葡萄糖溶液變色原因探究

一、探究背景

在準(zhǔn)備藍瓶子實驗時，同學(xué)誤將葡萄糖溶液和氫氧化鈉溶液混合久置，產(chǎn)生了意料之外的變色現(xiàn)象：隨著時間推移，溶液顏色變黃，直至變成紅棕色。

通過查找資料，我得知，這是葡萄糖發(fā)生一系列反應(yīng)生成5-HMF（5-羥甲基糠醛），并進一步分解形成深色物質(zhì)導(dǎo)致的。有研究顯示，在反應(yīng)中葡萄糖要生成HMF可能需要先發(fā)生異構(gòu)化反應(yīng)變?yōu)楣?。又有文獻指出，氫氧化鈉可以很好地催化葡萄糖異構(gòu)化為果糖，而不加氫氧化鈉，葡萄糖溶液不會變色，這意味著，氫氧化鈉在葡萄糖溶液變色上起重要作用。

這引發(fā)了我的思考：氫氧化鈉究竟是如何給葡萄糖“上色”的呢？是果糖做中間體，氫氧化鈉起催化作用，最終生成了有色物質(zhì)，還是葡萄糖直接在該條件下反應(yīng)生成有色物質(zhì)呢？抑或是兩者都有？為了解答疑惑，我開始了實驗。

二、對比實驗

正常情況下，溶液中葡萄糖異構(gòu)化為果糖的反應(yīng)是可逆的（葡萄糖和果糖在催化下可以相互轉(zhuǎn)化），這就使得我無法研究純的葡萄糖或果糖能否發(fā)生反應(yīng)。但是這個反應(yīng)達到相互轉(zhuǎn)化的平衡需要很長時間。如果我對比不同原料條件下葡萄糖和果糖達到相同的顏色的時間，就可以得出是哪種方式導(dǎo)致的變色。于是，我直接用果糖（可以看作完全轉(zhuǎn)化為果糖的葡萄糖）進行反應(yīng)，將葡萄糖作為對照。

實驗名稱：比較同等情況下果糖溶液和葡萄糖溶液變色的速度

實驗儀器：若干燒杯、玻璃棒、量筒

實驗藥品：0.5 mol/L氫氧化鈉標(biāo)準(zhǔn)溶液、去離子水、葡萄糖、果糖

實驗步驟：

1.用去離子水配制一杯質(zhì)量分數(shù)為9.09%的葡萄糖溶液和同質(zhì)量分數(shù)的果糖溶液。

2.每種溶液按5∶2的體積比與0.5 mol/L氫氧化鈉標(biāo)準(zhǔn)溶液混合，攪拌。

3.等待，觀察現(xiàn)象。

實驗預(yù)測：實驗組果糖溶液將更快地發(fā)生變色。

實驗現(xiàn)象：在第25分鐘時，實驗組果糖溶液呈現(xiàn)肉眼勉強可見的淺啤酒色，而對照組葡萄糖溶液的顏色沒有明顯變化。

在大約一個半小時后，果糖溶液呈現(xiàn)明顯的黃色，而葡萄糖溶液仍接近無色。

24小時后，果糖溶液呈現(xiàn)亮黃色，而葡萄糖溶液才變成淺啤酒色。這驗證了果糖溶液在反應(yīng)中能更快地“進入狀態(tài)”——變色更快。

實驗分析：發(fā)現(xiàn)實驗組果糖溶液變色的速度更快后，我基本可以確定變色是果糖做中間體反應(yīng)生成有色物質(zhì)的結(jié)果。如果是葡萄糖直接反應(yīng)生成了有色物質(zhì)，那么在控制葡萄糖轉(zhuǎn)化為果糖的速率的過程中不會發(fā)生如此明顯的變化（甚至應(yīng)該是變慢）。再結(jié)合葡萄糖溶液沒有在氫氧化鈉的催化下異構(gòu)化為果糖的時候不會發(fā)生變色的現(xiàn)象，可以確定在該條件下堿性葡萄糖溶液變色的原理是：葡萄糖先在氫氧化鈉的催化作用下異構(gòu)化為果糖，而果糖在該條件下以較快的速度生成了有色物質(zhì)——我的猜想是正確的。

結(jié)論：堿性葡萄糖溶液變色的原因是，葡萄糖被堿催化異構(gòu)化為果糖，果糖再脫水降解為5-HMF等有色物質(zhì)。在堿性條件下，葡萄糖轉(zhuǎn)化成果糖的速率比果糖降解的速率要慢。

三、體會

我從一杯普普通通的堿性葡萄糖溶液展開聯(lián)想，查找資料，不斷發(fā)問、猜測，最終通過實驗驗證了實驗前的猜想，得出結(jié)論。實驗雖然簡單，卻解開了葡萄糖溶液變色之謎，揭示了反應(yīng)原理。

今后，我還會開展更多的探究，為化工和化學(xué)行業(yè)輸入新鮮血液。

專家點評

周敉頔同學(xué)從準(zhǔn)備藍瓶子實驗時的意外發(fā)現(xiàn)入手，開展定量研究，得出“在堿性條件下，葡萄糖轉(zhuǎn)化成果糖的速率比果糖降解的速率要慢”這一結(jié)論。這是本研究很好的發(fā)現(xiàn)，是精華所在，體現(xiàn)了作者的創(chuàng)新性。

陸燕海老師在《葡萄糖溶液放置變色現(xiàn)象的探究》一文中指出：葡萄糖溶液久置變黃是放置過程中葡萄糖生成有色物質(zhì)5-HMF及聚合物所致；溶液的質(zhì)量分數(shù)越高、溫度越高，溶劑用水中雜質(zhì)離子含量就越多，溶液堿性越強；放置時間越長，葡萄糖溶液變色也愈快，顏色愈深。

化學(xué)反應(yīng)機理非常復(fù)雜。葡萄糖在堿性溶液中會異構(gòu)化和發(fā)生降解反應(yīng)，轉(zhuǎn)變?yōu)殒溞谓Y(jié)構(gòu)烯醇化的烯二醇中間體，然后生成甘露糖、果糖等物質(zhì)，部分會脫水形成 5-HMF。這些物質(zhì)又會降解或斷裂生成甲醛、羥醛和多羥基酮，被氧氣不可逆地氧化成各種產(chǎn)物。中學(xué)生受實驗條件限制，僅僅做一個對比實驗就得出葡萄糖溶液變色原理等結(jié)論有些簡單化。

對比實驗為什么選用0.5 mol/L氫氧化鈉標(biāo)準(zhǔn)溶液、質(zhì)量分數(shù)為9.09%的葡萄糖溶液？為什么要將每種溶液按5∶2的體積比與0.5 mol/L氫氧化鈉標(biāo)準(zhǔn)溶液混合？其他質(zhì)量分數(shù)的葡萄糖溶液或者體積比行不行？建議繼續(xù)研究或作出說明。