“淀粉的氧化”研究性学习案例

“淀粉的氧化”研究性学习案例

摘要:以木薯淀粉为原料,双氧水为氧化剂,硫酸铜为催化剂,采用干法工艺制备氧化淀粉,考察了反应时间、反应温度、氧化剂用量、催化剂用量、加水量等因素对木薯淀粉氧化反应的影响。结果表明,通过探究活动,学生掌握了基本的实验课题研究方法,了解了课题研究的一般过程,实验技能及能力得到了提高,极大地激发了学生学习化学的兴趣。

关键词 研究性学习 氧化淀粉 氧化反应 课题研究 探究活动 硫酸铜

淀粉是绿色植物将二氧化碳和水经光合作用而合成的高分子化合物,它是食物的一种重要成分,是人体的重要能源。淀粉来源广、价格低廉、在自然界中能被微生物完全降解,对环境友好,也是一种倍受人们青睐的绿色有机化工原材料。随着现代有机和高分子化工的主要原料——石油和煤的日趋匮乏,以及石化及煤制品的利用造成的污染对人类生存的环境造成了日益严重的威胁,促使人们加强对可再生性植物资源的研究与开发。淀粉作为一种可再生的有机化工原料,如今受到了极为广泛的关注。目前,国内外对淀粉进行变性加工的研究十分活跃。氧化淀粉是淀粉在一定介质中与氧化剂反应而得到的产品,是变性淀粉的主要品种,由于分子结构发生了变化,与原淀粉相比,其性质得到了很大的改善而在食品、纺织、造纸、医药、包装等行业得到广泛的应用[1]。在学生学习“淀粉”内容的基础上,指导学生进一步开展“淀粉的氧化”研究性学习。

1 淀粉的氧化原理[2~4]

淀粉(C6H10O5)n葡萄糖残基中C2、C3、C6上的醇羟基(-OH)在一定条件下被氧化剂氧化成醛基和羧基。随着氧化程度的加深,2,3位的碳碳键断裂而开环,l,4位的环间苷键断裂,淀粉分子发生降解(见图1)。

图1 淀粉结构式和碳原子编号

2 仪器与试剂

仪器:磁力搅拌器、电热烘箱、循环水式多用真空泵、电炉、常规玻璃仪器。

试剂:木薯淀粉(工业级)、30%过氧化氢(AR)、硫酸铜(AR)、亚硫酸钠(AR)、酚酞试剂、0.10 mol/L HCl标准溶液、0.10 mol/L NaOH标准溶液。

3 实验方法

3.1 氧化淀粉的制备

取适量10%的双氧水、2.00 g/L的硫酸铜溶液及蒸馏水,以喷雾形式喷入一定量的已用固体氢氧化钠活化的木薯淀粉中,将混合物搅拌均匀并放入一定温度的烘箱中恒温反应至规定时间。最后往混合物中喷入10%的亚硫酸钠溶液终止反应。将产物在60℃的温度下烘干,研碎过筛,包装备用。

3.2 氧化淀粉羧基含量的测定

称取1.05 g氧化淀粉样品于150 mL烧杯中,加30.00 mL 0.10 mol/L HCl溶液,样品在30 min内不断搅拌;加30.00 mL乙醇,待样品完全沉淀后用玻璃砂芯漏斗过滤,再用乙醇洗涤至无氯离子为止(用银溶液检验);将样品转移至500 mL烧杯中,加300 mL蒸馏水,加热煮沸,保温5～7 min;趁热以酚酞作指示剂,用0.10 mol/L NaOH标准溶液滴定至酚酞变色(30 s内不褪色为止),记录消耗氢氧化钠溶液的体积。

空白试样测定:称取同等质量的原淀粉于500 mL烧杯中加300 mL蒸馏水,加热煮沸,保温 5～7 min,用NaOH标准溶液趁热滴定至酚酞变色(30 s内不褪色为止),记录消耗氢氧化钠溶液的体积。按下式计算结果[5]:

x=V1m1-V2m2×c×0.045×100

式中:x—羧基含量,%;m1—氧化淀粉质量,g;m2—原淀粉质量,g;V1—滴定氧化淀粉需要的NaOH标准溶液体积,mL;V2—滴定空白试样需要的NaOH标准溶液体积,mL;c—NaOH标准溶液浓度,mol/L;0.045—中和1 mL 1.00 mol/L NaOH溶液所相当的羧基的质量,g。

4 结果与讨论

4.1 反应时间对氧化淀粉羧基含量的影响

固定木薯淀粉的质量m=15.00 g、双氧水的体积V3=5.00 mL、水的体积V4=2.00 mL、催化剂的体积V5=1.50 mL、反应温度T=50℃,考察反应时间t对淀粉氧化反应的影响,结果如表1所示。

表1 反应时间对氧化淀粉羧基含量的影响

t/h1.001.502.002.503.003.50

x/%0.070.110.200.260.310.32

由表1可知,随着反应时间的延长,氧化淀粉的羧基含量逐渐增大。这是因为延长反应时间,会使淀粉充分溶胀,羟基基团能与氧化剂充分接触,使得氧化程度加深。当反应时间达到3 h后,氧化淀粉羧基含量增幅已不大,故选择反应时间为3

h。

4.2 反应温度对氧化淀粉羧基含量的影响

固定m=15.00 g、V3=5.00 mL、V4=2.00 mL、V5=1.50 mL、t=3 h,考察反应温度对淀粉氧化反应的影响,结果如表2所示。

表2 反应温度对氧化淀粉羧基含量的影响

T/℃3040506070

x/%0.020.140.310.340.30

由表2可知,在温度30～60℃的范围内,氧化淀粉的羧基含量随温度的升高而增大;当温度超过60℃后,氧化淀粉的羧基含量随温度的升高而减小。其原因是体系温度升高,淀粉颗粒的溶胀程度增加,同时反应试剂的运动速度加快,H2O2分子更容易渗透到淀粉颗粒中参与反应而使得氧化程度加深。但温度过高也会加速H2O2的分解,降低氧化剂的浓度,反而降低了反应效率。选择反应温度为60℃。

4.3 氧化剂用量对氧化淀粉羧基含量的影响

固定m=15.00 g、V4=2.00、V5=1.50 mL、t=3 h、T=60℃,考察氧化剂用量对淀粉氧化反应的影响,结果如表3所示。

表3 氧化剂用量对氧化淀粉羧基含量的影响

V3/mL2.003.004.005.006.008.00

x/%0.060.130.290.340.350.24

由表3可知,在V3为2.00～6.00 mL范围内,氧化淀粉的羧基含量随H2O2用量的增加而增大,当H2O2的用量超过6.00 mL后,氧化淀粉的羧基含量随H2O2用量的增大而减小。分析其原因,一是由于H2O2用量的增加,淀粉分子与H2O2分子碰撞的几率增加,有利于反应向产物方向进行及提高氧化程度,二是H2O2用量过多,加剧了产品中缩醛及半缩醛的生成,导致氧化淀粉的羧基含量下降。H2O2用量选择5.00 mL为宜。

4.4 催化剂用量对氧化淀粉羧基含量的影响

固定m=15.00 g、V3=5.00 mL、V4=2.00 mL、t=3 h、T=60℃,考察催化剂用

量对淀粉氧化反应的影响,结果如表4所示。

表4 催化剂用量对氧化淀粉羧基含量的影响

V5/mL0.000.501.502.503.504.50

x/%0.010.220.340.360.340.32

由表4可知,不使用催化剂,氧化淀粉羧基含量很小,而使用少量的催化剂就能大幅度提高淀粉的氧化程度,氧化淀粉羧基含量随催化剂用量的增加而逐渐增大,当催化剂用量超过3.50 mL时,氧化淀粉的羧基含量降低。这是因为在加热条件下,催化剂能降低氧化反应的活化能,活化淀粉分子链上的羟基,使更多的反应物分子转变为活化分子,增大分子的有效碰撞次数,提高氧化反应效率。但催化剂用量超过一定量后,随着氧化淀粉羧基含量的增大,其对铜离子的络合作用增大,使得核心离子被禁锢,催化效果下降,从而导致羧基含量降低。催化剂使用2.50 mL为宜。