葡萄糖溶液變色原因探究

一、探究背景

在準備藍瓶子實驗時，同學誤將葡萄糖溶液和氫氧化鈉溶液混合久置，產生了意料之外的變色現象：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，這是葡萄糖發生一系列反應生成5-HMF（5-羥甲基糠醛），并進一步分解形成深色物質導致的。有研究顯示，在反應中葡萄糖要生成HMF可能需要先發生異構化反應變為果糖。又有文獻指出，氫氧化鈉可以很好地催化葡萄糖異構化為果糖，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，還是葡萄糖直接在該條件下反應生成有色物質呢？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，溶液中葡萄糖異構化為果糖的反應是可逆的（葡萄糖和果糖在催化下可以相互轉化），這就使得我無法研究純的葡萄糖或果糖能否發生反應。但是這個反應達到相互轉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致的變色。于是，我直接用果糖（可以看作完全轉化為果糖的葡萄糖）進行反應，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氫氧化鈉標準溶液、去離子水、葡萄糖、果糖

實驗步驟：

1.用去離子水配制一杯質量分數為9.09%的葡萄糖溶液和同質量分數的果糖溶液。

2.每種溶液按5∶2的體積比與0.5 mol/L氫氧化鈉標準溶液混合，攪拌。

3.等待，觀察現象。

實驗預測：實驗組果糖溶液將更快地發生變色。

實驗現象：在第25分鐘時，實驗組果糖溶液呈現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中能更快地“進入狀態”——變色更快。

實驗分析：發現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生成有色物質的結果。如果是葡萄糖直接反應生成了有色物質，那么在控制葡萄糖轉化為果糖的速率的過程中不會發生如此明顯的變化（甚至應該是變慢）。再結合葡萄糖溶液沒有在氫氧化鈉的催化下異構化為果糖的時候不會發生變色的現象，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——我的猜想是正確的。

結論：堿性葡萄糖溶液變色的原因是，葡萄糖被堿催化異構化為果糖，果糖再脫水降解為5-HMF等有色物質。在堿性條件下，葡萄糖轉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想，查找資料，不斷發問、猜測，最終通過實驗驗證了實驗前的猜想，得出結論。實驗雖然簡單，卻解開了葡萄糖溶液變色之謎，揭示了反應原理。

今后，我還會開展更多的探究，為化工和化學行業輸入新鮮血液。

專家點評

周敉頔同學從準備藍瓶子實驗時的意外發現入手，開展定量研究，得出“在堿性條件下，葡萄糖轉化成果糖的速率比果糖降解的速率要慢”這一結論。這是本研究很好的發現，是精華所在，體現了作者的創新性。

陸燕海老師在《葡萄糖溶液放置變色現象的探究》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5-HMF及聚合物所致；溶液的質量分數越高、溫度越高，溶劑用水中雜質離子含量就越多，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。

化學反應機理非常復雜。葡萄糖在堿性溶液中會異構化和發生降解反應，轉變為鏈形結構烯醇化的烯二醇中間體，然后生成甘露糖、果糖等物質，部分會脫水形成 5-HMF。這些物質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物。中學生受實驗條件限制，僅僅做一個對比實驗就得出葡萄糖溶液變色原理等結論有些簡單化。

對比實驗為什么選用0.5 mol/L氫氧化鈉標準溶液、質量分數為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氫氧化鈉標準溶液混合？其他質量分數的葡萄糖溶液或者體積比行不行？建議繼續研究或作出說明。