揭秘彩虹管現象*
——制作彩虹管的實驗探究

李曼曼 李德前

（1.睢寧縣嵐山中學 江蘇 徐州 221217；2.徐州市西苑中學 江蘇 徐州 221002；3.徐州市李德前化學名師工作室 江蘇 徐州 221002）

酸堿中和反應是初中階段非常重要的反應類型。如果在酸或堿溶液中預先加入指示劑再進行中和反應，那么反應期間由于酸堿混合液上下各部分的酸堿度不同，溶液中就會出現好幾層不同的顏色，像彩虹一樣，我們形象地稱之為“彩虹管”實驗［1］。

天然酸堿指示劑含有的色素種類多，能夠呈現多種不同的顏色（如黑枸杞酸堿指示劑能呈現的顏色有玫紅、紅、粉、紫、藍、綠、黃等10多種），這就為彩虹管實驗提供了能呈現多彩現象的變色條件。

一、問題的提出

前不久，我們做了如下實驗：在一支試管中加入適量的稀鹽酸，滴加了幾滴黑枸杞指示劑（溶液呈現玫紅色），然后逐滴加入氫氧化鈉溶液，隨著反應不斷進行，溶液逐漸分出了好幾層顏色，從底到上分別呈現黃、黃綠、綠、藍、紫、粉、玫紅等顏色，色層之間還有漸變過渡層（見圖1，左邊是實物圖、右邊是示意圖），宛若彩虹，煞是漂亮，且很穩定（在靜置條件下，該現象可以維持5小時以上）。

圖1 在試管里借助中和反應做彩虹管實驗

之后，我們又反向用鹽酸加入滴有黑枸杞指示劑的氫氧化鈉溶液中，卻發現難以出現彩虹管現象。那么呈現彩虹管現象的原因和條件是什么呢？我們進行了如下實驗探究。

二、猜想與假設

1.主要猜想

因為是氫氧化鈉溶液滴入稀鹽酸中出現彩虹管現象，猜想之一可能是氫氧化鈉溶液密度大于稀鹽酸，所以傾向于向溶液下方運動，形成對流，加之氫氧化鈉溶液將重力勢能轉化為動能，加速對流，使得氫氧化鈉溶液未完全被鹽酸消耗便沉入底部，溶液從底到上分別呈現堿性、中性、酸性。我們查找了氫氧化鈉溶液和鹽酸的濃度與密度表（見表1），并做成雙曲線圖（見圖2）。

圖2 氫氧化鈉溶液與鹽酸密度比較

圖3 用10%氫氧化鈉溶液逐滴加入5%稀鹽酸中的先后現象

由上圖可知，同等濃度的氫氧化鈉溶液和鹽酸，前者密度均大于后者，且濃度越大，密度相差越大，實驗室常用的稀鹽酸濃度是8.5%左右（1∶4的鹽酸），氫氧化鈉溶液濃度在10%左右，所以證實了我們的猜想之一。

2.其他猜想

除了反應物的密度、濃度有影響外，決定彩虹管現象的可能還有試管中鹽酸溶液高度和試管口徑以及試管形狀等。另外，不同酸堿指示劑的種類也決定彩虹管呈現色層現象不同。

三、初探——溶液濃度對彩虹管實驗的影響

本組實驗統一選用15 mm×150 mm 試管，鹽酸取6 mL，在試管內所占高度約為45 mm，均選用了黑枸杞指示劑作為酸堿指示劑。實驗時，固定好試管，采用將氫氧化鈉溶液逐滴滴入鹽酸中的方法。

1.實驗一

先在10%的鹽酸中滴入3 滴黑枸杞指示劑，再將不同濃度的氫氧化鈉溶液分別滴入10%鹽酸中（不要將氫氧化鈉溶液注入鹽酸中，以防過量、攪動色層），實驗分析數據見表2。

表2 不同濃度氫氧化鈉溶液分別滴入10%鹽酸中

2.實驗二

先在5%的鹽酸中滴入3滴黑枸杞指示劑，再將不同濃度氫氧化鈉溶液分別滴入5%鹽酸中（不要將氫氧化鈉溶液注入鹽酸中，以防過量、攪動色層），實驗分析數據見表3。

表3 不同濃度氫氧化鈉溶液分別滴入5%鹽酸中

通過上述兩組6個實驗初步得出如下結論：

（1）溶液密度確實影響彩虹管實驗，在該實驗中，氫氧化鈉溶液的密度要明顯大于鹽酸的密度，且接近或者略大都不合適。

（2）可以做彩虹管的組合有15%氫氧化鈉溶液與10%鹽酸，10%氫氧化鈉溶液與5%鹽酸，15%氫氧化鈉溶液和5%鹽酸。其中，10%氫氧化鈉溶液加入5%鹽酸中現象最佳。

在上述實驗中，僅有三層色層現象，且中間層不穩定，那么要形成相對穩定的彩虹管實驗還有哪些影響因素呢？

四、再探——揭秘相對穩定的彩虹管實驗

到底是什么原因不能形成相對穩定的彩虹管實驗呢？我們找到之前做實驗的氫氧化鈉溶液再試了一次發現可以復原現象，并觀察到實驗中有細小的氣泡產生。原來，之前用的氫氧化鈉溶液是輕微變質的，已經有部分碳酸鈉生成的氫氧化鈉溶液——原來產生穩定彩虹管現象的秘密還有碳酸鈉的作用。

那么碳酸鈉的參與到底有什么影響呢？通過色層的分析，我們大膽猜想，彩虹管中從底到上決定溶液酸堿性的溶質分別是氫氧化鈉、碳酸鈉、碳酸氫鈉、氯化鈉、氯化氫，它們分別顯示強堿性、適中堿性、弱堿性、中性、酸性——這樣就解釋通了。

眾所周知，變質的氫氧化鈉溶液中存在碳酸鈉，那氫氧化鈉溶液中含有多少碳酸鈉才能形成美麗的彩虹管現象呢？碳酸鈉對溶液密度的影響大嗎？

通過反復實驗發現：100 mL的15%氫氧化鈉溶液中加入約1 g 的碳酸鈉固體，或者100 mL 的10%氫氧化鈉溶液中加入約0.7 g碳酸鈉固體最合適，加入偏多有氣泡產生，實驗觀感不好，加入偏少分層效果不理想。因為加入的碳酸鈉量比較少，且使氫氧化鈉溶液密度略有增加，實際上對氫氧化鈉溶液和鹽酸溶液的濃度選擇上并未有影響，還用上述分組實驗中選擇的濃度即可。

五、拓展探究

1.試管內鹽酸高度對彩虹管實驗的影響

試管內鹽酸高度也決定著實驗結果，溶液高度越高，氫氧化鈉溶液滴入后下沉越慢，在此過程中氫氧化鈉溶液還沒來得及墜入底部可能已經被鹽酸消耗完，就不能呈現分層現象了。

我們將15%氫氧化鈉溶液分別滴入5%鹽酸中，鹽酸分6 種高度，即20 mm、30 mm、50 mm、70 mm、90 mm、110 mm；通過實驗發現，試管中鹽酸的最佳高度在30～70 mm 之間，有效高度在20～110 mm 之間，超出110 mm 時溶液混溶不分層，低于20 mm 時溶液高度不夠，不利于觀察分層現象。

需要注意的是，如果鹽酸高度較高，超出70 mm時，需要濃度較大的氫氧化鈉溶液，例如15%以上。

2.試管口徑粗細對彩虹管實驗的影響

經過幾次試驗發現，試管的口徑大小對彩虹管實驗的影響不大。通常口徑為15～20 mm之間的試管，既現象明顯，又節省試劑。

不建議更換太大口徑的試管（例如30 mm以上口徑的），這樣會造成藥品浪費。

3.不用試管能否做成彩虹管實驗

事實上，從趣味性考慮，利用彎曲管、U 形管、物理連通器也能做彩虹管實驗（見圖4，左邊是實物圖、右邊是示意圖）。

圖4 在U形管里借助中和反應做彩虹管實驗

如用U形管（150 mm×15 mm）做該實驗［2］，也是事先在U形管中加入40 mm高度的5%鹽酸，先滴入3～5滴黑枸杞指示劑并振蕩，溶液變為玫紅色；然后分別向兩個支管同時逐滴滴入15%的氫氧化鈉溶液，然后也會出現分層現象，并與試管中現象一致，因為是雙管，實驗也更加有趣。

需要說明的是，上述彩虹管實驗涉及的都是放熱反應，從而引起混合溶液溫度略有上升、密度略有減小；由于采用的是密度大的氫氧化鈉溶液加入密度小的鹽酸中，密度差變大對反應現象是正向的影響，因此可以忽略反應放熱對該實驗的影響。

六、結語

通過上面的研究可知，形成彩虹管實驗的必要條件是在鹽酸（溶質質量分數在5%～10%之間）中事先滴入適量黑枸杞指示劑，再將含有少量碳酸鈉的氫氧化鈉溶液（溶質質量分數在10%～15%之間）逐滴滴入鹽酸溶液中。形成彩虹管實驗的輔助條件是在試管或U形管中做此實驗，需要控制鹽酸液面高度在30～70 mm之間，試管或U形管的口徑選擇15～20 mm之間。

本文僅僅探究黑枸杞指示劑在氫氧化鈉溶液和鹽酸反應時形成彩虹管的原因及影響因素，實際上其他酸堿溶液、植物酸堿指示劑，也應該在某些條件下可以形成類彩虹管現象，不再贅述。