基于“学习·实践·创新”的化学学科能力培养——植物酸碱指示剂的提取及应用

陈新福 陈希比 李忠泽 田昊鹏



基于“学习·实践·创新”的化学学科能力培养——植物酸碱指示剂的提取及应用

陈新福 陈希比 李忠泽 田昊鹏

摘 要：为了激发学生对化学学习的兴趣，培养其化学学科的实验探究能力，通过实施“学习•实践•创新”的化学教学模式，开设化学拓展课，组织学生开展植物酸碱指示剂制备的研究性学习活动。以植物紫包菜等为原料，分阶段探究植物酸碱指示剂的制备、提纯和指示剂的变色间隔。根据光学原理，利用色度传感仪和酸度传感仪等，研究植物酸碱指示剂pH值和颜色之间的变化关系，将所得数据输入计算机合成，做出比色卡。植物酸碱指示剂除具有一般指示剂的特点外，还具有经济易得、绿色环保等优势，可广泛应用于生产和生活中。

关键词：学科能力；化学实验；植物；指示剂；创新

为了验证化学课本中的理论知识，探究生活中的一些现象，我们探究了植物酸碱指示剂的提取、性质等，经过一系列的研究，成效显著。通过该研究性学习课题的研究使学生进一步了解酸碱指示剂的原理及其应用，科学地解释了生活中的一些现象，提高了学生学习化学的兴趣。

一、问题的提出

课题组中的学生发现：在炒好的紫包菜上浇一些醋时，被浇到的菜变成了红色，没有被浇到的菜仍为紫色；当煮好的鸡蛋白遇到紫包菜汁时就被染成绿色。学生对此产生了浓厚的兴趣。

二、研究过程

1.探究植物酸碱指示剂制备与性质

我们选择的植物有紫包菜、胡萝卜、月季花等。

(1)将紫包菜的菜叶剥下，用剪刀剪碎，放入研钵中，加入少许蒸馏水，研磨，待有一定量的汁液渗出后，停止研磨，将汁液转移至烧杯中，再向研钵中加入少许蒸馏水，研磨……最后得到所需要的紫包菜汁液。

将盛有紫包菜汁液的烧杯放置在三脚架和石棉网上，用酒精灯加热煮沸以蒸发掉溶液中的水。冷却后，向其中加入适量酒精(用以防腐)，搅拌均匀，将其转移至试剂瓶，贴标签。

紫包菜汁是深紫色、有轻微刺激性气味的液体。在酸性环境下，显深红色；在碱性环境下，最开始显草绿色，静置一段时间后，溶液中出现少量墨绿色沉淀。在测量其变色间隔过程中，其变色过程为渐变，变化过程中的颜色不易区分，并且溶液中始终有少量黑色胶状物干扰判断，故无法得到其精确变色间隔。

(2)胡萝卜液为浅棕色，加入酸或碱后，无明显变化。

(3)月季花汁为棕色、有花香味液体。在酸性环境显红色；在碱性条件下无明显变化。在受热和久置后，加入酸或碱均无明显变化。

实验结论：胡萝卜汁液不能作为酸碱指示剂；月季花汁液可作为单色酸碱指示剂使用，但考虑到其极易受外界环境影响，故放弃研究；紫包菜汁液可作为双色酸碱指示剂使用，尽管不能精确地测量其变色间隔，但其组分酸型碱型颜色的差别十分明显，可以在大部分定性分析的实验中应用。另外，月季花汁液和紫包菜汁液的酸型组分颜色相同，经过查阅大量网络资料得知它们有效成分是同一种物质——花青素。

2.紫包菜植物酸碱指示剂提纯改进及保存

传统的植物酸碱指示剂提取方法是以水或酒精为溶剂，采用物理粉碎或研磨、过滤的方法。由于在粉碎过程中，叶片被粉碎得过小，形成胶体，很难被过滤完全，致使其溶液中杂质含量很高。

为解决上述问题，进行了如下改进：将紫包菜叶洗净，撕成小块备用。取一洁净烧杯，向其中加入少量盐酸，再加入适量蒸馏水冲稀，混合均匀。将紫包菜叶小块放入烧杯溶液中，对其进行水浴加热，待溶液颜色不再变化后停止加热。将加热后所得悬浊液冷却至室温，对其进行过滤。

随着加热地进行，烧杯中的液体逐渐变为红色，紫包菜叶小块由边缘向中心逐渐由紫色变为白色。过滤后所得溶液呈红色，十分清澈，透光性良好。保存数天无变质迹象，不需再加酒精防腐。

向溶液中加入少许盐酸有两大优点，一是能够快速破坏其细胞结构，加速其细胞液外渗；二是使溶液处于酸性条件下，不易滋生细菌、变质，易于长时间保存。

对溶液采取水浴加热一方面可使溶液受热均匀，另一方面可防止溶液升温过快而破坏有效成分。

此种提纯方法的优势在于：在破坏叶片细胞结构、得到细胞液的同时，使叶片依然以肉眼可见的形式存在于溶液中，这样过滤可更好地起到提纯的作用，有效地去除溶液中的少量黑色胶状物杂质。

3.紫包菜植物酸碱指示剂性质与变色间隔测定方法

如果希望测得该指示剂(紫包菜)的准确变色间隔并制作出相应的比色卡，就必须找到一种能够定量描述指示剂颜色随酸碱度变化的方法。

(1)根据物理知识，物体显色的原因是：当光源发光照射到物体上时，由于物体自身性质不同，吸收了一部分特定波长的光，同时反射了剩余波长的光，当反射光被人眼接收到时，人就看到了物体的颜色。因此，可以用物体反射光的波长描述物体的颜色。根据色度计的工作原理，通过调整光源波长，做出溶液比色与光源波长间的变化关系图，找到其极小值点，对应波长即为溶液反射光波长。但这要求光源波长可以自由、连续地调整，这显然是不可能的。所以这一实验方法并不可行。

(2)我们使用的是生化DIS实验箱中的色度传感仪和酸度传感仪。

受上述实验方法启发，可采取如下测量方法测定颜色：配置若干不同pH值的溶液，分别加入等量的指示剂，装入比色皿中备用。选取3种特殊波长的光(三基色光)——红、绿、蓝作为色度计的光源。

在3种光源下，分别测出不同溶液的比色，做出“比色-pH值”图像，即可分别得到三基色光光强随溶液酸碱度的变换规律，在图像中即可得到任意pH值时，三基色光的光强比例，通过计算机既可合成出该pH值时溶液的颜色，然后做出比色卡。

(3)不同pH值溶液的配置方法及问题

为了正确、有效地选择不同组溶液pH值的取值，需先对指示剂变色间隔进行粗测。采用中和滴定的方法对指示剂的变色间隔粗略测量的结果如表1所示。

表1

指示剂在酸性条件下保存时的pH值：4.7

根据上述粗测结果，初步选择取15组溶液，pH值由4.7到8.9，每组间隔0.3。

只能通过大量的实验大致调节溶液颜色，再用pH计测量其pH值。最终溶液配制情况如下：4.7，4.9，5.1，5.3，5.8，6.4，6.9，7.6，7.8，8.6。

(4)测量结果与分析

溶液按进行测定，对数据进行整理后，即可得到4组测量数据。

由于仪器限制，光源波长并没有标准的三基色光波长，但其中430 nm，470 nm，635 nm三组数据可近似认为是三基色光的数据。将数据做成图像(如图1所示)。

图1

下面为叙述方便，将波长为430 nm，470 nm，565 nm，635 nm四种色光依次记为：蓝、绿、黄、红。

通过图1，根据色光合成的常识，不难定性地看出：当溶液呈酸性时，红光光强要远大于其余三色光，溶液应显红色。随着溶液pH值升高，蓝、绿、黄3种色光光强逐渐上升，当溶液呈弱酸性时，溶液应显紫色。当pH值继续升高时，红光光强迅速衰减，在溶液呈弱碱性时几乎为0，蓝、绿光所占比例变大，在溶液呈弱碱性时，所显颜色应介于蓝色和绿色之间，在溶液呈碱性时，蓝光也已衰减，溶液应显绿色。在溶液pH=8.6时，红光光强突然增大，致使溶液颜色应向黄、红方向移动。

上述分析除最后一条外，均与粗测结果吻合。最后一条所得出的结论显然是不合常理的，实验中对此情况的反应为：在溶液pH=8.6时，溶液呈草绿色，但放置一段时间后(约1小时)，可看到溶液颜色明显变为浅黄色。对于这样的实验结果，之前设计的测定方法显然不再适用，但由于该指示剂主要应用范围不包括pH=8.6，故本研究未对其进行深入探究。

如前所述，通过图像上任一点三基色光的光强比例，即可由计算机合成出该点的溶液颜色，制作出比色卡。合成结果如图2所示。

图2

通过对比可以看出，除pH=8.6的一组，其余合成色均与实际色接近。合成色与实际色之间略有差别，这只是由于仪器的限制，后期实验结果证明，此种测定方法是可行并可信的。

三、研究成果

1.研究成果和意义

通过上述研究，基本解决了开始提出的2个主要问题，按照上面的实验结果，植物酸碱指示剂已经基本可以用于定量分析及长时间保存。如果在此基础上，能够找到适当的方法对其变色间隔进行调整，使之更加适应人体的酸碱度范围，再利用其可食用性(对人体完全无害)，便可在医学上产生很高的应用价值，例如测量口腔内酸碱度、测量人体体腔黏膜的酸碱度等。此外，植物酸碱指示剂的原料经济易得，制备方法简单，易于保存，能够大量生产，这些优势都是普通指示剂所不具备的，这使植物酸碱指示剂的应用范围比普通指示剂更加广泛、更能适应各方面的需要。

2.探索方向和设想

(1)变色间隔有待完善

对指示剂变色间隔调整的初步设想是：希望找到其他几种不同颜色的植物，能够满足其颜色不随环境酸碱度变化而变化的要求。通过实验，利用色度计分析，找到添加不同颜色的植物汁液的量与溶液颜色的变化规律，从而达到调整指示剂变色间隔的目的。但由于目前尚未找到最合适的植物，加之一些客观条件的限制，这一问题尚未得到彻底解决。

(2)碱性条件下指示剂的颜色变化缺失

如前所述，pH=8.6时，溶液的颜色会发生一种奇怪的变化，初步猜测变色原因与花青素自身一些性质有关。由于这与此次研究的主要问题无关，因此尚未对其进行深入研究。

(3)比色卡误差修正的设想

如前所述，目前制作的比色卡存在一定误差，通过提高实验仪器水平自然可以大大减小误差，因此还可以通过误差修整的方法来调整比色卡，使之更加准确。

在此提出一种修正方法的设想：由于色光中三基色的比例是满足线形变换的，因此，可以在其比例系数前再乘以某常数对其进行修正，故只要得到这3个常数即可。通过计算机可以找到与实际色最接近的合成色，在计算机上可以读出三基色的比例，再与理论计算出的比例对比，即可建立方程。由于要确定3个常数，故需选择3组颜色，建立3个方程，即可求得3个常数，达到对比色卡进行修正的目的。这一设想有待进一步考证、落实。

参考文献

[1] 彭崇慧,冯建章,张锡瑜.分析化学[J]北京大学出版社,2009(2):52-67.

作者信息

陈新福，本科，特级教师。清华大学附属中学，100084