sp2等性杂化的,整个分子结构式平面三角形的结构,从结构上来看碳酸根作为单齿配体,其稳定常数K会非常小,实验肉眼应该极难观察到碱式碳酸铜沉淀溶解。
8楼
如果手边有胆矾,我倒是想复现一下这个实验,推测一下这种可溶性碳酸根配合物的结构,因为碳酸根就算是形成配合物,因为其平面三角形的结构,同一配位体的几个配位点不能直接与同一个金属离子配位(抱歉我这段是抄书的,下面是原文),形成的配合物都是沉淀的多238948

238949

9楼
另外我和楼主类似,我是软件、电子方面的开发人员,非化学专业人士
TBsoft(作者)
10楼
引用 smith:
如果手边有胆矾,我倒是想复现一下这个实验,推测一下这种可溶性碳酸根配合物的结构,因为碳酸根就算是形成配合物,因为其平面三角形的结构,同一配位体的几个配位点不能直接与同一个金属离子配位(抱歉我这段是抄书的,下面是原文),形成的配合物都是沉淀的...
关于这个实验的真实性,我保证100%真实,没有图片的原因我已经说了,只要自己实验验证一下就可以证实。实验时,Na2CO3溶液要足够浓,至少10%以上,CuSO4溶液则不宜过浓,1%—2%即可,滴入量也只要数滴,可以明显看到沉淀先生成后溶解。

这个实验我为什么有把握,因为第一次看到类似实验是在中学的一份化学相关报纸上,说一个学生为了做这个实验,用灼烧铜丝氧化浸入稀硫酸的办法制得了少量CuSO4溶液,然后滴入浓Na2CO3溶液,先看到了云状沉淀,但振荡试管后却发现沉淀溶解了,溶液变成了深蓝色,当时他自己百思不得其解,查了很多资料,请教老师都没有确切答案,后来查到碳酸根离子可以和铜离子络合的相关资料,才得以解决,但文章中也没提到细节。

这件事情当时我就记下了,后来大学里做了这个实验,将少量CuSO4溶液滴入过量Na2CO3浓溶液(记得当时有半烧杯)并加以搅拌,果然出现了沉淀溶解,溶液蓝色显著变深的现象,初步证实了这个现象。后来工作后为一位朋友配制尿糖试剂,又一次重复验证了这个现象,因此是有把握的。当然,我也明确说了,文章中的解释只是一种可能的解释,只能说碳酸根离子参与络合的可能性较大,也不排除是因为浓Na2CO3溶液中OH-离子浓度较高溶解沉淀,或者其它复杂机制,但这个现象是绝对真实的。

在中文维基上搜索“碳酸铜”,也明确氢氧化铜可溶于碳酸钾生成配合物K2[Cu(CO3)2],那么碱式碳酸铜溶于过量碳酸钠生成配合物Na2[Cu(CO3)2]应该也是完全可能的。

我在文章中说得很清楚,化学是以实验为基础的学科,任何理论必须服从于实验现实,那么出现了新的实验现实就应该去研究探索,而不是轻易用一两本书和文献去否定它。

BTW:我现在虽然以计算机和电子方面的开发工作为主,但我是化学科班出身,有正规的化学工程硕士学位。
11楼
引用 TBsoft:
关于这个实验的真实性,我保证100%真实,没有图片的原因我已经说了,只要自己实验验证一下就可以证实。实验时,Na2CO3溶液要足够浓,至少10%以上,CuSO4溶液则不宜过浓,1%—2%即可,滴入量也只要数滴,可以明显看到沉淀先生成后溶解。...
     麻烦提供相关的温度信息,以便于我复现实验,我注意到你所说的过程“过量Na2CO3浓溶液”,具体的浓度是多少,实际上,如果采用碳酸钠的饱和溶液,整个反应中,钠离子和硫酸根离子在溶液体系温度较低的情况下,很可能会以芒硝的形式析出,而芒硝会在溶液Na+、硫酸根离子浓度改变的情况,极有可能再次溶解。
  另外中文维基也不是真理,我也发现过有关词条的错误。可以见我发的偏磷酸词条的帖子,至今该词条还未更正。
我并没有否定碳酸根的配合物的存在,只是否定“肉眼能看到碱式碳酸铜的溶解”还有“溶解的就是碱式碳酸铜” 因为你的这个实验没有相关贴图及数据提供。
   后续我会使用硝酸铜而不是硫酸铜在27摄氏度下进行验证。
  
BTW:学历代表不了什么
TBsoft(作者)
12楼
引用 smith:
麻烦提供相关的温度信息,以便于我复现实验,我注意到你所说的过程“过量Na2CO3浓溶液”,具体的浓度是多少,实际上,如果采用碳酸钠的饱和溶液,整个反应中,钠离子和硫酸根离子在溶液体系温度较低的情况下,很可能会以芒硝的形式析出,而芒硝会在溶液...
现在拍图只有重做实验了,我可以把详细实验参数告诉你,你自己验证。另外,不要随便改变药品,我用的是硫酸铜,那么复现实验就应该用硫酸铜,你把硫酸铜改硝酸铜,我不肯定硝酸根离子会不会造成其他影响。我自己证实过的,硫酸铜可以,氯化铜也可以,但最后溶液带绿色。

实验参数:

碳酸钠溶液:称取10g无水碳酸钠溶解于50ml纯水,可以略加热以加速溶解,然后冷却到室温。
硫酸铜溶液:配制成1%—2%的溶液。

碳酸钠溶液用配制好溶液的全部量,置于小烧杯中,然后用滴管滴入5—6滴配制好的硫酸铜溶液,看到烟云状沉淀出现后,迅速用玻璃棒搅拌溶液。

BTW:我说明学历只是说明我自己确实是化工专业出身,无其它意思。
TBsoft(作者)
13楼
引用 smith:
麻烦提供相关的温度信息,以便于我复现实验,我注意到你所说的过程“过量Na2CO3浓溶液”,具体的浓度是多少,实际上,如果采用碳酸钠的饱和溶液,整个反应中,钠离子和硫酸根离子在溶液体系温度较低的情况下,很可能会以芒硝的形式析出,而芒硝会在溶液...
另外,温度是室温,当时大约是17摄氏度。
TBsoft(作者)
14楼
引用 smith:
麻烦提供相关的温度信息,以便于我复现实验,我注意到你所说的过程“过量Na2CO3浓溶液”,具体的浓度是多少,实际上,如果采用碳酸钠的饱和溶液,整个反应中,钠离子和硫酸根离子在溶液体系温度较低的情况下,很可能会以芒硝的形式析出,而芒硝会在溶液...
另外我再说一句,如果你是想确定碱式碳酸铜沉淀是否溶于过量的碳酸钠溶液,这个我或者你都可以重新做个实验,先用硫酸铜和碳酸钠制备碱式碳酸铜,然后过滤洗涤后,再将其投入过量碳酸钠浓溶液看是否能够溶解。
TBsoft(作者)
15楼
引用 smith:
麻烦提供相关的温度信息,以便于我复现实验,我注意到你所说的过程“过量Na2CO3浓溶液”,具体的浓度是多少,实际上,如果采用碳酸钠的饱和溶液,整个反应中,钠离子和硫酸根离子在溶液体系温度较低的情况下,很可能会以芒硝的形式析出,而芒硝会在溶液...
还有一句话:谁主张,谁举证,这是基本原则。我虽然没有贴图,但详细实验过程和数据没有任何保留,全部写出来了,后来应你的要求又补充了室温等数据,你或者其它读者都可以做这个实验验证。如果你要否定我的实验,也需要拿出“严格按照我的实验步骤来做,没有重现实验现象”的反面实验证据,不贴图也可以,但也要给出详细的实验过程、数据和实验现象,让大家去实验验证。如果你改变我的原始实验条件和数据,例如将硫酸铜换成硝酸铜,都会降低你否定我的可信度。
16楼
引用 TBsoft:
还有一句话:谁主张,谁举证,这是基本原则。我虽然没有贴图,但详细实验过程和数据没有任何保留,全部写出来了,后来应你的要求又补充了室温等数据,你或者其它读者都可以做这个实验验证。如果你要否定我的实验,也需要拿出“严格按照我的实验步骤来做,没有...
完全没有问题,你可以翻我的帖子来看,我的帖子75%都是实验帖,有图有真相,非纸上谈兵也,但我还是坚持用硝酸铜实验
TBsoft(作者)
17楼
引用 smith:
完全没有问题,你可以翻我的帖子来看,我的帖子75%都是实验帖,有图有真相,非纸上谈兵也,但我还是坚持用硝酸铜实验
如果你坚持用硝酸铜实验,那你即使做出反面结果也不能否定我,因为原始实验条件被你改变了,我说不能肯定硝酸根离子会不会影响实验结果。我成功验证过的只有硫酸铜和氯化铜,而且使用氯化铜溶液颜色还会变绿(可能是生成了含氯的复杂配合物)。

我可以举一个简单的实验例子给你(也是我大学做过的):

用铁屑和稀硫酸制备硫酸亚铁溶液,然后设法将二价铁离子氧化为三价铁离子,在硫酸过量的情况下,加入H2O2能顺利完成氧化,最终溶液是黄色透明的,但如果改用KNO3来氧化,溶液会变得棕黑一团,即使想通过加热来驱除氮氧化物,最终也很难得到黄色透明的溶液。
2015-3-26 11:34:56
18楼
控制变量原则是很重要的。。。楼主说的有道理
19楼
引用 718281828kc:
控制变量原则是很重要的。。。楼主说的有道理
嗯,就采用硫酸铜验证,通报一下进展,试剂已购239126

239127

TBsoft(作者)
20楼
引用 smith:
嗯,就采用硫酸铜验证,通报一下进展,试剂已购
水产用的硫酸铜消毒剂,很多是工业硫酸铜,有些甚至是硫酸铜—硫酸亚铁的混合物,如果用这一种,最好设法提纯一下。
21楼
引用 TBsoft:
水产用的硫酸铜消毒剂,很多是工业硫酸铜,有些甚至是硫酸铜—硫酸亚铁的混合物,如果用这一种,最好设法提纯一下。
已经向店主确认,此试剂是从500g AR 硫酸铜试剂中分装出来的试剂,主要用于无土栽培,我用不了这么多,所以买的散装
2015-4-1 15:02:57
22楼
赞一个
2015-4-4 22:56:02
23楼
可以试一试
24楼
已经进行了实验,原帖:
https://www.kechuang.org/t/70772
2015-5-21 21:36:52
25楼
呃,下次一定发图!!!

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万流景仰
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