司俊濤，沈佳龍，吳強(qiáng)華，吳紅，江國(guó)順，朱平平，馮紅艷，金邦坤，王曉葵，李紅春,＊，王鈺熙,＊

1中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)化學(xué)與材料科學(xué)學(xué)院材料科學(xué)與工程系，合肥 230026

2中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)合肥微尺度物質(zhì)科學(xué)國(guó)家研究中心，合肥 230026

3化學(xué)國(guó)家級(jí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心(中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué))，合肥 230026

人們可以通過(guò)顏色變化、沉淀或氣體的產(chǎn)生、發(fā)光、放熱等現(xiàn)象感知體系是否發(fā)生了化學(xué)變化。除了這些我們可以直接觀察到的變化，化學(xué)反應(yīng)體系中因?yàn)樾挛镔|(zhì)的生成，體系的物理性質(zhì)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(guò)使用一些技術(shù)手段去發(fā)現(xiàn)。這些物理性質(zhì)通常包括光、電、聲、磁等，在大學(xué)物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)中，就會(huì)借助這些物理性質(zhì)追蹤在化學(xué)反應(yīng)體系中物理信號(hào)隨時(shí)間的變化，進(jìn)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(xué)信息。

中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心(國(guó)家級(jí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心，以下簡(jiǎn)稱為中心)設(shè)計(jì)并開發(fā)了演示型科普實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目“多彩的糖——旋光追蹤蔗糖水解反應(yīng)”。該科普項(xiàng)目中，以蔗糖水解反應(yīng)為例，以旋光度為被探測(cè)物理信號(hào)，賦予這個(gè)無(wú)色的化學(xué)反應(yīng)以絢麗的色彩。

1 實(shí)驗(yàn)材料與裝置

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)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(yīng)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(yīng)，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(cè)試裝置

實(shí)驗(yàn)中采用WXG-4目視旋光儀進(jìn)行旋光值的精確測(cè)量。鈉光光線從光源經(jīng)過(guò)起偏鏡后，變成線偏振光，再經(jīng)過(guò)半玻片分解為尋常光與非尋常光，使得觀測(cè)視場(chǎng)出現(xiàn)三分視野。樣品管的溶液如果具有旋光性，會(huì)將平面偏振光旋轉(zhuǎn)一個(gè)角度。轉(zhuǎn)動(dòng)檢偏鏡，從觀測(cè)視場(chǎng)觀察三分視野直至視場(chǎng)照度(暗視場(chǎng))相一致時(shí)，度盤上可讀出旋光值，用φ表示。振動(dòng)面偏轉(zhuǎn)的角度φ與溶液的濃度c以及光線在液體中通過(guò)的距離L有關(guān)。可表示為如下關(guān)系式：

2 蔗糖的色彩

蔗糖變色探究之旅第一站的任務(wù)就是要找到被蔗糖藏起來(lái)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(cè)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(shí)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(wú)色透明的液體，然而通過(guò)檢偏器卻可以觀察到絢麗的色彩變化，如圖2所示。

圖2 轉(zhuǎn)動(dòng)檢偏器時(shí)溶液所呈現(xiàn)色彩

轉(zhuǎn)動(dòng)檢偏器，將檢偏器與起偏器的透振方向從垂直轉(zhuǎn)至平行，在這個(gè)過(guò)程中，顏色連續(xù)不斷地變化，如圖3所示，從藍(lán)色系開始，黃色系結(jié)束，經(jīng)歷多種美麗的色彩。

圖3 轉(zhuǎn)動(dòng)檢偏器時(shí)蔗糖溶液的顏色呈現(xiàn)圖

蔗糖溶液的色彩現(xiàn)身了，這個(gè)現(xiàn)象既神奇又美麗。其實(shí)驗(yàn)原理要從旋光性說(shuō)起，19世紀(jì)，化學(xué)家們發(fā)現(xiàn)，手性物質(zhì)具有旋光性。手性物質(zhì)指的是鏡面對(duì)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(gè)碳原子上連了四個(gè)不同的基團(tuán)，由于基團(tuán)連接順序的不同會(huì)導(dǎo)致分子的對(duì)映異構(gòu)現(xiàn)象。如圖4所示，可以看到這兩個(gè)分子雖然鏡像對(duì)稱，碳原子上連接的基團(tuán)也完全相同，但卻僅僅因?yàn)榛鶊F(tuán)連接順序的不同而無(wú)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(jì)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(jié)晶形態(tài)，這兩種不同形態(tài)的結(jié)晶形成的溶液時(shí)會(huì)使光往相反的方向旋轉(zhuǎn)，因而發(fā)現(xiàn)分子有左旋與右旋的不同結(jié)構(gòu)。令人難以置信的是，當(dāng)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(diǎn)一點(diǎn)地挑選開來(lái)的[1]，這也啟示我們做科學(xué)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(zhì)，具有旋光性。當(dāng)光經(jīng)過(guò)蔗糖溶液后，光線的偏振方向會(huì)發(fā)生旋轉(zhuǎn)，而且波長(zhǎng)不同的光線旋轉(zhuǎn)的角度也不同，這就是旋光現(xiàn)象。實(shí)驗(yàn)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(dòng)的光。當(dāng)光經(jīng)過(guò)起偏器后，所包含的所有波長(zhǎng)的光均變?yōu)橥黄穹较虻钠矫嫫窆?，可以認(rèn)為不同波長(zhǎng)的光都站到了同一起跑線上，起跑線的標(biāo)準(zhǔn)是“偏振方向”。緊接著，平面偏振光進(jìn)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(zhǎng)的光沿著偏振方向這條賽道上起跑，因物質(zhì)旋光值與波長(zhǎng)成反比[2]，故藍(lán)光跑的角度大，黃光跑的角度小。經(jīng)過(guò)一定光程，到達(dá)檢偏器時(shí)，他們具有了不同的偏振方向，當(dāng)然，藍(lán)光的偏振方向旋轉(zhuǎn)角度更大。比賽結(jié)束后，到“頒獎(jiǎng)”的時(shí)間了，從第一名——藍(lán)光開始，到最后一名——黃光為止，各種顏色的光站上頒獎(jiǎng)臺(tái)，依次亮相！對(duì)應(yīng)到我們的實(shí)驗(yàn)操作呢，就是轉(zhuǎn)動(dòng)檢偏器，改變檢偏角，使得符合透振方向的波長(zhǎng)的光依次透過(guò)，就會(huì)依次顯示出如圖3所示的色彩變化。

圖5 平面偏振光通過(guò)旋光物質(zhì)后的偏振方向旋轉(zhuǎn)示意圖

在起偏器和檢偏器的幫助下，我們讓原本無(wú)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(jiàn)的物質(zhì)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(dòng)手嘗試嘗試！

3 濃度的影響

成功找到被蔗糖隱藏起來(lái)的色彩后，繼續(xù)我們的探究之旅，這一站的任務(wù)是探究蔗糖濃度對(duì)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(cè)試了室溫下光程為13 cm時(shí)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(gè)濃度的蔗糖溶液放置于樣品管中，通過(guò)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(zhuǎn)檢偏器溶液所能呈現(xiàn)的色彩越豐富，說(shuō)明旋光值越高的溶液分光能力越強(qiáng)。

圖6 起偏器與檢偏器透振方向從垂直到平行的轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)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(huì)有如此大的差異呢？ 其實(shí)，背后的本質(zhì)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(zhǎng)的光通過(guò)溶液后偏振方向的旋轉(zhuǎn)角度差別更大，故分光能力越強(qiáng)，在旋轉(zhuǎn)檢偏器時(shí)所呈現(xiàn)的顏色也就越多。

同時(shí)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(shuō)，固定起偏器與檢偏器透振方向的夾角時(shí)，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(guò)對(duì)濃度的探索，我們可以得到兩個(gè)重要的結(jié)論：(1) 通過(guò)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(qiáng)，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(huì)呈現(xiàn)不同顏色。

4 追蹤蔗糖水解反應(yīng)

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(yīng)進(jìn)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(diào)節(jié)檢偏器的角度使得初始顏色為淡藍(lán)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(yīng)的起始點(diǎn)開始計(jì)時(shí)。反應(yīng)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(yīng)溫度在55 °C左右。

蔗糖水解反應(yīng)式如下：

反應(yīng)物蔗糖為右旋物質(zhì)，比旋光度為+66.6°，產(chǎn)物中，葡萄糖為右旋物質(zhì)，比旋光度為+52.5°，而果糖是左旋物質(zhì)，比旋光度為- 91.9°，隨著反應(yīng)的進(jìn)行，體系的旋光值不斷減小。為了方便觀察，我們?cè)谘菔狙b置(圖1(a))的左側(cè)設(shè)置了對(duì)比實(shí)驗(yàn)，左側(cè)樣品池中進(jìn)行著條件相同的反應(yīng)。從0 min開始，每隔一段時(shí)間記錄下蔗糖溶液的顏色，如圖7所示。

圖7 蔗糖水解過(guò)程中顏色變化圖

隨著反應(yīng)的進(jìn)行，體系的旋光值逐漸下降，導(dǎo)致透過(guò)檢偏器的光的顏色從一開始的淡藍(lán)色變成深藍(lán)色，而后變?yōu)樽仙?，最終變?yōu)榈S色。如果沒(méi)有偏振片這雙眼睛，我們難以覺(jué)察到這無(wú)色透明的液體正在發(fā)生反應(yīng)。其實(shí)啊，化學(xué)反應(yīng)體系在物質(zhì)結(jié)構(gòu)發(fā)生變化的同時(shí)，它也在透過(guò)自己的光、電、熱、聲、磁等物理性質(zhì)，向外界述說(shuō)著自己的多姿多彩，只是，一切都藏得很隱秘，你，準(zhǔn)備好去發(fā)現(xiàn)它了嗎？

5 結(jié)語(yǔ)

蔗糖分子含有手性碳而具有旋光性，光穿過(guò)蔗糖溶液后的偏振方向發(fā)生旋轉(zhuǎn)，且不同波長(zhǎng)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(qiáng)，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(huì)呈現(xiàn)不同顏色，我們利用這一點(diǎn)將其用于追蹤蔗糖的水解反應(yīng)，讓原本肉眼看不出變化的化學(xué)反應(yīng)呈現(xiàn)出多彩的顏色變化。該科普實(shí)驗(yàn)在本校物理化學(xué)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)?zāi)K中作為演示內(nèi)容，很好地激發(fā)了同學(xué)們的實(shí)驗(yàn)興趣。

在2021年，“多彩的糖”參加科技周直播活動(dòng)，該活動(dòng)接受了新華社報(bào)道，見(jiàn)圖8。在2022年，該科普實(shí)驗(yàn)參與了“美食與化學(xué)”主題直播活動(dòng)，該活動(dòng)同時(shí)在新華網(wǎng)、央視頻、中國(guó)科大本科招生Bilibili站賬號(hào)同步直播，深受觀眾喜愛(ài)。該科普實(shí)驗(yàn)具有以下特點(diǎn)。

圖8 中心科技周直播活動(dòng)新聞片段

5.1 實(shí)驗(yàn)簡(jiǎn)單，易于操作

蔗糖的色彩和濃度的影響這兩部分的實(shí)驗(yàn)材料安全易得，實(shí)驗(yàn)裝置簡(jiǎn)單，易上手操作，可以作為居家實(shí)驗(yàn)，由家長(zhǎng)帶著孩子操作。追蹤蔗糖水解這一部分內(nèi)容，因?yàn)樾枰诙虝r(shí)間看到明顯的色彩變化現(xiàn)象，需提高反應(yīng)速率，我們使用了鹽酸作為催化劑，且選用了較高的反應(yīng)溫度，更適合作為演示實(shí)驗(yàn)。

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(wú)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(dòng)中，可以邀請(qǐng)小孩子們選擇不同濃度的蔗糖溶液，轉(zhuǎn)動(dòng)偏振片觀察現(xiàn)象，體會(huì)科學(xué)的奧秘。

5.3 原理深刻，引人思考

“多彩的糖”科普實(shí)驗(yàn)背后隱藏著豐富的物理化學(xué)知識(shí)，當(dāng)我們將深刻的原理轉(zhuǎn)化為直觀而又美麗的顏色變化后，不免會(huì)讓孩子們思考實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象背后究竟蘊(yùn)含了怎樣的科學(xué)道理，會(huì)在他們心中埋下一顆學(xué)習(xí)科學(xué)知識(shí)的種子。