多彩的糖
——旋光追蹤蔗糖水解反應

司俊濤，沈佳龍，吳強華，吳紅，江國順，朱平平，馮紅艷，金邦坤，王曉葵，李紅春,＊，王鈺熙,＊

1中國科學技術大學化學與材料科學學院材料科學與工程系，合肥 230026

2中國科學技術大學合肥微尺度物質科學國家研究中心，合肥 230026

3化學國家級實驗教學示范中心(中國科學技術大學)，合肥 230026

人們可以通過顏色變化、沉淀或氣體的產生、發(fā)光、放熱等現(xiàn)象感知體系是否發(fā)生了化學變化。除了這些我們可以直接觀察到的變化，化學反應體系中因為新物質的生成，體系的物理性質也隨之發(fā)生了變化，而這些變化并非僅用肉眼就可以直接觀察到，它們一般隱藏得更為隱秘，需要通過使用一些技術手段去發(fā)現(xiàn)。這些物理性質通常包括光、電、聲、磁等，在大學物理化學實驗中，就會借助這些物理性質追蹤在化學反應體系中物理信號隨時間的變化，進行數(shù)據(jù)處理和理論分析得到不同狀態(tài)下的體系的化學信息。

中國科學技術大學化學實驗教學中心(國家級實驗教學示范中心，以下簡稱為中心)設計并開發(fā)了演示型科普實驗項目“多彩的糖——旋光追蹤蔗糖水解反應”。該科普項目中，以蔗糖水解反應為例，以旋光度為被探測物理信號，賦予這個無色的化學反應以絢麗的色彩。

1 實驗材料與裝置

1.1 實驗材料

實驗材料包括蔗糖、白光照明光源、一套偏振片(Φ200 mm)、玻璃缸(27 cm × 8.5 cm × 8 cm)、樣品管(50 mL)。在實驗探究部分使用了分析天平(CP323S)和旋光儀(WXG-4目視旋光儀)。在追蹤蔗糖水解反應部分使用了鹽酸。

1.2 演示裝置

將光源、起偏器、樣品池(管)、檢偏器按順序擺放，如圖1所示。圖1(a)的演示裝置用于觀察色彩以及追蹤蔗糖水解反應，圖1(b)的演示裝置用于濃度探索部分。

圖1 演示裝置圖

1.3 測試裝置

實驗中采用WXG-4目視旋光儀進行旋光值的精確測量。鈉光光線從光源經過起偏鏡后，變成線偏振光，再經過半玻片分解為尋常光與非尋常光，使得觀測視場出現(xiàn)三分視野。樣品管的溶液如果具有旋光性，會將平面偏振光旋轉一個角度。轉動檢偏鏡，從觀測視場觀察三分視野直至視場照度(暗視場)相一致時，度盤上可讀出旋光值，用φ表示。振動面偏轉的角度φ與溶液的濃度c以及光線在液體中通過的距離L有關?？杀硎緸槿缦玛P系式：

2 蔗糖的色彩

蔗糖變色探究之旅第一站的任務就是要找到被蔗糖藏起來的色彩，首先配制得到0.42 g·mL-1的蔗糖溶液，使用WXG-4目視旋光儀測得其溫度為25 °C、光程為10 cm的旋光值，根據(jù)式(1)，換算得到光程為27 cm時旋光值為78.4°，將該糖溶液置于演示裝置的樣品池中(圖1(a))，我們直接觀察到的蔗糖溶液是無色透明的液體，然而通過檢偏器卻可以觀察到絢麗的色彩變化，如圖2所示。

圖2 轉動檢偏器時溶液所呈現(xiàn)色彩

轉動檢偏器，將檢偏器與起偏器的透振方向從垂直轉至平行，在這個過程中，顏色連續(xù)不斷地變化，如圖3所示，從藍色系開始，黃色系結束，經歷多種美麗的色彩。

圖3 轉動檢偏器時蔗糖溶液的顏色呈現(xiàn)圖

蔗糖溶液的色彩現(xiàn)身了，這個現(xiàn)象既神奇又美麗。其實驗原理要從旋光性說起，19世紀，化學家們發(fā)現(xiàn)，手性物質具有旋光性。手性物質指的是鏡面對稱但不能重合的分子，比如含有手性碳的分子。手性碳指的是一個碳原子上連了四個不同的基團，由于基團連接順序的不同會導致分子的對映異構現(xiàn)象。如圖4所示，可以看到這兩個分子雖然鏡像對稱，碳原子上連接的基團也完全相同，但卻僅僅因為基團連接順序的不同而無法重合，就好比是我們的左手與右手。分子的旋光性最早在19世紀由巴斯德發(fā)現(xiàn)。他發(fā)現(xiàn)酒石酸固體存在兩種不同的結晶形態(tài)，這兩種不同形態(tài)的結晶形成的溶液時會使光往相反的方向旋轉，因而發(fā)現(xiàn)分子有左旋與右旋的不同結構。令人難以置信的是，當年巴斯德竟然是在顯微鏡下，將左旋與右旋的酒石酸晶體一點一點地挑選開來的[1]，這也啟示我們做科學研究要有足夠的勇氣和耐心。

圖4 手性碳示意圖

蔗糖就是一種手性物質，具有旋光性。當光經過蔗糖溶液后，光線的偏振方向會發(fā)生旋轉，而且波長不同的光線旋轉的角度也不同，這就是旋光現(xiàn)象。實驗中使用的是白光光源，包含著在垂直于傳播方向上沿一切方向振動的光。當光經過起偏器后，所包含的所有波長的光均變?yōu)橥黄穹较虻钠矫嫫窆猓梢哉J為不同波長的光都站到了同一起跑線上，起跑線的標準是“偏振方向”。緊接著，平面偏振光進入蔗糖溶液，偏振方向發(fā)生變化，如圖5所示?？梢韵胂鬄楦鞑ㄩL的光沿著偏振方向這條賽道上起跑，因物質旋光值與波長成反比[2]，故藍光跑的角度大，黃光跑的角度小。經過一定光程，到達檢偏器時，他們具有了不同的偏振方向，當然，藍光的偏振方向旋轉角度更大。比賽結束后，到“頒獎”的時間了，從第一名——藍光開始，到最后一名——黃光為止，各種顏色的光站上頒獎臺，依次亮相！對應到我們的實驗操作呢，就是轉動檢偏器，改變檢偏角，使得符合透振方向的波長的光依次透過，就會依次顯示出如圖3所示的色彩變化。

圖5 平面偏振光通過旋光物質后的偏振方向旋轉示意圖

在起偏器和檢偏器的幫助下，我們讓原本無色透明的蔗糖溶液展現(xiàn)出多彩的顏色。除了蔗糖之外，生活中還有很多其他常見的物質都具有旋光性，比如蜂蜜、水果中提取的檸檬酸等，感興趣的小伙伴們可以自己動手嘗試嘗試！

3 濃度的影響

成功找到被蔗糖隱藏起來的色彩后，繼續(xù)我們的探究之旅，這一站的任務是探究蔗糖濃度對溶液分光能力的影響。我們配制了濃度分別為0.00、0.06、0.12、0.18、0.24、0.30 g·mL-1的蔗糖溶液，并測試了室溫下光程為13 cm時各溶液的旋光值，分別為0.0°、5.3°、10.7°、15.6°、21.0°、27.0°。將各個濃度的蔗糖溶液放置于樣品管中，通過演示裝置(圖1(b))觀察色彩。如圖6所示，蔗糖濃度越大，旋光值越大，旋轉檢偏器溶液所能呈現(xiàn)的色彩越豐富，說明旋光值越高的溶液分光能力越強。

圖6 起偏器與檢偏器透振方向從垂直到平行的轉動過程中，不同濃度蔗糖溶液的不完全顯色呈現(xiàn)

為什么不同濃度的溶液分光效果會有如此大的差異呢？ 其實，背后的本質原因還是在于旋光值。在一定光程下，旋光值與溶液濃度成正比。蔗糖溶液濃度越高，旋光值越大，意味著不同波長的光通過溶液后偏振方向的旋轉角度差別更大，故分光能力越強，在旋轉檢偏器時所呈現(xiàn)的顏色也就越多。

同時我們也發(fā)現(xiàn)，保持起偏器與檢偏器透振方向的夾角不變，不同濃度的蔗糖溶液所呈現(xiàn)的顏色也不相同，如圖6的每張小圖所示。這也是很好理解的，正如上面所說，固定起偏器與檢偏器透振方向的夾角時，不同濃度的蔗糖溶液的旋光值是不同的，光程一定的情況下，符合檢偏器透振方向的光線顏色也是不同的，所以呈現(xiàn)出的顏色不同。

通過對濃度的探索，我們可以得到兩個重要的結論：(1) 通過增加蔗糖溶液的濃度，可以增大旋光值，使得溶液分光能力增強，可呈現(xiàn)的顏色越多。(2) 固定起偏器與檢偏器透振方向的夾角，不同濃度的蔗糖溶液會呈現(xiàn)不同顏色。

4 追蹤蔗糖水解反應

現(xiàn)在我們可以向蔗糖變色探究旅程的最后一站——追蹤蔗糖水解反應進發(fā)了。首先配制高濃度的蔗糖溶液(為了獲得好的分光效果，以便觀察到更連續(xù)的色彩變化)，采用圖1(a)的演示裝置，調節(jié)檢偏器的角度使得初始顏色為淡藍色后，固定好起偏器與檢偏器的夾角。加入一定量的稀鹽酸并混合均勻，作為反應的起始點開始計時。反應體系中，蔗糖的初始濃度為0.36 g·mL-1，旋光值為67.2°，鹽酸濃度為0.17 mol·mL-1，反應溫度在55 °C左右。

蔗糖水解反應式如下：

反應物蔗糖為右旋物質，比旋光度為+66.6°，產物中，葡萄糖為右旋物質，比旋光度為+52.5°，而果糖是左旋物質，比旋光度為- 91.9°，隨著反應的進行，體系的旋光值不斷減小。為了方便觀察，我們在演示裝置(圖1(a))的左側設置了對比實驗，左側樣品池中進行著條件相同的反應。從0 min開始，每隔一段時間記錄下蔗糖溶液的顏色，如圖7所示。

圖7 蔗糖水解過程中顏色變化圖

隨著反應的進行，體系的旋光值逐漸下降，導致透過檢偏器的光的顏色從一開始的淡藍色變成深藍色，而后變?yōu)樽仙罱K變?yōu)榈S色。如果沒有偏振片這雙眼睛，我們難以覺察到這無色透明的液體正在發(fā)生反應。其實啊，化學反應體系在物質結構發(fā)生變化的同時，它也在透過自己的光、電、熱、聲、磁等物理性質，向外界述說著自己的多姿多彩，只是，一切都藏得很隱秘，你，準備好去發(fā)現(xiàn)它了嗎？

5 結語

蔗糖分子含有手性碳而具有旋光性，光穿過蔗糖溶液后的偏振方向發(fā)生旋轉，且不同波長光線偏振方向的變化程度不一樣，改變起偏器與檢偏器的夾角，則可以觀察到色彩的變化。體系的旋光值越高，則分光能力越強，色彩變化越連續(xù)。另外，固定起偏器與檢偏器透振方向的夾角，不同濃度的蔗糖溶液會呈現(xiàn)不同顏色，我們利用這一點將其用于追蹤蔗糖的水解反應，讓原本肉眼看不出變化的化學反應呈現(xiàn)出多彩的顏色變化。該科普實驗在本校物理化學基礎實驗反應動力學實驗模塊中作為演示內容，很好地激發(fā)了同學們的實驗興趣。

在2021年，“多彩的糖”參加科技周直播活動，該活動接受了新華社報道，見圖8。在2022年，該科普實驗參與了“美食與化學”主題直播活動，該活動同時在新華網、央視頻、中國科大本科招生Bilibili站賬號同步直播，深受觀眾喜愛。該科普實驗具有以下特點。

圖8 中心科技周直播活動新聞片段

5.1 實驗簡單，易于操作

蔗糖的色彩和濃度的影響這兩部分的實驗材料安全易得，實驗裝置簡單，易上手操作，可以作為居家實驗，由家長帶著孩子操作。追蹤蔗糖水解這一部分內容，因為需要在短時間看到明顯的色彩變化現(xiàn)象，需提高反應速率，我們使用了鹽酸作為催化劑，且選用了較高的反應溫度，更適合作為演示實驗。

5.2 現(xiàn)象明顯，易于觀察

在偏振片的幫助下，我們讓原本無色透明的蔗糖溶液展現(xiàn)出各種色彩，能引起小孩子們的好奇心。在科普周活動中，可以邀請小孩子們選擇不同濃度的蔗糖溶液，轉動偏振片觀察現(xiàn)象，體會科學的奧秘。

5.3 原理深刻，引人思考

“多彩的糖”科普實驗背后隱藏著豐富的物理化學知識，當我們將深刻的原理轉化為直觀而又美麗的顏色變化后，不免會讓孩子們思考實驗現(xiàn)象背后究竟蘊含了怎樣的科學道理，會在他們心中埋下一顆學習科學知識的種子。