发酵过程中发生了甚么？
一个烧瓶内装有葡萄糖溶液和酵母。最初几分钟，似乎没有发生甚么明显的变化。接著，气泡开始从液体中冒出。假设你检测这些气体，发现它们是二氧化碳。那么，这些气体中的碳原子来自哪里？烧瓶内还必然会生成甚么物质？ 继续阅读之前，先作出预测：如果葡萄糖正转化成乙醇，生成的乙醇质量应该大于、等于，还是小于消耗的葡萄糖质量？ 答案是小于。因为葡萄糖中的部分原子会以二氧化碳的形式离开反应混合物。发酵反应让我们能够准
一个烧瓶内装有葡萄糖溶液和酵母。最初几分钟，似乎没有发生甚么明显的变化。接著，气泡开始从液体中冒出。假设你检测这些气体，发现它们是二氧化碳。那么，这些气体中的碳原子来自哪里？烧瓶内还必然会生成甚么物质？
继续阅读之前，先作出预测：如果葡萄糖正转化成乙醇，生成的乙醇质量应该大于、等于，还是小于消耗的葡萄糖质量？
答案是小于。因为葡萄糖中的部分原子会以二氧化碳的形式离开反应混合物。发酵反应让我们能够准确追踪这些原子的去向。
01发酵过程中发生了甚么？
酵母能够在不使用氧气的情况下，从葡萄糖获取能量。在适当条件下，酵母细胞内的酶会催化一系列反应，将葡萄糖转化为乙醇和二氧化碳。
在 HSC 化学课程中，我们通常用一条反应方程式表示整个过程：
\[ \ce{C6H12O6(aq) -> 2C2H5OH(aq) + 2CO2(g)} \]
反应物是葡萄糖 \(\ce{C6H12O6}\)。生成的醇类是乙醇 \(\ce{C2H5OH}\)，而二氧化碳则以气体形式释出。
这是一条总反应方程式。它并不代表一个葡萄糖分子只要与其他物质碰撞，就会立即分解成两个乙醇分子和两个二氧化碳分子。酵母透过多个由酶控制的步骤进行发酵。不过，对于 HSC 中有关乙醇制备的题目，使用总反应方程式通常已足以描述所需的化学过程。
02为甚么反应方程式中的系数是这些数值？
这些系数并不是随意决定的，而是为了符合原子守恒。
先看看一个葡萄糖分子：
- 6 个碳原子
- 12 个氢原子
- 6 个氧原子
两个乙醇分子含有：
\[ 2 \times \ce{C2H6O} = \ce{C4H12O2} \]
这解释了六个碳原子中四个的去向。剩下的两个碳原子则存在于两个二氧化碳分子中：
\[ 2\ce{CO2} \]
现在计算生成物一侧的所有原子：
| 元素 | 葡萄糖中的原子数 | \(2\ce{C2H5OH} + 2\ce{CO2}\) 中的原子数 |
|---|---|---|
| 碳 | 6 | \(4+2=6\) |
| 氢 | 12 | 12 |
| 氧 | 6 | \(2+4=6\) |
因此，配平后的反应方程式为：
\[ \ce{C6H12O6(aq) -> 2C2H5OH(aq) + 2CO2(g)} \]
这条方程式还包含一个重要的摩尔关系：
\[ 1\text{ mol 葡萄糖} : 2\text{ mol 乙醇} : 2\text{ mol 二氧化碳} \]
这个比例是解答发酵计算题的关键。
03反应条件十分重要
只写出反应方程式，却不考虑酵母的作用，就有点像写下「食材 \(\rightarrow\) 晚餐」，却完全忽略厨师。整体变化可能描述得正确，但这并没有告诉你需要甚么条件才能让过程顺利进行。
发酵需要具有正常酶功能的活酵母、葡萄糖或其他可发酵糖类作为原料，以及能让这些酶正常运作的环境条件。
对 HSC 而言，重要的条件包括：
| 条件 | 重要原因 |
|---|---|
| 酵母 | 提供催化发酵反应所需的酶 |
| 葡萄糖溶液 | 提供作为反应物的碳水化合物 |
| 少量或没有氧气 | 有利于发酵，而不是有氧呼吸 |
| 适中的温度，通常约为 \(30\text{-}40^\circ\text{C}\) | 让酵母中的酶有效运作 |
| 适当的水溶液环境 | 酵母细胞及其酶需要在有水的环境中运作 |
谈到温度时，需要更准确地理解其影响。「温度越高，反应越快」这个说法只在一定范围内成立。
想像把温度从 \(10^\circ\text{C}\) 逐渐提高至 \(35^\circ\text{C}\)。分子的运动会加快，而由酶控制的反应通常也会变快。因此，你可能很容易推断，把温度提高至 \(80^\circ\text{C}\) 效果会更好。
但事实并非如此。在足够高的温度下，参与酵母代谢作用的蛋白质会失去正常运作所需的结构，酵母细胞也会受损或死亡。因此，发酵有其适宜的温度范围，而不是「越热越好」。
04为甚么要限制氧气？
一个常见的简化说法是，酵母「在发酵期间不能使用氧气」。但这并不是最准确的理解方式。
当有氧气供应时，酵母可以进行有氧呼吸。有氧呼吸能从葡萄糖提取多得多的能量，而且其主要生成物是二氧化碳和水，而不是发酵方程式中的乙醇。
因此，为了生产乙醇，需要限制氧气供应，让酵母的代谢途径倾向于发酵。
以下是简化后的比较：
氧气充足时：
\[ \ce{C6H12O6 + 6O2 -> 6CO2 + 6H2O} \]
发酵：
\[ \ce{C6H12O6 -> 2C2H5OH + 2CO2} \]
留意两者之间的重要差别。在有氧呼吸中，葡萄糖的六个碳原子最终都可以进入二氧化碳分子。在发酵中，则有四个碳原子保留在两个乙醇分子内。
这也提供了一个有用的实验判断依据。单凭观察到二氧化碳生成，并不能证明乙醇发酵正在发生。你还需要证据显示乙醇已经生成，或证明反应条件及生成物与发酵途径一致。
05为甚么发酵最终会减慢？
假设你让葡萄糖与酵母的混合物放置更长时间。乙醇浓度会不断增加，直到几乎整份液体都变成纯乙醇吗？
不会。
随著乙醇逐渐积聚，它会对酵母细胞产生有害影响，并干扰细胞内的生物过程。因此，发酵会受到抑制，最终停止，而停止时的乙醇浓度相对于纯乙醇仍然较低。
这对工业生产有一个重要影响：发酵产生的乙醇会与大量水混合。如果需要高浓度乙醇，就必须进一步进行蒸馏等分离程序。
发酵反应与分离步骤各有不同的作用：
- 发酵透过化学反应将葡萄糖转化为乙醇。
- 蒸馏利用物质挥发性的差异，以物理方式分离不同物质。
不要把蒸馏写进发酵反应方程式。蒸馏并不会生成乙醇。
计算示例：葡萄糖可以产生多少乙醇？
一份样本含有 \(45.0\text{ g}\) 葡萄糖。假设所有葡萄糖都完全发酵，计算理论上可生成的乙醇质量。
葡萄糖的摩尔质量为 \(180.16\text{ g mol}^{-1}\)，乙醇的摩尔质量为 \(46.07\text{ g mol}^{-1}\)。
步骤 1
\[ \ce{C6H12O6 -> 2C2H5OH + 2CO2} \]
一摩尔葡萄糖会生成两摩尔乙醇。
步骤 2
使用 \(n=\frac{m}{M}\)，其中 \(n\) 是物质的量（单位为摩尔），\(m\) 是以克为单位的质量，而 \(M\) 是以 \(\text{g mol}^{-1}\) 为单位的摩尔质量：
\[ n(\ce{C6H12O6}) = \frac{45.0}{180.16} = 0.2498\text{ mol} \]
步骤 3
\[ n(\ce{C2H5OH}) = 2(0.2498) = 0.4996\text{ mol} \]
步骤 4
\[ m=nM = 0.4996\times46.07 = 23.0\text{ g} \]
因此，乙醇的理论质量为 \(23.0\text{ g}\)。
这比原本的 \(45.0\text{ g}\) 葡萄糖少，因为葡萄糖的部分质量最终成为二氧化碳。
计算示例：产率未达理论值的发酵反应
一个发酵容器内含有 \(180.0\text{ g}\) 葡萄糖。实际获得的乙醇只有理论产率的 \(82.0\%\)。计算实际生成的乙醇质量。
步骤 1
\[ n(\ce{C6H12O6}) = \frac{180.0}{180.16} = 0.9991\text{ mol} \]
步骤 2
\[ n_{\text{理论}}(\ce{C2H5OH}) = 2(0.9991) = 1.998\text{ mol} \]
步骤 3
\[ m_{\text{理论}} = 1.998\times46.07 = 92.05\text{ g} \]
步骤 4
百分产率的公式为：
\[ \text{百分产率} = \frac{\text{实际产量}}{\text{理论产量}}\times100 \]
因此：
\[ m_{\text{实际}} = 92.05\times\frac{82.0}{100} = 75.5\text{ g} \]
这个容器实际生成 \(75.5\text{ g}\) 乙醇。
这里最重要的是分清楚：配平的反应方程式仍然给出 \(1:2\) 的摩尔比例。\(82.0\%\) 的产率并不会改变反应方程式，它只是表示实际过程生成的乙醇少于理论最大值。
06发酵中最容易犯的错误
这部分的化学概念并不复杂，因此细微的错误也很重要。
| 容易令人误信的说法 | 错在哪里？ | 更准确的说法 |
|---|---|---|
| 发酵只会将葡萄糖转化为乙醇 | 同时也会生成二氧化碳 | 葡萄糖会生成乙醇和二氧化碳 |
| 氧气是乙醇发酵的反应物 | 氧气并没有出现在发酵方程式中 | 乙醇发酵在厌氧或氧气受限制的条件下进行 |
| 酵母会在配平的反应方程式中被消耗 | 酵母提供生物催化剂 | 酵母使反应得以进行，但不会被写成化学计量上的反应物 |
| 提高温度一定会增加乙醇产量 | 高温会损害酵母及其酶 | 发酵需要适当而温和的温度 |
| 出现二氧化碳气泡就证明乙醇已经生成 | 其他反应也可能产生 \(\ce{CO2}\) | 必须同时考虑生成物的证据及反应条件 |
| 蒸馏会产生乙醇 | 蒸馏只会分离原本已存在的物质 | 发酵生成乙醇；蒸馏则可以提高乙醇浓度 |
还有一点经常令学生在计算时出错。方程式表示一摩尔葡萄糖会生成两摩尔乙醇，但并不表示一克葡萄糖会生成两克乙醇。化学方程式中的系数比较的是粒子数目，因此也就是摩尔数，而不是相同单位下的质量比例。
07问题与解答
问题 1
写出葡萄糖水溶液发酵生成乙醇的配平反应方程式，并指出进行此过程所需的两项条件。
解答 1
配平的反应方程式为：
\[ \ce{C6H12O6(aq) -> 2C2H5OH(aq) + 2CO2(g)} \]
适当的条件包括使用酵母，以及在适中温度下维持厌氧或氧气受限制的环境。
酵母提供催化生化反应途径的酶。限制氧气供应有利于发酵，而不是有氧呼吸。温度通常维持在约 \(30\text{-}40^\circ\text{C}\)，让生物催化剂有效运作，同时避免酵母暴露于会造成损害的高温。
一个容易犯的错误是把酵母写在配平反应方程式的反应物一侧。酵母使反应得以进行，但其用量与乙醇产量之间并不存在由化学计量系数决定的关系，因此不会被写成总反应方程式中的反应物。
问题 2
一名学生使 \(72.0\text{ g}\) 葡萄糖完全发酵。
计算：
a. 理论上生成的乙醇物质的量，以摩尔表示
b. 理论上生成的乙醇质量
c. 生成的二氧化碳物质的量，以摩尔表示。
使用 \(M(\ce{C6H12O6})=180.16\text{ g mol}^{-1}\) 及 \(M(\ce{C2H5OH})=46.07\text{ g mol}^{-1}\)。
解答 2
理论上，发酵会生成 \(0.799\text{ mol}\) 乙醇、\(36.8\text{ g}\) 乙醇，以及 \(0.799\text{ mol}\) 二氧化碳。
所使用的反应方程式为：
\[ \ce{C6H12O6 -> 2C2H5OH + 2CO2} \]
首先求出葡萄糖的物质的量：
\[ n(\ce{C6H12O6}) = \frac{72.0}{180.16} = 0.3996\text{ mol} \]
葡萄糖与乙醇的摩尔比例为 \(1:2\)，因此：
\[ n(\ce{C2H5OH}) = 2(0.3996) = 0.7993\text{ mol} \]
所以乙醇的质量为：
\[ m = nM = 0.7993\times46.07 = 36.8\text{ g} \]
葡萄糖与二氧化碳的摩尔比例同样为 \(1:2\)，因此：
\[ n(\ce{CO2}) = 2(0.3996) = 0.7993\text{ mol} \]
一个常见的错误解法是：因为方程式中的系数由 1 变成 2，便假设 \(72.0\text{ g}\) 葡萄糖会生成 \(144\text{ g}\) 乙醇。其实，系数表示的是摩尔比例，而不是质量比例。葡萄糖相当一部分的质量会成为二氧化碳生成物。
问题 3
两个密封实验容器最初含有相同分量的葡萄糖溶液及相同分量的酵母。
容器 A 在氧气受限制的条件下，保持于 \(35^\circ\text{C}\)。
容器 B 在 \(35^\circ\text{C}\) 下持续供应氧气。
经过一段时间后，两个容器都产生了二氧化碳。
一名学生因此得出结论：两个容器必然产生了相同分量的乙醇。
评估这名学生的结论。
解答 3
这个结论缺乏充分理据。单凭二氧化碳的生成，不能证明两个容器产生了相同分量的乙醇。
在氧气受限制的条件下，容器 A 的环境有利于发酵：
\[ \ce{C6H12O6 -> 2C2H5OH + 2CO2} \]
因此，生成二氧化碳的同时也可能生成乙醇。
在容器 B 中，氧气让酵母能够进行有氧呼吸，其总反应可表示为：
\[ \ce{C6H12O6 + 6O2 -> 6CO2 + 6H2O} \]
有氧呼吸同样会生成二氧化碳，但乙醇并不是这条方程式所表示的生成物。
容易犯的错误是把二氧化碳视为发酵独有的特征。事实并非如此。关键在于发酵和有氧呼吸都能产生 \(\ce{CO2}\)。若要比较乙醇产量，学生需要取得乙醇本身的相关证据，或其他能够区分这两种代谢途径的证据。
问题 4
一个发酵容器最初在适当的厌氧条件下装有葡萄糖和酵母。数小时后，测量结果显示，刚好有 \(0.600\text{ mol}\) 葡萄糖消失，但容器内只有 \(0.900\text{ mol}\) 乙醇。
一名学生认为：
「方程式说一摩尔葡萄糖会生成两摩尔乙醇，所以这条反应方程式一定是错的。」
假设最初没有乙醇存在。
这个观察结果是否必然与发酵方程式矛盾？解释根据已知资料可以得出甚么结论，以及不能得出甚么结论。
解答 4
不是。这个观察结果不一定与发酵方程式矛盾。它只能说明，实际测得的乙醇量低于以下假设下的理论预测值：所有被消耗的 \(0.600\text{ mol}\) 葡萄糖都经过方程式所表示的发酵途径，而且所有生成的乙醇都留在容器内并可被测量。
方程式预测：
\[ n_{\text{理论}}(\ce{C2H5OH}) = 2(0.600) = 1.200\text{ mol} \]
但实际只测得 \(0.900\text{ mol}\)。
因此，表观百分产率为：
\[ \text{百分产率} = \frac{0.900}{1.200}\times100 = 75.0\% \]
这并不代表需要修改配平的反应方程式。配平的方程式只规定它所表示的反应中的化学计量关系。实际生物过程的测得产率可能较低，因为并非所有被消耗的葡萄糖都必然转化为目标生成物；部分物质可能参与其他生物过程，或部分生成物可能未能被回收或测量。
上述错误论点把「葡萄糖消失了」直接等同于「葡萄糖只进行了纸上所写的理想化反应」。但题目从未确立这项额外假设。
此外，还有一个重要限制：根据已知资料，我们无法确定理论乙醇产量与实际测量值之间出现差距的确切原因。我们可以得出实际乙醇产量相对于简单化学计量理论最大值的百分产率为 \(75.0\%\)，但若要解释原因，还需要更多证据。
问题 5
一名学生想判断酵母混合物中的葡萄糖主要经历了乙醇发酵，还是有氧呼吸。
实验结束后，学生得知共有 \(0.500\text{ mol}\) 葡萄糖被消耗，并收集到 \(1.80\text{ mol}\) 二氧化碳。在这道题中，假设每个被消耗的葡萄糖分子都只经历以下两种途径之一：
发酵：
\[ \ce{C6H12O6 -> 2C2H5OH + 2CO2} \]
有氧呼吸：
\[ \ce{C6H12O6 + 6O2 -> 6CO2 + 6H2O} \]
求出被消耗的葡萄糖中，分别有多少摩尔经历了这两种途径，并预测生成的乙醇物质的量。
然后解释，为甚么单凭观察到「超过 \(1.00\text{ mol}\) 二氧化碳」，仍不足以确定各途径所消耗的葡萄糖量。
解答 5
在消耗的 \(0.500\text{ mol}\) 葡萄糖中，\(0.300\text{ mol}\) 经历了发酵，而 \(0.200\text{ mol}\) 经历了有氧呼吸，并生成 \(0.600\text{ mol}\) 乙醇。
设 \(x\) 为经历发酵的葡萄糖物质的量，以摩尔表示；设 \(y\) 为经历有氧呼吸的葡萄糖物质的量。
所有被消耗的葡萄糖都必须计算在内：
\[ x+y=0.500 \]
每摩尔经历发酵的葡萄糖会生成 \(2\text{ mol}\) 二氧化碳，而每摩尔经历有氧呼吸的葡萄糖会生成 \(6\text{ mol}\) 二氧化碳。因此：
\[ 2x+6y=1.80 \]
由第一条方程式可得：
\[ x=0.500-y \]
将此代入二氧化碳的方程式：
\[ \begin{aligned} 2(0.500-y)+6y&=1.80\\ 1.00-2y+6y&=1.80\\ 4y&=0.80\\ y&=0.200\text{ mol} \end{aligned} \]
因此：
\[ x=0.500-0.200=0.300\text{ mol} \]
在题目给出的两种途径中，只有经历发酵的葡萄糖会生成乙醇。由于一摩尔经历发酵的葡萄糖会生成两摩尔乙醇：
\[ n(\ce{C2H5OH}) = 2(0.300) = 0.600\text{ mol} \]
一个很容易出现的初步答案是：\(1.80\text{ mol}\) 二氧化碳一定代表「发生了大量发酵」，因为题目正在研究发酵，而二氧化碳气泡又经常与发酵联系在一起。关键在于，这两种可能的途径会产生同一种气体，但产生的量不同。每摩尔葡萄糖经历发酵会生成 \(2\text{ mol}\) \(\ce{CO2}\)，而经历有氧呼吸则会生成 \(6\text{ mol}\)。
如果全部 \(0.500\text{ mol}\) 葡萄糖都经历发酵，二氧化碳的物质的量会是：
\[ 2(0.500)=1.00\text{ mol} \]
如果全部葡萄糖都经历有氧呼吸，则会是：
\[ 6(0.500)=3.00\text{ mol} \]
因此，在题目所述的假设下，观察到超过 \(1.00\text{ mol}\) 二氧化碳，表示单靠发酵无法解释结果，但这并不能告诉我们两种途径各自所占的确切比例。测得的 \(1.80\text{ mol}\) 二氧化碳，连同葡萄糖的总消耗量及两条化学计量方程式，提供了求出唯一答案所需的第二个约束条件。
08学会发酵后，还可以进一步理解甚么？
发酵让我们能够利用碳水化合物原料生产乙醇。但当乙醇生成后，我们就可以进一步探索更广泛的有机化学知识。
你可以研究乙醇作为燃料时的性质，包括它的燃烧焓，也可以探讨醇类在脱水生成烯烃的过程中，移除水分子后会发生甚么变化。
现在，整个推理脉络已经清晰：发酵解释乙醇从何而来，化学计量告诉你理论上可以生成多少乙醇，而醇类的化学反应则让你了解这些乙醇接下来可以发生甚么变化。