紙條用于測量濃堿溶液濃度的實驗探究

楊靜 徐孝文

摘要：纖維在濃堿中會收縮，探究了用pH試紙和濾紙在不同濃度的濃堿溶液中的收縮率來判斷濃堿濃度的一種新方法。實驗發現，在濃度小于10%的NaOH溶液中，pH試紙和濾紙不會收縮；在濃度為10%～25% NaOH溶液中，pH試紙和濾紙收縮率變化最大。此后，隨著堿液濃度升高，pH試紙和濾紙收縮率開始下降，當堿液濃度超過60%時，收縮率不變。探索出測量濃堿濃度的一種快捷簡易的新方法，延伸了pH試紙和濾紙的使用范圍。

關鍵詞：pH試紙；實驗濾紙；濃堿濃度；收縮率；實驗探究

文章編號：1005–6629（2016）10–0048–03 中圖分類號：G633.8 文獻標識碼：B

檢驗溶液酸堿度常用“廣泛pH試紙”，在廣泛pH試紙中通常含有甲基紅、溴甲酚綠、百里酚藍三種指示劑，在不同的pH溶液中均會按一定的規律變色[1，2]，其測量pH的范圍為1～14。這市售的試紙，使用時撕下一條剪成若干小塊，放在干凈的表面皿上，用一支潔凈干燥的玻璃棒從溶液容器中蘸取一滴溶液點在試紙上，從試紙的顏色變化就可以知道溶液的酸堿性。但是，如果堿液濃度超過1 mol·dm-3（pH大于14），超出pH試紙的變色范圍時，這種pH試紙就無能為力了。這里我們根據纖維在強堿溶液中長度產生收縮的現象，利用pH試紙和濾紙在濃的NaOH溶液中不同的收縮率來判斷濃堿的濃度，開發出一種直觀、快捷、簡易、有趣的測量濃堿濃度的新方法。

1 實驗部分

NaOH溶液的配制：分別稱取一定量的NaOH（上海試劑總廠，分析純）于100mL干凈的小燒杯中，分別溶解并配成質量濃度為5%、10%、15%、20%、25%、30%、35%、40%、50%、60%和70%的NaOH溶液，冷卻后備用。

pH試紙和濾紙收縮率測定：用上海三愛思試劑有限公司生產的廣泛pH試紙作為實驗試紙，杭州沃華濾紙有限公司生產的雙圈牌定性濾紙（中速）作為實驗濾紙，將pH試紙一條條揭下來，濾紙裁剪成6.0×1.0cm紙條，放到鋪展平整的塑料薄膜上，分別用塑料吸管吸取不同濃度的NaOH溶液均勻地滴在pH試紙或濾紙上，觀察到廣泛pH試紙和濾紙瞬間收縮，變化時間不大于2秒，其后長度不變，用直尺測量其長度，計算收縮率，繪制收縮率與堿濃度標準曲線，整個實驗溫度控制在20℃。收縮率根據下列公式計算：

收縮率=[（原來的pH試紙或濾紙長度-收縮后pH試紙或濾紙長度）/原來pH試紙或濾紙長度]×100%

2 結果與討論

將堿液用塑料吸管滴加到pH試紙的瞬間，觀察到pH試紙收縮，收縮時間不超過2秒，同時看到pH試紙變成深紫色，這是廣泛pH試紙中甲基紅、溴甲酚綠、百里酚藍三種指示劑在堿液中的變色結果。從表1可以看出，在堿濃度小于10%時廣泛pH試紙基本不收縮，在10%～25%區間收縮率變化明顯，濃度在25%收縮率最大，此后，隨著堿液濃度升高，pH試紙收縮率開始下降，堿液濃度超過60%時，收縮率不變。

圖1為pH試紙在不同濃度堿液中收縮率曲線（數據見表1），可以根據pH試紙在不同濃度堿液中收縮率來測定堿液濃度，在堿液濃度為10%～25%區間基本符合線性關系，在25%～60%區間也基本符合線性關系。如果不清楚某堿液濃度是在10%～25%區間或25%～60%區間，可以通過將溶液稀釋的方法來解決，例如一個堿液的濃度為20%，稀釋一半濃度為10%，稀釋后pH試紙在其溶液中基本不收縮，而一個濃度為30%的堿液，稀釋后的溶液濃度為15%，pH試紙在其溶液中收縮率達10%，可以清楚區別出收縮率幾乎相同的濃度為20%和30%的堿液。由此可見，利用pH試紙在不同濃度堿液中收縮率和稀釋溶液方法，就可以測量出濃度在10%～60%的堿液。

同樣，用濾紙來代替pH試紙，得到的結果與pH試紙結果一致。將不同濃度堿液滴在濾紙上，濾紙瞬間收縮，變化時間不大于2秒。表2為濾紙在不同濃度堿液中的收縮率數據，濾紙在濃堿中最大收縮率也出現在堿液濃度為25%的堿液中，在堿液濃度小于10%時濾紙不收縮，收縮率變化最大出現在堿濃度在10%～25%區間。在堿液濃度為10%～25%區間基本符合線性關系，在25%～40%區間也基本符合線性關系，堿液濃度超過40%收縮率基本不變，與pH試紙測試結果基本一致，說明用纖維素紙在強堿中的收縮現象來測定濃堿的選用材料具有廣泛性。

為了考察溫度對濾紙和pH試紙在濃堿中收縮率的影響，我們選用對濾紙和pH試紙的收縮率最大的25%堿液為實驗堿液，將25%堿液分別置于水浴恒溫控制堿液溫度為25℃、30℃、40℃、50℃、60℃、70℃和80℃的100mL燒杯中，然后將不同溫度堿液滴在濾紙和pH試紙上，觀察收縮情況并測量濾紙和pH試紙收縮后的長度。實驗結果表明：濾紙和pH試紙在這些不同的溫度下收縮率不變，說明溫度對本方法測定濃堿的濃度影響不大。

纖維素是由許多D-吡喃葡萄糖基以糖苷鍵連接而成的線性高分子。這些線性排列的分子鏈之間會形成氫鍵，使纖維素中存在強大的氫鍵網絡，從而具有很強的微晶體結構，即由無數微晶體與非晶區交織在一起[3]。當堿液作用于纖維素時，除了堿與纖維素生成堿纖維素外，還發生堿及其水合分子滲透到纖維素的微細結構中，使纖維素劇烈溶脹，導致纖維收縮。而纖維素的溶脹，開始時隨著堿液濃度的增加而增加，在達到最大值后，隨著堿液濃度的增加，其溶脹度下降，A. T.謝爾柯夫認為這一點是難以解釋的[4]。王德驥[5]認為：這種現象歸因于堿液水合離子對的類型和動力學直徑的大小，影響著纖維素發生溶脹作用的能力。在濃度為6%～9%的氫氧化鈉溶液中，堿液中存在的主要是解離水化離子對，直徑較大（1～1.5nm），不容易滲入到纖維素的大分子結構中去。隨著濃度的增加，形成水合物的有效水分子數量減少，形成水化離子對和偶極水化物，其直徑較?。?.6nm），不僅能滲透到纖維的無定形區，而且能滲透到纖維的準結晶區和結晶區，與纖維素分子形成氫鍵，導致纖維溶脹和收縮。當堿液濃度超過某一界限后，雖然溶液中Na+數量繼續增加，形成偶極水化物中的水分子數量減少，如：氫氧化鈉濃度為22.8%～24.1%時，偶極水化物分子式為NaOH·7H2O；氫氧化鈉濃度為34.8%～35%時，偶極水化物分子式為NaOH·4H2O；氫氧化鈉濃度為52.6%時，偶極水化物分子式為NaOH·2H2O。由于偶極水化物中的水分子數量減少，從而使纖維素溶脹度反而下降[6]。還有不少文獻也提到了纖維素（濾紙）遇酸、遇堿發生收縮、變形的原因[7，8]。

3 結論

在濃度小于10%的NaOH溶液中，pH試紙和濾紙不收縮，在濃度為10%～25%的NaOH溶液中收縮率變化明顯，其中在25%的NaOH溶液中，pH試紙和濾紙收縮率最大，達到16.7%。此后，隨著堿液濃度升高，pH試紙和濾紙收縮率開始下降，通過測量pH試紙或濾紙收縮率可直觀、快捷、簡易、有趣地判斷出濃堿的大致濃度，由此可開發出測量濃堿濃度的一種新方法，同時也延伸了pH試紙和濾紙的使用范圍。

參考文獻：

[1]武漢大學.分析化學（第5版）[M].北京：高等教育出版社，2006：137～138.

[2]華中師范大學，東北師范大學，陜西師范大學，北京師范大學.分析化學（第4版）[M].北京：高等教育出版社，2001：119～122.

[3]蔡杰，呂昂，周金平等.纖維素科學與材料（第1版）[M].北京：化學工業出版社，2015：70～98.

[4][蘇] A. T.謝爾柯夫.王慶瑞譯.粘膠纖維[M].北京：紡織工業出版社，1985：23～46.

[5][6]王德驥.堿液處理纖維素的最大溶脹現象與“體積效應”機理[J].人造纖維，1999，（4）：1～5.

[7]王子亮.利用濾紙做創新實驗[J].化學教學，2006，（9）：5～6.

[8]葉燕珠，吳新建等.初中化學趣味實驗及相關探究課題[J].化學教學，2015，（1）：52～54.