畢吉利，楊文遠(yuǎn)，吳曉紅，馬然松

(寧夏大學(xué) 化學(xué)化工學(xué)院，寧夏 銀川 750000)

酚酞(phenolphthalein)的化學(xué)名稱是3,3-雙(對-羥苯基),化學(xué)式:C20H14O4,其表觀為白色細(xì)小晶體,相對密度為1.27，易溶于乙醇,難溶于水．在弱酸性或中性水溶液中均為無色,在811的強(qiáng)堿性溶液中,酚酞的紫紅色褪去,變?yōu)闊o色溶液．其變色機(jī)理主要是酚酞在不同的pH值范圍內(nèi)分子結(jié)構(gòu)上發(fā)生變化導(dǎo)致，在弱酸性條件下,酚酞屬于內(nèi)酯式分子結(jié)構(gòu)，相對穩(wěn)定,而在堿性溶液中,酚酞則由內(nèi)酯式結(jié)構(gòu)逐漸向醌式結(jié)構(gòu)過度[1](見圖1)．而在中性溶液中，以醇式結(jié)構(gòu)為過度體，向醌式結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變．

圖1 酚酞在不同PH值環(huán)境中分子結(jié)構(gòu)

本文主要通過對酚酞試劑變色范圍的影響因素分析和論證，從理論和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)上使學(xué)生理解指示劑變色的真正原因，并能夠在實(shí)驗(yàn)中得到很好的應(yīng)用．

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)原理

指示劑在溶液pH改變時，由于質(zhì)子轉(zhuǎn)移引起指示劑分子或離子結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，使其在可見光范圍內(nèi)發(fā)生了吸收光譜的改變，因而呈現(xiàn)不同顏色的變化[2]．若以HIn表示指示劑，In-為其共軛堿，那么，HIn的電離平衡為：HIn(aq)+H2OH3O+(aq)+In(aq)，其中HIn(aq)和In(aq)的顏色分別為無色和紅色．當(dāng)溶液≤溶液的pH≥pKa(HIn)+1，指示劑90%以上以共軛堿In-的形式存在，溶液呈現(xiàn)In-的顏色，由于酚酞試劑為弱電解質(zhì)，隨著酚酞滴數(shù)的增加，(HIn)的增加率大于導(dǎo)致酚酞變色點(diǎn)范圍左移，致使同一色度下，滴數(shù)越少，pH越大．同理，隨著溶液溫度的升高，平衡向正方向移動，導(dǎo)致的變化率增加，使酚酞變色點(diǎn)范圍隨著溫度的升高向左移動．

1.2 實(shí)驗(yàn)儀器和藥品

(1)實(shí)驗(yàn)儀器.數(shù)據(jù)采集器、pH傳感器、色度傳感器、計算機(jī)(配套軟件)、電子天平、磁力攪拌器、水浴鍋、酸式滴定管、堿式滴定管、錐形瓶、容量瓶、燒杯、量筒、玻璃棒、膠頭滴管．

(2)藥品.酚酞固體，0.1mol/L鹽酸，0.1mol/L氫氧化鈉，乙醇.

1.3 實(shí)驗(yàn)過程

連接好裝置，打開數(shù)據(jù)采集器及計算機(jī)配套軟件，設(shè)置采樣頻率為2s，手動停止．

實(shí)驗(yàn)1

(1)準(zhǔn)確稱取20mL,0.1mol/L鹽酸溶液于4支200mL的錐形瓶中，再分別向4份溶液中滴加3滴、7滴、15滴、20滴的酚酞試劑，靜止片刻，使其混合均勻．

(2)將pH傳感器插入溶液當(dāng)中，使探頭完全浸沒于液面以下，開啟磁力攪拌器，用低速攪拌．

(3)用0.1mol/L氫氧化鈉溶液勻速滴加到盛放鹽酸的錐形瓶中，待溶液pH值增加到3.5左右時，減慢氫氧化鈉的滴加速度(半滴/次)，觀察溶液顏色變化，當(dāng)溶液顏色發(fā)生變化后，停止滴定，待pH值顯示穩(wěn)定后，迅速清洗探頭轉(zhuǎn)移到不同酚酞滴數(shù)的錐形瓶當(dāng)中，平行測定5次，保留圖像．

(4)用色度傳感器測量滴定后溶液的色度，進(jìn)行對比．

實(shí)驗(yàn)2

(1)取0.1mol/L、30mL鹽酸溶液5份，盛放于200mL錐形瓶中，分別滴加3滴酚酞試劑，待其混合均勻后開始實(shí)驗(yàn)．

(2)開啟水浴鍋，調(diào)節(jié)溫度，將pH傳感器插入溶液當(dāng)中，使探頭浸沒于液面下方，用玻璃棒勻速攪拌．

(3)同實(shí)驗(yàn)1中(3).

(4)調(diào)節(jié)水浴鍋溫度，平行滴定5次，并用色度傳感器測量滴定后溶液的色度．

1.4 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及處理

實(shí)驗(yàn)1

確保滴定終點(diǎn)溶液的吸光度相同是研究酚酞變色影響因素的前提，滴定結(jié)束后，對所滴定溶液的透光率進(jìn)行測量和分析，如表1所示．根據(jù)朗伯比爾定律A=lgT=εbc，式中:A-吸光度;T-透光率;ε-吸光系數(shù);b-液層厚度;c-溶液濃度．對溶液透光率進(jìn)行換算可以證明溶液在吸光度上無明顯差異，可為后續(xù)研究做充分保證．

表1 不同滴數(shù)下的透光率和吸光度

相同濃度的氫氧化鈉溶液滴定鹽酸，在控制濃度因素的前提下，改變指示劑的用量，通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)證明，隨著指示劑用量的增加，同一吸光度的被滴定溶液，pH值逐漸減小(見圖2)．

圖2 不同滴數(shù)下pH值變化

對以上數(shù)據(jù)通過Spearman相關(guān)分析[3]，結(jié)果顯示，酚酞滴數(shù)與pH值之間的相關(guān)顯著，相關(guān)系數(shù)為r=-0.736，p<0.01(見表2).

表2 滴數(shù)與pH相關(guān)性

實(shí)驗(yàn)2

控制酚酞滴數(shù)因素的前提下，改變滴定環(huán)境的溫度，并在恒溫下平行測定酚酞變色點(diǎn)的變化區(qū)域范圍，通過Spss數(shù)理統(tǒng)計軟件對其進(jìn)行描述性統(tǒng)計，不難發(fā)現(xiàn)，隨著溫度的升高，變色點(diǎn)的pH平均值逐漸降低，極值呈周期性變化(見表3)對溫度和pH值進(jìn)行回歸擬合，置信區(qū)間為95%，R線性=-16.345，具有明顯負(fù)相關(guān)性，如圖3所示．

表3 不同溫度下pH分析數(shù)據(jù)結(jié)果

圖3 溫度、pH值交互式圖像(回歸擬合)

2 結(jié)論

酸堿滴定是定量實(shí)驗(yàn)的一個重要內(nèi)容[4]，那么指示劑作為酸堿滴定過程中發(fā)生突躍的“標(biāo)志性”物質(zhì)更顯的尤為重要，不僅體現(xiàn)在本身的種類、用量上，還關(guān)系到外界環(huán)境等影響因素，如溫度、離子強(qiáng)度[5]．實(shí)驗(yàn)證明，用量的不同及溫度的變化都會影響到指示劑變色點(diǎn)的范圍，當(dāng)溶液

具有相同的吸光度時，隨著指示劑滴數(shù)的逐漸增加，pH值在變色范圍內(nèi)逐漸減小．隨著溫度的逐漸降低，pH值在變色范圍內(nèi)逐漸增大．

參考文獻(xiàn)：

[1]李曉燕,曾艷麗.關(guān)于酚酞變色機(jī)理的量子化學(xué)探討[J].大學(xué)化學(xué),2010,25(10):34-35.

[2]大連理工大學(xué)無機(jī)化學(xué)教研室.無機(jī)化學(xué)[M].北京:高等教育出版社,2006.

[3]張奇.SPSS for Windows在心理學(xué)與教育學(xué)中的應(yīng)用[M].北京:北京大學(xué)出版社,2007.

[4]王彤.儀器分析與實(shí)驗(yàn)[M].青島:青島出版社,2000.

[5]武漢大學(xué)化學(xué)與環(huán)境科學(xué)學(xué)院.物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)[M].武漢:武漢大學(xué)出版社,2000.