葡萄糖溶液变色原因探究

一、探究背景

在准备蓝瓶子实验时，同学误将葡萄糖溶液和氢氧化钠溶液混合久置，产生了意料之外的变色现象：随着时间推移，溶液颜色变黄，直至变成红棕色。

通过查找资料，我得知，这是葡萄糖发生一系列反应生成5-HMF（5-羟甲基糠醛），并进一步分解形成深色物质导致的。有研究显示，在反应中葡萄糖要生成HMF可能需要先发生异构化反应变为果糖。又有文献指出，氢氧化钠可以很好地催化葡萄糖异构化为果糖，而不加氢氧化钠，葡萄糖溶液不会变色，这意味着，氢氧化钠在葡萄糖溶液变色上起重要作用。

这引发了我的思考：氢氧化钠究竟是如何给葡萄糖“上色”的呢？是果糖做中间体，氢氧化钠起催化作用，最终生成了有色物质，还是葡萄糖直接在该条件下反应生成有色物质呢？抑或是两者都有？为了解答疑惑，我开始了实验。

二、对比实验

正常情况下，溶液中葡萄糖异构化为果糖的反应是可逆的（葡萄糖和果糖在催化下可以相互转化），这就使得我无法研究纯的葡萄糖或果糖能否发生反应。但是这个反应达到相互转化的平衡需要很长时间。如果我对比不同原料条件下葡萄糖和果糖达到相同的颜色的时间，就可以得出是哪种方式导致的变色。于是，我直接用果糖（可以看作完全转化为果糖的葡萄糖）进行反应，将葡萄糖作为对照。

实验名称：比较同等情况下果糖溶液和葡萄糖溶液变色的速度

实验仪器：若干烧杯、玻璃棒、量筒

实验药品：0.5 mol/L氢氧化钠标准溶液、去离子水、葡萄糖、果糖

实验步骤：

1.用去离子水配制一杯质量分数为9.09%的葡萄糖溶液和同质量分数的果糖溶液。

2.每种溶液按5∶2的体积比与0.5 mol/L氢氧化钠标准溶液混合，搅拌。

3.等待，观察现象。

实验预测：实验组果糖溶液将更快地发生变色。

实验现象：在第25分钟时，实验组果糖溶液呈现肉眼勉强可见的浅啤酒色，而对照组葡萄糖溶液的颜色没有明显变化。

在大约一个半小时后，果糖溶液呈现明显的黄色，而葡萄糖溶液仍接近无色。

24小时后，果糖溶液呈现亮黄色，而葡萄糖溶液才变成浅啤酒色。这验证了果糖溶液在反应中能更快地“进入状态”——变色更快。

实验分析：发现实验组果糖溶液變色的速度更快后，我基本可以确定变色是果糖做中间体反应生成有色物质的结果。如果是葡萄糖直接反应生成了有色物质，那么在控制葡萄糖转化为果糖的速率的过程中不会发生如此明显的变化（甚至应该是变慢）。再结合葡萄糖溶液没有在氢氧化钠的催化下异构化为果糖的时候不会发生变色的现象，可以确定在该条件下碱性葡萄糖溶液变色的原理是：葡萄糖先在氢氧化钠的催化作用下异构化为果糖，而果糖在该条件下以较快的速度生成了有色物质——我的猜想是正确的。

结论：碱性葡萄糖溶液变色的原因是，葡萄糖被碱催化异构化为果糖，果糖再脱水降解为5-HMF等有色物质。在碱性条件下，葡萄糖转化成果糖的速率比果糖降解的速率要慢。

三、体会

我从一杯普普通通的碱性葡萄糖溶液展开联想，查找资料，不断发问、猜测，最终通过实验验证了实验前的猜想，得出结论。实验虽然简单，却解开了葡萄糖溶液变色之谜，揭示了反应原理。

今后，我还会开展更多的探究，为化工和化学行业输入新鲜血液。

专家点评

周敉頔同学从准备蓝瓶子实验时的意外发现入手，开展定量研究，得出“在碱性条件下，葡萄糖转化成果糖的速率比果糖降解的速率要慢”这一结论。这是本研究很好的发现，是精华所在，体现了作者的创新性。

陆燕海老师在《葡萄糖溶液放置变色现象的探究》一文中指出：葡萄糖溶液久置变黄是放置过程中葡萄糖生成有色物质5-HMF及聚合物所致；溶液的质量分数越高、温度越高，溶剂用水中杂质离子含量就越多，溶液碱性越强；放置时间越长，葡萄糖溶液变色也愈快，颜色愈深。

化学反应机理非常复杂。葡萄糖在碱性溶液中会异构化和发生降解反应，转变为链形结构烯醇化的烯二醇中间体，然后生成甘露糖、果糖等物质，部分会脱水形成 5-HMF。这些物质又会降解或断裂生成甲醛、羟醛和多羟基酮，被氧气不可逆地氧化成各种产物。中学生受实验条件限制，仅仅做一个对比实验就得出葡萄糖溶液变色原理等结论有些简单化。

对比实验为什么选用0.5 mol/L氢氧化钠标准溶液、质量分数为9.09%的葡萄糖溶液？为什么要将每种溶液按5∶2的体积比与0.5 mol/L氢氧化钠标准溶液混合？其他质量分数的葡萄糖溶液或者体积比行不行？建议继续研究或作出说明。