利用紫外分光光度计的实验教学设计*——以“探究影响蝶豆花中花青素稳定性因素”为例

廖苑君 张原旗 宋一飞 奚 依 孙艳涛**

（1.吉林师范大学化学学院 吉林 四平 136000；2.辽源市第三中学 吉林 辽源 1362000；3.辽源市老年大学 吉林 辽源 136200）

一、引言

蝶豆花，别名为蓝蝴蝶，一种鸢尾科的草本植物，最初记载于《神农本草经》中，其性味辛、苦。蝶豆花中含有丰富的水溶性花青素，维生素A、C 和E 等，具有提高机体免疫力，帮助提高人体皮肤表面弹力和恢复光滑程度，预防胃痛、抗忧郁、抗压力，镇静止惊厥和缓和情绪等保健功效。［1］花青素，又称花色素，属于酚类化合物中的黄酮类多羟基化合物，是自然界中广泛存在的一种水溶性天然色素。［2］由于花青素具有抗氧化、抗衰老、抗炎症、保护视力和改善心血管等较高的药用价值，目前已广泛应用于食品、药品和化妆品等领域。［3］

新一轮课程改革，提出了高中化学实验教学设计既要蕴含学科基础特色，又要体现当代科技发展的创新之处。［4］通过查阅文献，发现使用紫甘蓝、黑枸杞和蓝莓等富含花青素的汁液作为酸碱指示剂应用于中学化学实验教学中，具有现象明显、效果显著的特点，然而未能找到对蝶豆花中花青素的相关研究。本实验以蝶豆花中花青素为研究对象，利用紫外分光光度计探究影响花青素稳定性的因素；围绕花青素具有pH效应的性质进行检测日常食用品的酸碱性、鉴别食物的真伪等生活化实验，突出化学学科知识与生活实践相结合的特点，让学生感受到“化学即生活”，激发学生参与探究的热情，提高学生的实践能力和创新意识。

二、设计思路

有机物质花青素，选自人教版高中化学《有机化学基础》教科书中“酚羟基官能团”的内容，该模块要求学生能够认识酚代表物的组成和结构特点，能结合生产生活实际了解酚类物质对环境和健康可能产生的影响。［5］本实验分析了蝶豆花中花青素的结构、性质和用途，利用紫外分光光度计进行“影响花青素稳定性因素”的探究性实验活动，有助于培养学生“结构决定性质，性质决定用途”的化学学科观念。

酸碱滴定法是化学分析的基本方法之一，反应终点一般通过酸碱指示剂颜色的突变来判定，所以对酸碱指示剂的制备和变色范围的探究尤为重要。学生早在初中化学“酸和碱”教学内容中，就熟知可从牵牛花和紫甘蓝中提取的花青素作为酸碱指示剂，并在实验中使用过紫色石蕊试液和无色酚酞试液。学生往往只是知道几种常用酸碱指示剂的名称和变色范围，而对指示剂的发现历程和变色原理了解不多。本实验提取蝶豆花中花青素作为酸碱指示剂，进行生活化实验，让学生利用所学化学知识对日常生活现象进行合理解释，体验化学与生活的紧密联系。

三、教学组织过程

1.课前准备

（1）仪器：UV-1780型紫外分光光度计。

（2）试剂：蝶豆花花青素提取液（称取5 g蝶豆花，研磨至粉末，用蒸馏水浸泡，过滤，定容至500 mL容量瓶中，得到蝶豆花中花青素待测溶液，备用）、盐酸、氢氧化钠溶液、食用白醋、雪碧、饮用水、苏打水、纯碱水等。

（3）媒体：“移动虚拟实验室”软件（由于现阶段高中化学实验未涉及紫外知识，教师使用“MLabs”进行演示实验操作，并实时讲解，使学生了解紫外分光光度计的使用原理和操作步骤。）

2.实验探究

【趣味实验】用温水冲泡蝶豆花，得到蓝紫色溶液。先滴加几滴柠檬汁，溶液变红色，再继续加入苏打水，溶液变为绿色。

【教师讲解】蝶豆花含有丰富的花青素。花青素，是一种天然水溶性色素，广泛存在于花卉的花瓣、深色果蔬和植物根茎中。［6］随着细胞液的酸碱性不同，可以呈现多彩的颜色，因此，花青素被称为自然界的颜色“大师”。从化学角度看，花青素属于类黄酮类物质，分子结构如图1所示。请同学们查阅文献资料，结合花青素分子结构，试分析花青素的性质和用途。

图1 花青素的分子结构

【学生1】花青素分子结构中含有酚羟基，具有还原性，遇到氧化性物质可被氧化为羧基，所以花青素被公认为最强的天然抗氧化剂之一，是抗氧化药物的主要成分。［7～8］

【学生2】花青素分子具有缺电子的结构特征，使其不稳定，极易受到活性氧负离子和自由电子的攻击，不同溶液的pH值、温度及金属离子的种类等在一定程度上均会影响其稳定性。［9］

【教师总结】“结构决定性质”，根据图1，得知花青素具有较高的活性。本次实验课我们将利用紫外分光光度计，探究影响蝶豆花中花青素的稳定性因素有哪些？采用紫外分光光度计，根据实时采集的图像信息探究花青素反应的过程及实质，为肉眼观察到的实验现象进行科学的解释和补充。

设计意图：通过趣味实验的溶液颜色变化多彩，视觉冲击力强等特点，调动学生的好奇心和求知欲。学生在明确研究对象后，经过查阅文献，能从物质的微观层面理解花青素的结构与性质、用途之间的联系，发展学生“宏观辨识与微观探析”的化学学科核心素养。

探究实验1：配制时间对蝶豆花中花青素稳定性的影响。

【实验操作】将课前已制备的蝶豆花花青素提取液放置一段时间，观察其颜色变化（见图2），使用紫外分光光度计测定不同配制时间下花青素提取液的紫外—可见吸收光谱（见图3）。

图2 配制时间对花青素稳定性的影响

【实验现象】根据图2 的颜色变化，并结合图3 吸收光谱进行分析，蝶豆花中的花青素在紫外光区280 nm和可见光区575、619 nm处有强吸收峰，但随着时间的增长，其吸光度逐渐减小，提取液的颜色变浅。

图3 花青素提取液随配制时间变化的紫外—可见吸收光谱

【实验结论】蝶豆花中花青素的稳定性随溶液配制时间的增长而降低，所以在进行实验时，最好现用现配。在日常生活中食用蝶豆花饮品时最好及时饮用，降低花青素含量的损失。

探究实验2：pH对蝶豆花中花青素稳定性的影响。

【实验操作】移取3 mL pH 为1-14 的盐酸或氢氧化钠溶液于试剂瓶中，分别加入1mL蝶豆花花青素提取液，观察溶液的颜色变化如图4所示。以蒸馏水作参比溶液，设置扫描范围为200-800 nm，使用紫外分光光度计测定不同pH水溶液中花青素的紫外—可见吸收光谱（见图5）。

【实验现象】不同pH环境下蝶豆花花青素的颜色变化规律与其紫外可见吸收光谱的变化趋势相似。结合图4和图5可以得知：在紫外可见光区域，蝶豆花中花青素在237、575 和619 nm 处存在特征吸收峰。当pH=1-2时，强酸环境破坏了花青素的结构，溶液为粉红色；随着pH值由3增加至10，溶液颜色由紫色逐渐变为蓝色，特征吸收峰的位置向长波方向移动，吸光度值呈现增高的趋势。当pH=11 时花青素的吸收峰继续右移，但吸光值降低，颜色由蓝色转变为绿色。当pH=12 时，在380nm 处出现新的较强吸收峰，且吸光值变大。当pH=13-14 时花青素的结构被破坏，无吸收峰，颜色变为黄色。

图4 pH对花青素稳定性的影响

【原理分析】结构决定性质，反之，性质变化也反映出分子结构的改变。从结构上看，花青素属于有机弱酸，其变色原理是通过电离平衡移动所实现的（见图6）。蝶豆花中的花青素在酸性溶液中主要以红色的黄烊盐（AH+）形态存在，在碱性溶液中以蓝绿色的醌式碱（A）形态存在。随着pH的升高，黄烊阳离子失去质子而转变为醌式碱。［10］所以在不同pH环境中，花青素的酚式结构与醌式结构之间相互转化，产生颜色的变化。［11］

图6 蝶豆花花青素变色原理

【实验结论】在不同的pH 下，花青素分子结构中的取代基不同，紫外可见吸收光谱中的特征吸收峰位置和强度不同，所以蝶豆花中的花青素呈现出明显的pH效应。［12］在强酸及强碱条件下，提取液呈现粉红色和黄绿色，花青素的结构被破坏，不稳定；而pH 为4-10条件下花青素的稳定性较好，呈现提取液自身的颜色（蓝紫色）。

【知识延伸】（1）蝶豆花中花青素的显色受溶液pH的影响，可用于制作简单安全的酸碱指示剂，判断物质的酸碱性，指示酸碱反应的终点。［13-14］（2）在弱酸、弱碱及中性的环境中，花青素在紫外光区的吸光度数值高于可见光区的吸光度，说明蝶豆花中花青素能较好地吸收紫外光，在体内起到紫外屏障的作用。［15］

探究实验3：温度对蝶豆花中花青素稳定性的影响

【实验操作】向试剂瓶中加入相同体积的蝶豆花花青素提取液，分别置于20 ℃、50 ℃和100 ℃的水浴锅中，放置一段时间，观察溶液的颜色变化（见图7），使用紫外分光光度计测定不同温度时花青素提取液的紫外—可见吸收光谱（见图8）。

图7 温度对花青素稳定性的影响

图8 花青素提取液随温度变化的紫外—可见吸收光谱

【实验现象】从图7-8中可以发现，蝶豆花中花青素在低温环境下的稳定性较好，随着溶液温度的升高，分解速度加快。在沸水浴中加入一段时间后颜色褪去，说明花青素几乎分解完全。

【实验结论】蝶豆花中花青素的稳定性随溶液加热温度的升高而降低，所以应在低温环境下放置与保存蝶豆花。在食用蝶豆花饮品时最好用温水冲泡，以免花青素被破坏。

探究实验4：离子对蝶豆花中花青素稳定性的影响

【实验操作】移取3 mL 蝶豆花花青素提取液于试剂瓶中，分别加入1 mL 0.05 mol/L 含有不同金属和非金属离子的溶液。观察溶液的颜色变化如图9-10所示，并使用紫外分光光度计测定加入不同离子后溶液的紫外—可见吸收光谱（见图11-12）。

图9 金属离子对花青素稳定性的影响

【实验现象】（1）不同金属阳离子：观察到图9中的颜色（在蓝紫—蓝色范围内）无明显变化，并结合图11的吸收光谱进行分析，发现在可见光区575、619 nm附近有两处强吸收峰，峰的位置几乎不偏移，吸光度相差不大。（2）不同非金属阴离子：从图10 可观察到蝶豆花中花青素在溶液中呈现绿色，而在其他阴离子溶液中颜色（蓝紫—蓝色）无明显变化。关于颜色变化的现象可由图12进行解释：蝶豆花中花青素在含有溶液中，可见光区575、619 nm附近有两处吸收峰，峰的位置和吸光度几乎没有变化；当蝶豆花中花青素遇后，在可见光区602.5 nm只有一处吸收峰，且吸光度明显降低。

图10 非金属离子对花青素稳定性的影响

图11 花青素提取液在金属阳离子溶液中的紫外—可见吸收光谱

图12 花青素提取液在非金属阴离子溶液中的紫外—可见吸收光谱

阶段性小结

采用数字化仪器——紫外分光光度计进行“影响花青素稳定性因素”的探究性实验活动，实验结果以图像化的形式进行表征，更加直观精准，可以对学生观察到的宏观现象（花青素提取液颜色的变化）进行微观层面（紫外—可见吸收光谱中吸收峰的位置和吸光度的强度的变化）的分析解释，使学生深入了解花青素在不同影响因素下的反应本质及过程，从而得出蝶豆花中花青素具有较高活性的实验结论。拓宽了学生的化学视野，改变了学生的认知方式，培养了学生的创新精神和实践能力。

3.实践应用

生活化实验：鉴别食品的酸碱性。

【学生实验】移取4 mL 食用白醋、雪碧、饮用水、苏打水和纯碱水于试剂瓶中，分别滴加10滴蝶豆花花青素提取液作为指示剂，观察颜色变化。

【实验现象】向不同食品中滴加蝶豆花指示剂后，溶液颜色的变化如图13所示。

图13 蝶豆花花青素提取液在不同物质中的颜色

【汇报分享】

学生A：蝶豆花提取液可以区分溶液的酸碱性，选做酸碱指示剂是可行的。所以含有花青素的溶液可以作为酸碱指示剂。

学生B：根据溶液颜色的变化，可以判断出食用白醋和雪碧属于酸性溶液，饮用水为中性溶液，苏打水和纯碱水为碱性溶液。

学生C：pH 排序为：白醋＜雪碧＜饮用水＜苏打水＜纯碱水。

学生D：根据化学平衡移动原理可知，向溶液中加入白醋，相当于增大c（H+），平衡向正反应方向移动，即溶液变为红色；而向溶液中加入纯碱，平衡向逆反应方向移动，溶液变为绿色。所以，进一步验证了浓度对化学平衡状态的影响：在其他条件不变时，增大某一物质的浓度，平衡会向使该物质浓度减小的方向移动；减小某一物质的浓度，平衡会向使该物质浓度增大的方向移动。［16］

阶段性小结

基于花青素在不同pH溶液中呈现出绚丽多彩的颜色变化的实验原理，运用蝶豆花自制酸碱指示剂，设计鉴别食品酸碱性的生活化实验。选择常见的食材作为实验对象，贴近生活，拉近学生与化学之间的距离，体会“生活中的化学”。由于此实验具有安全易操作、现象明显、趣味性强等特点，适合开展学生实验，既能培养学生“设计并完善实验方案”“实验操作”及“现象分析”等能力，又有助于加深学生对“酸碱指示剂”和“化学平衡移动”知识的学习和理解。

4.拓展提高

【布置家庭作业】请同学们根据本次实验课学习到的知识，思考并设计实验方案，判断以下说法的正误。

（1）天津高考选择题选项：葡萄中的花青素在碱性环境下显蓝色，故可用苏打粉检验加红酒。

（2）网络谣言：紫薯包变绿是因为变质了。

（3）是真的吗：黑枸杞不宜用热水冲泡。

（4）热点话题：葡萄籽能够防衰老，抗氧化。

设计意图：在留给学生的课后思考作业中，既包含了花青素的性质（还原性、不稳定性）问题，又涉及到花青素在生活中的应用实例，让学生感受到化学就在身边。不仅能让学生体会到设计和探究的乐趣，巩固对本节实验课知识的理解，还能让学生利用花青素的性质创造性地解决实际问题，认可所学知识的价值，达到学以致用的目的，提高学生的科学实践能力，发展学生的学科核心素养。

四、结论与反思

本次探究实验活动符合新课程改革中对高中化学实验教学设计的要求。通过使用紫外分光光度计对蝶豆花中花青素稳定性的影响因素进行探究，得到“花青素在强酸、强碱、高温、存放时间长或含离子的溶液中稳定性较差”的实验结论。利用数字化仪器，采集到的实验数据以曲线的形式进行表征，使学生更加直观地理解化学反应本质，深入掌握化学反应原理，转变了学生的学习方式，开拓了学生的科学视野，培养了学生的创新精神和探究能力。

通过选择蝶豆花中的花青素作为研究对象，贴近学生的生活，符合学生的认知，突出了化学学科知识与生活实际相结合的特点。基于花青素的性质，可以使用蝶豆花水溶液对初中化学“认识酸碱指示剂”中紫甘蓝汁液做酸碱指示剂的内容进行扩充，还可应用于部分非金属阴离子检验的教学活动中。通过设计一些安全易操作、现象明显、趣味性强的生活化实验，不仅能激发学生学习化学的兴趣，提高学生的动手实践能力，还能培养学生探究生活现象的能力，利用所学化学知识对日常生活现象进行合理的解释，体验化学实验在解决实际问题中的重要作用。