自制酸碱指示剂最佳指示效果的研究

吴云英，徐浚芯，朱玉芳，杨丽君，陈文静

(玉溪师范学院 化学生物与环境学院，云南 玉溪 653100)

0 引言

酸碱指示剂是指在一定pH值范围内显示一定颜色的试剂，常用的酸碱指示剂有酚酞、石蕊、甲基橙等，它们是一类结构较复杂的有机弱酸或有机弱碱，由于结构上的变化，它们的分子和离子具有不同的颜色，因而在pH不同的溶液中呈现不同的颜色。

300多年前，英国年轻的科学家罗伯特·波义耳在化学实验中偶然发现酸碱会使花瓣的颜色变色[1]，随着现代化学的发展更多的酸碱指示剂被发现，并且在日常生活中我们会观察到将牛奶倒入紫薯中，紫薯泥会从紫色变成蓝色，清洗泡过黑枸杞的杯子时，杯子会从紫色变为蓝色，从这些现象中我们可以知道我们能提取这些物质中的色素来取代酸碱指示剂在pH 1～pH 14下的变色情况。原因是在这些物质中含有大量花青素分子并且花青素中存在分子共扼体系，在酸性、碱性和中性溶液中呈现不同的结构[2]，有易溶于水、甲醇、乙醇、稀碱与稀酸等极性溶剂中的性质。指示剂的显色与其微观结构变化密切相关，有机物结构中的共轭体系越大，物质显示的颜色越深，所以会出现pH不同，颜色变化的情况。本文所选原材料在日常生活中是较易获得的植物，所得自制酸碱指示剂能粗略检测果汁、饮品及其他日用品的pH值。

1 材料与试剂

1.1 实验试剂与仪器

1.1.1 实验试剂

本实验用于色素的提取的原料包括蔬菜、花、干果类。蔬菜类：紫甘蓝、紫薯；花类：杜鹃(映山红)[3]、非洲菊；干果类：黑枸杞[4]、干桑葚。95%乙醇，蒸馏水，盐酸，醋酸，氢氧化钠，氨水。

1.1.2 实验仪器

研钵，胶头滴管，200目纱布，烧杯，白色滴瓶，点滴板，试管。

1.2 提取液的制备

1.2.1 样品预处理

将样品进行预处理，蔬菜类需切成小块进行研磨，再加入溶剂浸泡30 min[5]，然后过滤；花类则需要去除花蕊[6]后直接放入研钵中捣碎后再加入溶剂浸泡，然后过滤；干果类[7]只需要直接加入溶剂浸泡后过滤即可。

植物的预处理是为了在更短的时内能提取更多的色素，如表1所示。不同植物的处理方法不同，对于质地较硬，并且体积也较大在处理时要将其切碎，再用溶剂浸泡，体积较小，可直接用溶剂提取色素。

表1 色素提取的方法Tab.1 Method for extracting pigment

1.2.2 不同溶剂的提取效果

按上述提取色素的方法，用几种不同的溶剂：95%乙醇，同等体积的95%乙醇和去离子水(47.5%乙醇)，去离子水，分别提取色素制成提取液，观察提取液的颜色，如表2所示。

表2 植物色素在不同溶剂中的溶解情况Tab.2 Dissolution of plant pigments in different solvents

同种物质不同溶剂的提取液的颜色不同，由95%乙醇，47.5%乙醇，去离子水所提取的提取液的颜色出现由浅到深的变化，以去离子水作为溶剂的提取液除了紫甘蓝之外，所有提取液的颜色都最深；同种溶剂对不同物质的提取效果也不同，95%乙醇能有效提取蔬果类，花类物质但对干果类的提取效果却几乎无效，去离子水能提取所有物质的色素，但显色效果还需进一步确认。

2 实验部分

2.1 自制指示剂在pH 1～pH 14的条件下的显色情况

2.1.1 pH系列溶液的配制

用1 mol/L的氢氧化钠，1 mol/L的氨水，1 mol/L的盐酸，1 mol/L的醋酸和蒸馏水分别配置30 mL的pH 1～pH 14的系列[8]溶液，分别装入白色滴瓶中，并贴好标签备用。

2.1.2 自制酸碱指示剂在pH系列溶液中的显色情况

取白色点滴板，在点滴板上依次滴加4～5滴pH 1～pH 14的溶液，再向其中滴加1～2滴的提取液，观察溶液显色情况[8-9]，如表3和图1所示。

图1 自制指示剂在不同pH中的显色情况图Fig.1 Color development diagram of self-made indicator in different pH

表3 自制指示剂在不同pH中的显色情况Tab.3 Color development of self-made indicator in different pH

选用pH 1～pH 14的溶液体积略多于提取液体积，因为pH溶液为无色所有就算无明显的颜色变化也只会略稀释提取液颜色，但若提取液体积多于pH溶液，则可能发生颜色改变，不能显现真实颜色，比如：提取液颜色为红色，加入某种pH液时显色应为蓝色，当提取液颜色多于pH溶液则颜色会显现为紫色，与正确显色为蓝色出现偏差。

由表3中的显色情况可知，不同植物会有不同的变色范围与显色情况，不同的溶剂对同植物的色素提取效果不一样，同种溶剂对不同植物的提取效果也不同，并且提取液的颜色并不是越深越好，通过pH计可测的各种提取液的pH值，原溶剂pH值为：95%乙醇为8.48，47.5%乙醇为7.64，去离子水为6.70，通过与溶剂pH对比可以发现全部提取液均发生pH降低的情况，并且颜色越深的提取液pH降低的越大，通过其显色情况与原液颜色的对比可知紫甘蓝、紫薯、映山红和黑枸杞的检测酸碱情况较好。

2.2 最佳溶剂选择

2.2.1 提取液的保质时间

将上述在不同溶剂中提取的提取液保存在白色小滴瓶中，定时测试它们在不同pH下的显色情况，观察它们在同样的pH下颜色是否变化，从而可知各种提取液的保质时间。

由表4可知95%乙醇、47.5%乙醇和去离子水3种溶剂所提取的提取剂保质时间有很大的区别，其中除了非洲菊在以47.5%乙醇和去离子水作溶剂下其显色效果不好，黑枸杞和干桑葚在以95%乙醇作溶剂下几乎不能提取色素以外，紫甘蓝，紫薯，映山红都是以95%乙醇作为溶剂的保质时间最长，蔬菜类的保质时间都超过了10 d，花类也在5 d以上；干果类在47.5%乙醇和去离子水中的保质时间差不多都非常短只有2 d。

表4 提取液在不同溶剂中的保质时间Tab.4 Shelf life of extract in different solvents

2.2.2 自制酸碱指示剂不同时间里的显色效果

由最佳溶剂所制的酸碱指示剂在不同的保质时间内，不同的pH下的显色情况和溶液pH的变化。

由表5和图2所示，随着时间的流逝其提取液的颜色会逐渐变浅，并且当自制酸碱指示剂超出保质时间后大部分的颜色与未过期时的颜色不会发生太大变化，但是会有少部分在相应的pH范围内不能正确显色或不能显色，通过pH计测量其pH的变化可见随着时间流逝原提取液的pH并不会发生剧烈变化。

表5 自制酸碱指示剂随时间变化显色情况Tab.5 Time change and color development of self-made acid-base indicator

图2 自制酸碱指示剂随时间变化其显色的情况Fig.2 Color development of self-made acid-base indicator with time

2.2.3 最佳溶剂

通过以上表中数据分析物质用不同溶剂提取的提取液在不同pH下的显色情况，显色情况的区分度和其保质时间的长短选择对于该物种来说最佳的溶剂，如表6所示。

表6 各种色素的最佳溶剂选择Tab.6 The best solvent selection for various pigments

根据不同植物在系列pH中的显色情况，显色情况的区分度和保质时期等原因选择最佳的溶剂，分析以上数据可得紫甘蓝、紫薯中在95%乙醇保存时间更长，并且在原提取液并非为无色的基础上以95%乙醇作为溶剂所提取的提取液在pH为7的溶液下显色为无色，区分度更好，并且在其他pH下的显色度也很鲜明，所以对于紫甘蓝和紫薯来说最佳溶剂的选择应为95%乙醇。对于映山红分析了其各个pH下的显色度与区分度发现95%和47.5%乙醇的显色效果类似，并且二者的保质时间相差也不大，所以95%与47.5%乙醇都可以作为最佳的溶剂选择。非洲菊只有在95%乙醇下才有有意义的显色，所以最佳溶剂就是95%乙醇。黑枸杞和干桑葚在95%乙醇下色素均很难有效提取，并且在pH系列下几乎无任何显色，而以去离子水和95%乙醇加去离子水作为溶剂的保质时间都为两天左右，但是以去离子水作为溶剂时有更多颜色显现并且有更好区分度，所以去离子水是黑枸杞和干桑葚的最佳溶剂。

2.3 自制酸碱指示剂的应用

选用水果：柠檬，饮品：雪碧，日用品：洗衣粉用自制酸碱指示剂测定其大概pH值。(注：为了不使实验品的颜色影响显色情况，所以选择的实验品的原液颜色基本为无色)

2.3.1 实验品的处理

柠檬用榨汁机榨取汁后，200目纱布过滤，倒入烧杯备用；雪碧直接倒入烧杯备用；洗衣粉用水溶解后取上层清液放入烧杯中备用。

2.3.2 实验步骤

1)用pH计测试柠檬，雪碧及洗衣粉溶液的pH值[10]。

2)在白色点滴板上用自制酸碱指示剂测试在pH 1～pH 14下的显色，再用自制酸碱指示剂。

3)分别测定柠檬汁，雪碧及洗衣粉溶液的颜色对比前面系列pH下的显色情况[11]，估计柠檬汁，雪碧及洗衣粉溶液的大概pH值。

由于有些自制酸碱指示剂会出现在不同范围的pH值下却有相同或相似的颜色变化，因此会出现在测试某些物质pH值时，不能确定其pH的范围，例如映山红pH 4和pH 8的颜色十分相似，黑枸杞pH 3～pH 4和pH 7～pH 8的颜色相似。如表7和图3所示，对比读出实验品大致的pH值和用pH计准确测定的实验品pH值，除非洲菊和干桑葚对柠檬的pH值误差较大外，其余自制酸碱指示剂的指示功能大概准确，其中指示效果最好的是紫甘蓝。

表7 3种实验样品使用自制酸碱指示剂pH检测情况Tab.7 pH detection of three kinds of experimental samples using self-made acid-base indicator

图3 自制酸碱指示剂检测实验样品的情况Fig.3 Testing of experimental samples with self-made acid-base indicator

3 结论

综上所述，不同植物会有不同的变色范围与显色情况，不同的溶剂对同种植物的色素提取效果不一样，同种溶剂对不同植物的提取效果也不同，95%乙醇对于蔬果类和花类都是较好的溶剂，但是干果类在95%乙醇中几乎无色素提取，去离子水所提取的提取液的颜色是3种溶剂中最深的，但显色效果并不是都是最好的，只有在提取干果类时去离子水才是提取效果最好并且显色效果也是最好的，而对于蔬果类和花类并不是提取液颜色越深越好，特别是对于非洲菊来说，颜色越深显色效果越差，对于蔬果类和花类来说95%乙醇虽然提取液颜色不是最深的但显色效果却是最好的。通过各类植物的在系列pH下显色情况与原液颜色的对比可知显色效果的好坏顺序为紫甘蓝、黑枸杞>紫薯>映山红>非洲菊>干桑葚；而对于提取液的保质时间来说，纯的95%乙醇的保质效果是最好的，其次是95%乙醇加去离子水，最差的是去离子水，所以虽然以去离子水作为溶剂提取的黑枸杞提取液的显色效果最好，但因其保质时间很短，大概2 d左右，分析所有提取液的显色效果和保质时间，效果最好的自制酸碱指示剂顺序为紫甘蓝>紫薯>映山红>黑枸杞>非洲菊>干桑葚；通过用自制酸碱指示剂测定雪碧、柠檬汁及洗衣粉溶液的大致pH对比用pH计读出的值，评估得出自制酸碱指示剂的指示剂只能粗略地指示出大致的pH范围，其中指示效果最好的是紫甘蓝。