陳新福 陳希比 李忠澤 田昊鵬

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基于“學(xué)習(xí)·實(shí)踐·創(chuàng)新”的化學(xué)學(xué)科能力培養(yǎng)——植物酸堿指示劑的提取及應(yīng)用

陳新福 陳希比 李忠澤 田昊鵬

摘 要：為了激發(fā)學(xué)生對(duì)化學(xué)學(xué)習(xí)的興趣，培養(yǎng)其化學(xué)學(xué)科的實(shí)驗(yàn)探究能力，通過(guò)實(shí)施“學(xué)習(xí)?實(shí)踐?創(chuàng)新”的化學(xué)教學(xué)模式，開(kāi)設(shè)化學(xué)拓展課，組織學(xué)生開(kāi)展植物酸堿指示劑制備的研究性學(xué)習(xí)活動(dòng)。以植物紫包菜等為原料，分階段探究植物酸堿指示劑的制備、提純和指示劑的變色間隔。根據(jù)光學(xué)原理，利用色度傳感儀和酸度傳感儀等，研究植物酸堿指示劑pH值和顏色之間的變化關(guān)系，將所得數(shù)據(jù)輸入計(jì)算機(jī)合成，做出比色卡。植物酸堿指示劑除具有一般指示劑的特點(diǎn)外，還具有經(jīng)濟(jì)易得、綠色環(huán)保等優(yōu)勢(shì)，可廣泛應(yīng)用于生產(chǎn)和生活中。

關(guān)鍵詞：學(xué)科能力；化學(xué)實(shí)驗(yàn)；植物；指示劑；創(chuàng)新

為了驗(yàn)證化學(xué)課本中的理論知識(shí)，探究生活中的一些現(xiàn)象，我們探究了植物酸堿指示劑的提取、性質(zhì)等，經(jīng)過(guò)一系列的研究，成效顯著。通過(guò)該研究性學(xué)習(xí)課題的研究使學(xué)生進(jìn)一步了解酸堿指示劑的原理及其應(yīng)用，科學(xué)地解釋了生活中的一些現(xiàn)象，提高了學(xué)生學(xué)習(xí)化學(xué)的興趣。

一、問(wèn)題的提出

課題組中的學(xué)生發(fā)現(xiàn)：在炒好的紫包菜上澆一些醋時(shí)，被澆到的菜變成了紅色，沒(méi)有被澆到的菜仍為紫色；當(dāng)煮好的雞蛋白遇到紫包菜汁時(shí)就被染成綠色。學(xué)生對(duì)此產(chǎn)生了濃厚的興趣。

二、研究過(guò)程

1.探究植物酸堿指示劑制備與性質(zhì)

我們選擇的植物有紫包菜、胡蘿卜、月季花等。

(1)將紫包菜的菜葉剝下，用剪刀剪碎，放入研缽中，加入少許蒸餾水，研磨，待有一定量的汁液滲出后，停止研磨，將汁液轉(zhuǎn)移至燒杯中，再向研缽中加入少許蒸餾水，研磨……最后得到所需要的紫包菜汁液。

將盛有紫包菜汁液的燒杯放置在三腳架和石棉網(wǎng)上，用酒精燈加熱煮沸以蒸發(fā)掉溶液中的水。冷卻后，向其中加入適量酒精(用以防腐)，攪拌均勻，將其轉(zhuǎn)移至試劑瓶，貼標(biāo)簽。

紫包菜汁是深紫色、有輕微刺激性氣味的液體。在酸性環(huán)境下，顯深紅色；在堿性環(huán)境下，最開(kāi)始顯草綠色，靜置一段時(shí)間后，溶液中出現(xiàn)少量墨綠色沉淀。在測(cè)量其變色間隔過(guò)程中，其變色過(guò)程為漸變，變化過(guò)程中的顏色不易區(qū)分，并且溶液中始終有少量黑色膠狀物干擾判斷，故無(wú)法得到其精確變色間隔。

(2)胡蘿卜液為淺棕色，加入酸或堿后，無(wú)明顯變化。

(3)月季花汁為棕色、有花香味液體。在酸性環(huán)境顯紅色；在堿性條件下無(wú)明顯變化。在受熱和久置后，加入酸或堿均無(wú)明顯變化。

實(shí)驗(yàn)結(jié)論：胡蘿卜汁液不能作為酸堿指示劑；月季花汁液可作為單色酸堿指示劑使用，但考慮到其極易受外界環(huán)境影響，故放棄研究；紫包菜汁液可作為雙色酸堿指示劑使用，盡管不能精確地測(cè)量其變色間隔，但其組分酸型堿型顏色的差別十分明顯，可以在大部分定性分析的實(shí)驗(yàn)中應(yīng)用。另外，月季花汁液和紫包菜汁液的酸型組分顏色相同，經(jīng)過(guò)查閱大量網(wǎng)絡(luò)資料得知它們有效成分是同一種物質(zhì)——花青素。

2.紫包菜植物酸堿指示劑提純改進(jìn)及保存

傳統(tǒng)的植物酸堿指示劑提取方法是以水或酒精為溶劑，采用物理粉碎或研磨、過(guò)濾的方法。由于在粉碎過(guò)程中，葉片被粉碎得過(guò)小，形成膠體，很難被過(guò)濾完全，致使其溶液中雜質(zhì)含量很高。

為解決上述問(wèn)題，進(jìn)行了如下改進(jìn)：將紫包菜葉洗凈，撕成小塊備用。取一潔凈燒杯，向其中加入少量鹽酸，再加入適量蒸餾水沖稀，混合均勻。將紫包菜葉小塊放入燒杯溶液中，對(duì)其進(jìn)行水浴加熱，待溶液顏色不再變化后停止加熱。將加熱后所得懸濁液冷卻至室溫，對(duì)其進(jìn)行過(guò)濾。

隨著加熱地進(jìn)行，燒杯中的液體逐漸變?yōu)榧t色，紫包菜葉小塊由邊緣向中心逐漸由紫色變?yōu)榘咨?。過(guò)濾后所得溶液呈紅色，十分清澈，透光性良好。保存數(shù)天無(wú)變質(zhì)跡象，不需再加酒精防腐。

向溶液中加入少許鹽酸有兩大優(yōu)點(diǎn)，一是能夠快速破壞其細(xì)胞結(jié)構(gòu)，加速其細(xì)胞液外滲；二是使溶液處于酸性條件下，不易滋生細(xì)菌、變質(zhì)，易于長(zhǎng)時(shí)間保存。

對(duì)溶液采取水浴加熱一方面可使溶液受熱均勻，另一方面可防止溶液升溫過(guò)快而破壞有效成分。

此種提純方法的優(yōu)勢(shì)在于：在破壞葉片細(xì)胞結(jié)構(gòu)、得到細(xì)胞液的同時(shí)，使葉片依然以肉眼可見(jiàn)的形式存在于溶液中，這樣過(guò)濾可更好地起到提純的作用，有效地去除溶液中的少量黑色膠狀物雜質(zhì)。

3.紫包菜植物酸堿指示劑性質(zhì)與變色間隔測(cè)定方法

如果希望測(cè)得該指示劑(紫包菜)的準(zhǔn)確變色間隔并制作出相應(yīng)的比色卡，就必須找到一種能夠定量描述指示劑顏色隨酸堿度變化的方法。

(1)根據(jù)物理知識(shí)，物體顯色的原因是：當(dāng)光源發(fā)光照射到物體上時(shí)，由于物體自身性質(zhì)不同，吸收了一部分特定波長(zhǎng)的光，同時(shí)反射了剩余波長(zhǎng)的光，當(dāng)反射光被人眼接收到時(shí)，人就看到了物體的顏色。因此，可以用物體反射光的波長(zhǎng)描述物體的顏色。根據(jù)色度計(jì)的工作原理，通過(guò)調(diào)整光源波長(zhǎng)，做出溶液比色與光源波長(zhǎng)間的變化關(guān)系圖，找到其極小值點(diǎn)，對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)即為溶液反射光波長(zhǎng)。但這要求光源波長(zhǎng)可以自由、連續(xù)地調(diào)整，這顯然是不可能的。所以這一實(shí)驗(yàn)方法并不可行。

(2)我們使用的是生化DIS實(shí)驗(yàn)箱中的色度傳感儀和酸度傳感儀。

受上述實(shí)驗(yàn)方法啟發(fā)，可采取如下測(cè)量方法測(cè)定顏色：配置若干不同pH值的溶液，分別加入等量的指示劑，裝入比色皿中備用。選取3種特殊波長(zhǎng)的光(三基色光)——紅、綠、藍(lán)作為色度計(jì)的光源。

在3種光源下，分別測(cè)出不同溶液的比色，做出“比色-pH值”圖像，即可分別得到三基色光光強(qiáng)隨溶液酸堿度的變換規(guī)律，在圖像中即可得到任意pH值時(shí)，三基色光的光強(qiáng)比例，通過(guò)計(jì)算機(jī)既可合成出該pH值時(shí)溶液的顏色，然后做出比色卡。

(3)不同pH值溶液的配置方法及問(wèn)題

為了正確、有效地選擇不同組溶液pH值的取值，需先對(duì)指示劑變色間隔進(jìn)行粗測(cè)。采用中和滴定的方法對(duì)指示劑的變色間隔粗略測(cè)量的結(jié)果如表1所示。

表1

指示劑在酸性條件下保存時(shí)的pH值：4.7

根據(jù)上述粗測(cè)結(jié)果，初步選擇取15組溶液，pH值由4.7到8.9，每組間隔0.3。

只能通過(guò)大量的實(shí)驗(yàn)大致調(diào)節(jié)溶液顏色，再用pH計(jì)測(cè)量其pH值。最終溶液配制情況如下：4.7，4.9，5.1，5.3，5.8，6.4，6.9，7.6，7.8，8.6。

(4)測(cè)量結(jié)果與分析

溶液按進(jìn)行測(cè)定，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理后，即可得到4組測(cè)量數(shù)據(jù)。

由于儀器限制，光源波長(zhǎng)并沒(méi)有標(biāo)準(zhǔn)的三基色光波長(zhǎng)，但其中430 nm，470 nm，635 nm三組數(shù)據(jù)可近似認(rèn)為是三基色光的數(shù)據(jù)。將數(shù)據(jù)做成圖像(如圖1所示)。

圖1

下面為敘述方便，將波長(zhǎng)為430 nm，470 nm，565 nm，635 nm四種色光依次記為：藍(lán)、綠、黃、紅。

通過(guò)圖1，根據(jù)色光合成的常識(shí)，不難定性地看出：當(dāng)溶液呈酸性時(shí)，紅光光強(qiáng)要遠(yuǎn)大于其余三色光，溶液應(yīng)顯紅色。隨著溶液pH值升高，藍(lán)、綠、黃3種色光光強(qiáng)逐漸上升，當(dāng)溶液呈弱酸性時(shí)，溶液應(yīng)顯紫色。當(dāng)pH值繼續(xù)升高時(shí)，紅光光強(qiáng)迅速衰減，在溶液呈弱堿性時(shí)幾乎為0，藍(lán)、綠光所占比例變大，在溶液呈弱堿性時(shí)，所顯顏色應(yīng)介于藍(lán)色和綠色之間，在溶液呈堿性時(shí)，藍(lán)光也已衰減，溶液應(yīng)顯綠色。在溶液pH=8.6時(shí)，紅光光強(qiáng)突然增大，致使溶液顏色應(yīng)向黃、紅方向移動(dòng)。

上述分析除最后一條外，均與粗測(cè)結(jié)果吻合。最后一條所得出的結(jié)論顯然是不合常理的，實(shí)驗(yàn)中對(duì)此情況的反應(yīng)為：在溶液pH=8.6時(shí)，溶液呈草綠色，但放置一段時(shí)間后(約1小時(shí))，可看到溶液顏色明顯變?yōu)闇\黃色。對(duì)于這樣的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，之前設(shè)計(jì)的測(cè)定方法顯然不再適用，但由于該指示劑主要應(yīng)用范圍不包括pH=8.6，故本研究未對(duì)其進(jìn)行深入探究。

如前所述，通過(guò)圖像上任一點(diǎn)三基色光的光強(qiáng)比例，即可由計(jì)算機(jī)合成出該點(diǎn)的溶液顏色，制作出比色卡。合成結(jié)果如圖2所示。

圖2

通過(guò)對(duì)比可以看出，除pH=8.6的一組，其余合成色均與實(shí)際色接近。合成色與實(shí)際色之間略有差別，這只是由于儀器的限制，后期實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明，此種測(cè)定方法是可行并可信的。

三、研究成果

1.研究成果和意義

通過(guò)上述研究，基本解決了開(kāi)始提出的2個(gè)主要問(wèn)題，按照上面的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，植物酸堿指示劑已經(jīng)基本可以用于定量分析及長(zhǎng)時(shí)間保存。如果在此基礎(chǔ)上，能夠找到適當(dāng)?shù)姆椒▽?duì)其變色間隔進(jìn)行調(diào)整，使之更加適應(yīng)人體的酸堿度范圍，再利用其可食用性(對(duì)人體完全無(wú)害)，便可在醫(yī)學(xué)上產(chǎn)生很高的應(yīng)用價(jià)值，例如測(cè)量口腔內(nèi)酸堿度、測(cè)量人體體腔黏膜的酸堿度等。此外，植物酸堿指示劑的原料經(jīng)濟(jì)易得，制備方法簡(jiǎn)單，易于保存，能夠大量生產(chǎn)，這些優(yōu)勢(shì)都是普通指示劑所不具備的，這使植物酸堿指示劑的應(yīng)用范圍比普通指示劑更加廣泛、更能適應(yīng)各方面的需要。

2.探索方向和設(shè)想

(1)變色間隔有待完善

對(duì)指示劑變色間隔調(diào)整的初步設(shè)想是：希望找到其他幾種不同顏色的植物，能夠滿足其顏色不隨環(huán)境酸堿度變化而變化的要求。通過(guò)實(shí)驗(yàn)，利用色度計(jì)分析，找到添加不同顏色的植物汁液的量與溶液顏色的變化規(guī)律，從而達(dá)到調(diào)整指示劑變色間隔的目的。但由于目前尚未找到最合適的植物，加之一些客觀條件的限制，這一問(wèn)題尚未得到徹底解決。

(2)堿性條件下指示劑的顏色變化缺失

如前所述，pH=8.6時(shí)，溶液的顏色會(huì)發(fā)生一種奇怪的變化，初步猜測(cè)變色原因與花青素自身一些性質(zhì)有關(guān)。由于這與此次研究的主要問(wèn)題無(wú)關(guān)，因此尚未對(duì)其進(jìn)行深入研究。

(3)比色卡誤差修正的設(shè)想

如前所述，目前制作的比色卡存在一定誤差，通過(guò)提高實(shí)驗(yàn)儀器水平自然可以大大減小誤差，因此還可以通過(guò)誤差修整的方法來(lái)調(diào)整比色卡，使之更加準(zhǔn)確。

在此提出一種修正方法的設(shè)想：由于色光中三基色的比例是滿足線形變換的，因此，可以在其比例系數(shù)前再乘以某常數(shù)對(duì)其進(jìn)行修正，故只要得到這3個(gè)常數(shù)即可。通過(guò)計(jì)算機(jī)可以找到與實(shí)際色最接近的合成色，在計(jì)算機(jī)上可以讀出三基色的比例，再與理論計(jì)算出的比例對(duì)比，即可建立方程。由于要確定3個(gè)常數(shù)，故需選擇3組顏色，建立3個(gè)方程，即可求得3個(gè)常數(shù)，達(dá)到對(duì)比色卡進(jìn)行修正的目的。這一設(shè)想有待進(jìn)一步考證、落實(shí)。

參考文獻(xiàn)

[1] 彭崇慧,馮建章,張錫瑜.分析化學(xué)[J]北京大學(xué)出版社,2009(2):52-67.

作者信息

陳新福，本科，特級(jí)教師。清華大學(xué)附屬中學(xué)，100084