利用紫外分光光度計的實驗教學設計*
——以“探究影響蝶豆花中花青素穩(wěn)定性因素”為例

廖苑君 張原旗 宋一飛 奚 依 孫艷濤**

（1.吉林師范大學化學學院 吉林 四平 136000；2.遼源市第三中學 吉林 遼源 1362000；3.遼源市老年大學 吉林 遼源 136200）

一、引言

蝶豆花，別名為藍蝴蝶，一種鳶尾科的草本植物，最初記載于《神農本草經》中，其性味辛、苦。蝶豆花中含有豐富的水溶性花青素，維生素A、C 和E 等，具有提高機體免疫力，幫助提高人體皮膚表面彈力和恢復光滑程度，預防胃痛、抗憂郁、抗壓力，鎮(zhèn)靜止驚厥和緩和情緒等保健功效。［1］花青素，又稱花色素，屬于酚類化合物中的黃酮類多羥基化合物，是自然界中廣泛存在的一種水溶性天然色素。［2］由于花青素具有抗氧化、抗衰老、抗炎癥、保護視力和改善心血管等較高的藥用價值，目前已廣泛應用于食品、藥品和化妝品等領域。［3］

新一輪課程改革，提出了高中化學實驗教學設計既要蘊含學科基礎特色，又要體現(xiàn)當代科技發(fā)展的創(chuàng)新之處。［4］通過查閱文獻，發(fā)現(xiàn)使用紫甘藍、黑枸杞和藍莓等富含花青素的汁液作為酸堿指示劑應用于中學化學實驗教學中，具有現(xiàn)象明顯、效果顯著的特點，然而未能找到對蝶豆花中花青素的相關研究。本實驗以蝶豆花中花青素為研究對象，利用紫外分光光度計探究影響花青素穩(wěn)定性的因素；圍繞花青素具有pH效應的性質進行檢測日常食用品的酸堿性、鑒別食物的真?zhèn)蔚壬罨瘜嶒灒怀龌瘜W學科知識與生活實踐相結合的特點，讓學生感受到“化學即生活”，激發(fā)學生參與探究的熱情，提高學生的實踐能力和創(chuàng)新意識。

二、設計思路

有機物質花青素，選自人教版高中化學《有機化學基礎》教科書中“酚羥基官能團”的內容，該模塊要求學生能夠認識酚代表物的組成和結構特點，能結合生產生活實際了解酚類物質對環(huán)境和健康可能產生的影響。［5］本實驗分析了蝶豆花中花青素的結構、性質和用途，利用紫外分光光度計進行“影響花青素穩(wěn)定性因素”的探究性實驗活動，有助于培養(yǎng)學生“結構決定性質，性質決定用途”的化學學科觀念。

酸堿滴定法是化學分析的基本方法之一，反應終點一般通過酸堿指示劑顏色的突變來判定，所以對酸堿指示劑的制備和變色范圍的探究尤為重要。學生早在初中化學“酸和堿”教學內容中，就熟知可從牽牛花和紫甘藍中提取的花青素作為酸堿指示劑，并在實驗中使用過紫色石蕊試液和無色酚酞試液。學生往往只是知道幾種常用酸堿指示劑的名稱和變色范圍，而對指示劑的發(fā)現(xiàn)歷程和變色原理了解不多。本實驗提取蝶豆花中花青素作為酸堿指示劑，進行生活化實驗，讓學生利用所學化學知識對日常生活現(xiàn)象進行合理解釋，體驗化學與生活的緊密聯(lián)系。

三、教學組織過程

1.課前準備

（1）儀器：UV-1780型紫外分光光度計。

（2）試劑：蝶豆花花青素提取液（稱取5 g蝶豆花，研磨至粉末，用蒸餾水浸泡，過濾，定容至500 mL容量瓶中，得到蝶豆花中花青素待測溶液，備用）、鹽酸、氫氧化鈉溶液、食用白醋、雪碧、飲用水、蘇打水、純堿水等。

（3）媒體：“移動虛擬實驗室”軟件（由于現(xiàn)階段高中化學實驗未涉及紫外知識，教師使用“MLabs”進行演示實驗操作，并實時講解，使學生了解紫外分光光度計的使用原理和操作步驟。）

2.實驗探究

【趣味實驗】用溫水沖泡蝶豆花，得到藍紫色溶液。先滴加幾滴檸檬汁，溶液變紅色，再繼續(xù)加入蘇打水，溶液變?yōu)榫G色。

【教師講解】蝶豆花含有豐富的花青素。花青素，是一種天然水溶性色素，廣泛存在于花卉的花瓣、深色果蔬和植物根莖中。［6］隨著細胞液的酸堿性不同，可以呈現(xiàn)多彩的顏色，因此，花青素被稱為自然界的顏色“大師”。從化學角度看，花青素屬于類黃酮類物質，分子結構如圖1所示。請同學們查閱文獻資料，結合花青素分子結構，試分析花青素的性質和用途。

圖1 花青素的分子結構

【學生1】花青素分子結構中含有酚羥基，具有還原性，遇到氧化性物質可被氧化為羧基，所以花青素被公認為最強的天然抗氧化劑之一，是抗氧化藥物的主要成分。［7～8］

【學生2】花青素分子具有缺電子的結構特征，使其不穩(wěn)定，極易受到活性氧負離子和自由電子的攻擊，不同溶液的pH值、溫度及金屬離子的種類等在一定程度上均會影響其穩(wěn)定性。［9］

【教師總結】“結構決定性質”，根據圖1，得知花青素具有較高的活性。本次實驗課我們將利用紫外分光光度計，探究影響蝶豆花中花青素的穩(wěn)定性因素有哪些？采用紫外分光光度計，根據實時采集的圖像信息探究花青素反應的過程及實質，為肉眼觀察到的實驗現(xiàn)象進行科學的解釋和補充。

設計意圖：通過趣味實驗的溶液顏色變化多彩，視覺沖擊力強等特點，調動學生的好奇心和求知欲。學生在明確研究對象后，經過查閱文獻，能從物質的微觀層面理解花青素的結構與性質、用途之間的聯(lián)系，發(fā)展學生“宏觀辨識與微觀探析”的化學學科核心素養(yǎng)。

探究實驗1：配制時間對蝶豆花中花青素穩(wěn)定性的影響。

【實驗操作】將課前已制備的蝶豆花花青素提取液放置一段時間，觀察其顏色變化（見圖2），使用紫外分光光度計測定不同配制時間下花青素提取液的紫外—可見吸收光譜（見圖3）。

圖2 配制時間對花青素穩(wěn)定性的影響

【實驗現(xiàn)象】根據圖2 的顏色變化，并結合圖3 吸收光譜進行分析，蝶豆花中的花青素在紫外光區(qū)280 nm和可見光區(qū)575、619 nm處有強吸收峰，但隨著時間的增長，其吸光度逐漸減小，提取液的顏色變淺。

圖3 花青素提取液隨配制時間變化的紫外—可見吸收光譜

【實驗結論】蝶豆花中花青素的穩(wěn)定性隨溶液配制時間的增長而降低，所以在進行實驗時，最好現(xiàn)用現(xiàn)配。在日常生活中食用蝶豆花飲品時最好及時飲用，降低花青素含量的損失。

探究實驗2：pH對蝶豆花中花青素穩(wěn)定性的影響。

【實驗操作】移取3 mL pH 為1-14 的鹽酸或氫氧化鈉溶液于試劑瓶中，分別加入1mL蝶豆花花青素提取液，觀察溶液的顏色變化如圖4所示。以蒸餾水作參比溶液，設置掃描范圍為200-800 nm，使用紫外分光光度計測定不同pH水溶液中花青素的紫外—可見吸收光譜（見圖5）。

【實驗現(xiàn)象】不同pH環(huán)境下蝶豆花花青素的顏色變化規(guī)律與其紫外可見吸收光譜的變化趨勢相似。結合圖4和圖5可以得知：在紫外可見光區(qū)域，蝶豆花中花青素在237、575 和619 nm 處存在特征吸收峰。當pH=1-2時，強酸環(huán)境破壞了花青素的結構，溶液為粉紅色；隨著pH值由3增加至10，溶液顏色由紫色逐漸變?yōu)樗{色，特征吸收峰的位置向長波方向移動，吸光度值呈現(xiàn)增高的趨勢。當pH=11 時花青素的吸收峰繼續(xù)右移，但吸光值降低，顏色由藍色轉變?yōu)榫G色。當pH=12 時，在380nm 處出現(xiàn)新的較強吸收峰，且吸光值變大。當pH=13-14 時花青素的結構被破壞，無吸收峰，顏色變?yōu)辄S色。

圖4 pH對花青素穩(wěn)定性的影響

【原理分析】結構決定性質，反之，性質變化也反映出分子結構的改變。從結構上看，花青素屬于有機弱酸，其變色原理是通過電離平衡移動所實現(xiàn)的（見圖6）。蝶豆花中的花青素在酸性溶液中主要以紅色的黃烊鹽（AH+）形態(tài)存在，在堿性溶液中以藍綠色的醌式堿（A）形態(tài)存在。隨著pH的升高，黃烊陽離子失去質子而轉變?yōu)轷綁A。［10］所以在不同pH環(huán)境中，花青素的酚式結構與醌式結構之間相互轉化，產生顏色的變化。［11］

圖6 蝶豆花花青素變色原理

【實驗結論】在不同的pH 下，花青素分子結構中的取代基不同，紫外可見吸收光譜中的特征吸收峰位置和強度不同，所以蝶豆花中的花青素呈現(xiàn)出明顯的pH效應。［12］在強酸及強堿條件下，提取液呈現(xiàn)粉紅色和黃綠色，花青素的結構被破壞，不穩(wěn)定；而pH 為4-10條件下花青素的穩(wěn)定性較好，呈現(xiàn)提取液自身的顏色（藍紫色）。

【知識延伸】（1）蝶豆花中花青素的顯色受溶液pH的影響，可用于制作簡單安全的酸堿指示劑，判斷物質的酸堿性，指示酸堿反應的終點。［13-14］（2）在弱酸、弱堿及中性的環(huán)境中，花青素在紫外光區(qū)的吸光度數(shù)值高于可見光區(qū)的吸光度，說明蝶豆花中花青素能較好地吸收紫外光，在體內起到紫外屏障的作用。［15］

探究實驗3：溫度對蝶豆花中花青素穩(wěn)定性的影響

【實驗操作】向試劑瓶中加入相同體積的蝶豆花花青素提取液，分別置于20 ℃、50 ℃和100 ℃的水浴鍋中，放置一段時間，觀察溶液的顏色變化（見圖7），使用紫外分光光度計測定不同溫度時花青素提取液的紫外—可見吸收光譜（見圖8）。

圖7 溫度對花青素穩(wěn)定性的影響

圖8 花青素提取液隨溫度變化的紫外—可見吸收光譜

【實驗現(xiàn)象】從圖7-8中可以發(fā)現(xiàn)，蝶豆花中花青素在低溫環(huán)境下的穩(wěn)定性較好，隨著溶液溫度的升高，分解速度加快。在沸水浴中加入一段時間后顏色褪去，說明花青素幾乎分解完全。

【實驗結論】蝶豆花中花青素的穩(wěn)定性隨溶液加熱溫度的升高而降低，所以應在低溫環(huán)境下放置與保存蝶豆花。在食用蝶豆花飲品時最好用溫水沖泡，以免花青素被破壞。

探究實驗4：離子對蝶豆花中花青素穩(wěn)定性的影響

【實驗操作】移取3 mL 蝶豆花花青素提取液于試劑瓶中，分別加入1 mL 0.05 mol/L 含有不同金屬和非金屬離子的溶液。觀察溶液的顏色變化如圖9-10所示，并使用紫外分光光度計測定加入不同離子后溶液的紫外—可見吸收光譜（見圖11-12）。

圖9 金屬離子對花青素穩(wěn)定性的影響

【實驗現(xiàn)象】（1）不同金屬陽離子：觀察到圖9中的顏色（在藍紫—藍色范圍內）無明顯變化，并結合圖11的吸收光譜進行分析，發(fā)現(xiàn)在可見光區(qū)575、619 nm附近有兩處強吸收峰，峰的位置幾乎不偏移，吸光度相差不大。（2）不同非金屬陰離子：從圖10 可觀察到蝶豆花中花青素在溶液中呈現(xiàn)綠色，而在其他陰離子溶液中顏色（藍紫—藍色）無明顯變化。關于顏色變化的現(xiàn)象可由圖12進行解釋：蝶豆花中花青素在含有溶液中，可見光區(qū)575、619 nm附近有兩處吸收峰，峰的位置和吸光度幾乎沒有變化；當?shù)够ㄖ谢ㄇ嗨赜龊螅诳梢姽鈪^(qū)602.5 nm只有一處吸收峰，且吸光度明顯降低。

圖10 非金屬離子對花青素穩(wěn)定性的影響

圖11 花青素提取液在金屬陽離子溶液中的紫外—可見吸收光譜

圖12 花青素提取液在非金屬陰離子溶液中的紫外—可見吸收光譜

階段性小結

采用數(shù)字化儀器——紫外分光光度計進行“影響花青素穩(wěn)定性因素”的探究性實驗活動，實驗結果以圖像化的形式進行表征，更加直觀精準，可以對學生觀察到的宏觀現(xiàn)象（花青素提取液顏色的變化）進行微觀層面（紫外—可見吸收光譜中吸收峰的位置和吸光度的強度的變化）的分析解釋，使學生深入了解花青素在不同影響因素下的反應本質及過程，從而得出蝶豆花中花青素具有較高活性的實驗結論。拓寬了學生的化學視野，改變了學生的認知方式，培養(yǎng)了學生的創(chuàng)新精神和實踐能力。

3.實踐應用

生活化實驗：鑒別食品的酸堿性。

【學生實驗】移取4 mL 食用白醋、雪碧、飲用水、蘇打水和純堿水于試劑瓶中，分別滴加10滴蝶豆花花青素提取液作為指示劑，觀察顏色變化。

【實驗現(xiàn)象】向不同食品中滴加蝶豆花指示劑后，溶液顏色的變化如圖13所示。

圖13 蝶豆花花青素提取液在不同物質中的顏色

【匯報分享】

學生A：蝶豆花提取液可以區(qū)分溶液的酸堿性，選做酸堿指示劑是可行的。所以含有花青素的溶液可以作為酸堿指示劑。

學生B：根據溶液顏色的變化，可以判斷出食用白醋和雪碧屬于酸性溶液，飲用水為中性溶液，蘇打水和純堿水為堿性溶液。

學生C：pH 排序為：白醋＜雪碧＜飲用水＜蘇打水＜純堿水。

學生D：根據化學平衡移動原理可知，向溶液中加入白醋，相當于增大c（H+），平衡向正反應方向移動，即溶液變?yōu)榧t色；而向溶液中加入純堿，平衡向逆反應方向移動，溶液變?yōu)榫G色。所以，進一步驗證了濃度對化學平衡狀態(tài)的影響：在其他條件不變時，增大某一物質的濃度，平衡會向使該物質濃度減小的方向移動；減小某一物質的濃度，平衡會向使該物質濃度增大的方向移動。［16］

階段性小結

基于花青素在不同pH溶液中呈現(xiàn)出絢麗多彩的顏色變化的實驗原理，運用蝶豆花自制酸堿指示劑，設計鑒別食品酸堿性的生活化實驗。選擇常見的食材作為實驗對象，貼近生活，拉近學生與化學之間的距離，體會“生活中的化學”。由于此實驗具有安全易操作、現(xiàn)象明顯、趣味性強等特點，適合開展學生實驗，既能培養(yǎng)學生“設計并完善實驗方案”“實驗操作”及“現(xiàn)象分析”等能力，又有助于加深學生對“酸堿指示劑”和“化學平衡移動”知識的學習和理解。

4.拓展提高

【布置家庭作業(yè)】請同學們根據本次實驗課學習到的知識，思考并設計實驗方案，判斷以下說法的正誤。

（1）天津高考選擇題選項：葡萄中的花青素在堿性環(huán)境下顯藍色，故可用蘇打粉檢驗加紅酒。

（2）網絡謠言：紫薯包變綠是因為變質了。

（3）是真的嗎：黑枸杞不宜用熱水沖泡。

（4）熱點話題：葡萄籽能夠防衰老，抗氧化。

設計意圖：在留給學生的課后思考作業(yè)中，既包含了花青素的性質（還原性、不穩(wěn)定性）問題，又涉及到花青素在生活中的應用實例，讓學生感受到化學就在身邊。不僅能讓學生體會到設計和探究的樂趣，鞏固對本節(jié)實驗課知識的理解，還能讓學生利用花青素的性質創(chuàng)造性地解決實際問題，認可所學知識的價值，達到學以致用的目的，提高學生的科學實踐能力，發(fā)展學生的學科核心素養(yǎng)。

四、結論與反思

本次探究實驗活動符合新課程改革中對高中化學實驗教學設計的要求。通過使用紫外分光光度計對蝶豆花中花青素穩(wěn)定性的影響因素進行探究，得到“花青素在強酸、強堿、高溫、存放時間長或含離子的溶液中穩(wěn)定性較差”的實驗結論。利用數(shù)字化儀器，采集到的實驗數(shù)據以曲線的形式進行表征，使學生更加直觀地理解化學反應本質，深入掌握化學反應原理，轉變了學生的學習方式，開拓了學生的科學視野，培養(yǎng)了學生的創(chuàng)新精神和探究能力。

通過選擇蝶豆花中的花青素作為研究對象，貼近學生的生活，符合學生的認知，突出了化學學科知識與生活實際相結合的特點。基于花青素的性質，可以使用蝶豆花水溶液對初中化學“認識酸堿指示劑”中紫甘藍汁液做酸堿指示劑的內容進行擴充，還可應用于部分非金屬陰離子檢驗的教學活動中。通過設計一些安全易操作、現(xiàn)象明顯、趣味性強的生活化實驗，不僅能激發(fā)學生學習化學的興趣，提高學生的動手實踐能力，還能培養(yǎng)學生探究生活現(xiàn)象的能力，利用所學化學知識對日常生活現(xiàn)象進行合理的解釋，體驗化學實驗在解決實際問題中的重要作用。