基于“學習·實踐·創新”的化學學科能力培養——植物酸堿指示劑的提取及應用

陳新福 陳希比 李忠澤 田昊鵬

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基于“學習·實踐·創新”的化學學科能力培養——植物酸堿指示劑的提取及應用

陳新福 陳希比 李忠澤 田昊鵬

摘 要：為了激發學生對化學學習的興趣，培養其化學學科的實驗探究能力，通過實施“學習?實踐?創新”的化學教學模式，開設化學拓展課，組織學生開展植物酸堿指示劑制備的研究性學習活動。以植物紫包菜等為原料，分階段探究植物酸堿指示劑的制備、提純和指示劑的變色間隔。根據光學原理，利用色度傳感儀和酸度傳感儀等，研究植物酸堿指示劑pH值和顏色之間的變化關系，將所得數據輸入計算機合成，做出比色卡。植物酸堿指示劑除具有一般指示劑的特點外，還具有經濟易得、綠色環保等優勢，可廣泛應用于生產和生活中。

關鍵詞：學科能力；化學實驗；植物；指示劑；創新

為了驗證化學課本中的理論知識，探究生活中的一些現象，我們探究了植物酸堿指示劑的提取、性質等，經過一系列的研究，成效顯著。通過該研究性學習課題的研究使學生進一步了解酸堿指示劑的原理及其應用，科學地解釋了生活中的一些現象，提高了學生學習化學的興趣。

一、問題的提出

課題組中的學生發現：在炒好的紫包菜上澆一些醋時，被澆到的菜變成了紅色，沒有被澆到的菜仍為紫色；當煮好的雞蛋白遇到紫包菜汁時就被染成綠色。學生對此產生了濃厚的興趣。

二、研究過程

1.探究植物酸堿指示劑制備與性質

我們選擇的植物有紫包菜、胡蘿卜、月季花等。

(1)將紫包菜的菜葉剝下，用剪刀剪碎，放入研缽中，加入少許蒸餾水，研磨，待有一定量的汁液滲出后，停止研磨，將汁液轉移至燒杯中，再向研缽中加入少許蒸餾水，研磨……最后得到所需要的紫包菜汁液。

將盛有紫包菜汁液的燒杯放置在三腳架和石棉網上，用酒精燈加熱煮沸以蒸發掉溶液中的水。冷卻后，向其中加入適量酒精(用以防腐)，攪拌均勻，將其轉移至試劑瓶，貼標簽。

紫包菜汁是深紫色、有輕微刺激性氣味的液體。在酸性環境下，顯深紅色；在堿性環境下，最開始顯草綠色，靜置一段時間后，溶液中出現少量墨綠色沉淀。在測量其變色間隔過程中，其變色過程為漸變，變化過程中的顏色不易區分，并且溶液中始終有少量黑色膠狀物干擾判斷，故無法得到其精確變色間隔。

(2)胡蘿卜液為淺棕色，加入酸或堿后，無明顯變化。

(3)月季花汁為棕色、有花香味液體。在酸性環境顯紅色；在堿性條件下無明顯變化。在受熱和久置后，加入酸或堿均無明顯變化。

實驗結論：胡蘿卜汁液不能作為酸堿指示劑；月季花汁液可作為單色酸堿指示劑使用，但考慮到其極易受外界環境影響，故放棄研究；紫包菜汁液可作為雙色酸堿指示劑使用，盡管不能精確地測量其變色間隔，但其組分酸型堿型顏色的差別十分明顯，可以在大部分定性分析的實驗中應用。另外，月季花汁液和紫包菜汁液的酸型組分顏色相同，經過查閱大量網絡資料得知它們有效成分是同一種物質——花青素。

2.紫包菜植物酸堿指示劑提純改進及保存

傳統的植物酸堿指示劑提取方法是以水或酒精為溶劑，采用物理粉碎或研磨、過濾的方法。由于在粉碎過程中，葉片被粉碎得過小，形成膠體，很難被過濾完全，致使其溶液中雜質含量很高。

為解決上述問題，進行了如下改進：將紫包菜葉洗凈，撕成小塊備用。取一潔凈燒杯，向其中加入少量鹽酸，再加入適量蒸餾水沖稀，混合均勻。將紫包菜葉小塊放入燒杯溶液中，對其進行水浴加熱，待溶液顏色不再變化后停止加熱。將加熱后所得懸濁液冷卻至室溫，對其進行過濾。

隨著加熱地進行，燒杯中的液體逐漸變為紅色，紫包菜葉小塊由邊緣向中心逐漸由紫色變為白色。過濾后所得溶液呈紅色，十分清澈，透光性良好。保存數天無變質跡象，不需再加酒精防腐。

向溶液中加入少許鹽酸有兩大優點，一是能夠快速破壞其細胞結構，加速其細胞液外滲；二是使溶液處于酸性條件下，不易滋生細菌、變質，易于長時間保存。

對溶液采取水浴加熱一方面可使溶液受熱均勻，另一方面可防止溶液升溫過快而破壞有效成分。

此種提純方法的優勢在于：在破壞葉片細胞結構、得到細胞液的同時，使葉片依然以肉眼可見的形式存在于溶液中，這樣過濾可更好地起到提純的作用，有效地去除溶液中的少量黑色膠狀物雜質。

3.紫包菜植物酸堿指示劑性質與變色間隔測定方法

如果希望測得該指示劑(紫包菜)的準確變色間隔并制作出相應的比色卡，就必須找到一種能夠定量描述指示劑顏色隨酸堿度變化的方法。

(1)根據物理知識，物體顯色的原因是：當光源發光照射到物體上時，由于物體自身性質不同，吸收了一部分特定波長的光，同時反射了剩余波長的光，當反射光被人眼接收到時，人就看到了物體的顏色。因此，可以用物體反射光的波長描述物體的顏色。根據色度計的工作原理，通過調整光源波長，做出溶液比色與光源波長間的變化關系圖，找到其極小值點，對應波長即為溶液反射光波長。但這要求光源波長可以自由、連續地調整，這顯然是不可能的。所以這一實驗方法并不可行。

(2)我們使用的是生化DIS實驗箱中的色度傳感儀和酸度傳感儀。

受上述實驗方法啟發，可采取如下測量方法測定顏色：配置若干不同pH值的溶液，分別加入等量的指示劑，裝入比色皿中備用。選取3種特殊波長的光(三基色光)——紅、綠、藍作為色度計的光源。

在3種光源下，分別測出不同溶液的比色，做出“比色-pH值”圖像，即可分別得到三基色光光強隨溶液酸堿度的變換規律，在圖像中即可得到任意pH值時，三基色光的光強比例，通過計算機既可合成出該pH值時溶液的顏色，然后做出比色卡。

(3)不同pH值溶液的配置方法及問題

為了正確、有效地選擇不同組溶液pH值的取值，需先對指示劑變色間隔進行粗測。采用中和滴定的方法對指示劑的變色間隔粗略測量的結果如表1所示。

表1

指示劑在酸性條件下保存時的pH值：4.7

根據上述粗測結果，初步選擇取15組溶液，pH值由4.7到8.9，每組間隔0.3。

只能通過大量的實驗大致調節溶液顏色，再用pH計測量其pH值。最終溶液配制情況如下：4.7，4.9，5.1，5.3，5.8，6.4，6.9，7.6，7.8，8.6。

(4)測量結果與分析

溶液按進行測定，對數據進行整理后，即可得到4組測量數據。

由于儀器限制，光源波長并沒有標準的三基色光波長，但其中430 nm，470 nm，635 nm三組數據可近似認為是三基色光的數據。將數據做成圖像(如圖1所示)。

圖1

下面為敘述方便，將波長為430 nm，470 nm，565 nm，635 nm四種色光依次記為：藍、綠、黃、紅。

通過圖1，根據色光合成的常識，不難定性地看出：當溶液呈酸性時，紅光光強要遠大于其余三色光，溶液應顯紅色。隨著溶液pH值升高，藍、綠、黃3種色光光強逐漸上升，當溶液呈弱酸性時，溶液應顯紫色。當pH值繼續升高時，紅光光強迅速衰減，在溶液呈弱堿性時幾乎為0，藍、綠光所占比例變大，在溶液呈弱堿性時，所顯顏色應介于藍色和綠色之間，在溶液呈堿性時，藍光也已衰減，溶液應顯綠色。在溶液pH=8.6時，紅光光強突然增大，致使溶液顏色應向黃、紅方向移動。

上述分析除最后一條外，均與粗測結果吻合。最后一條所得出的結論顯然是不合常理的，實驗中對此情況的反應為：在溶液pH=8.6時，溶液呈草綠色，但放置一段時間后(約1小時)，可看到溶液顏色明顯變為淺黃色。對于這樣的實驗結果，之前設計的測定方法顯然不再適用，但由于該指示劑主要應用范圍不包括pH=8.6，故本研究未對其進行深入探究。

如前所述，通過圖像上任一點三基色光的光強比例，即可由計算機合成出該點的溶液顏色，制作出比色卡。合成結果如圖2所示。

圖2

通過對比可以看出，除pH=8.6的一組，其余合成色均與實際色接近。合成色與實際色之間略有差別，這只是由于儀器的限制，后期實驗結果證明，此種測定方法是可行并可信的。

三、研究成果

1.研究成果和意義

通過上述研究，基本解決了開始提出的2個主要問題，按照上面的實驗結果，植物酸堿指示劑已經基本可以用于定量分析及長時間保存。如果在此基礎上，能夠找到適當的方法對其變色間隔進行調整，使之更加適應人體的酸堿度范圍，再利用其可食用性(對人體完全無害)，便可在醫學上產生很高的應用價值，例如測量口腔內酸堿度、測量人體體腔黏膜的酸堿度等。此外，植物酸堿指示劑的原料經濟易得，制備方法簡單，易于保存，能夠大量生產，這些優勢都是普通指示劑所不具備的，這使植物酸堿指示劑的應用范圍比普通指示劑更加廣泛、更能適應各方面的需要。

2.探索方向和設想

(1)變色間隔有待完善

對指示劑變色間隔調整的初步設想是：希望找到其他幾種不同顏色的植物，能夠滿足其顏色不隨環境酸堿度變化而變化的要求。通過實驗，利用色度計分析，找到添加不同顏色的植物汁液的量與溶液顏色的變化規律，從而達到調整指示劑變色間隔的目的。但由于目前尚未找到最合適的植物，加之一些客觀條件的限制，這一問題尚未得到徹底解決。

(2)堿性條件下指示劑的顏色變化缺失

如前所述，pH=8.6時，溶液的顏色會發生一種奇怪的變化，初步猜測變色原因與花青素自身一些性質有關。由于這與此次研究的主要問題無關，因此尚未對其進行深入研究。

(3)比色卡誤差修正的設想

如前所述，目前制作的比色卡存在一定誤差，通過提高實驗儀器水平自然可以大大減小誤差，因此還可以通過誤差修整的方法來調整比色卡，使之更加準確。

在此提出一種修正方法的設想：由于色光中三基色的比例是滿足線形變換的，因此，可以在其比例系數前再乘以某常數對其進行修正，故只要得到這3個常數即可。通過計算機可以找到與實際色最接近的合成色，在計算機上可以讀出三基色的比例，再與理論計算出的比例對比，即可建立方程。由于要確定3個常數，故需選擇3組顏色，建立3個方程，即可求得3個常數，達到對比色卡進行修正的目的。這一設想有待進一步考證、落實。

參考文獻

[1] 彭崇慧,馮建章,張錫瑜.分析化學[J]北京大學出版社,2009(2):52-67.

作者信息

陳新福，本科，特級教師。清華大學附屬中學，100084