楊靜 徐孝文

摘要：纖維在濃堿中會(huì)收縮，探究了用pH試紙和濾紙?jiān)诓煌瑵舛鹊臐鈮A溶液中的收縮率來判斷濃堿濃度的一種新方法。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在濃度小于10%的NaOH溶液中，pH試紙和濾紙不會(huì)收縮；在濃度為10%～25% NaOH溶液中，pH試紙和濾紙收縮率變化最大。此后，隨著堿液濃度升高，pH試紙和濾紙收縮率開始下降，當(dāng)堿液濃度超過60%時(shí)，收縮率不變。探索出測量濃堿濃度的一種快捷簡易的新方法，延伸了pH試紙和濾紙的使用范圍。

關(guān)鍵詞：pH試紙；實(shí)驗(yàn)濾紙；濃堿濃度；收縮率；實(shí)驗(yàn)探究

文章編號(hào)：1005–6629（2016）10–0048–03 中圖分類號(hào)：G633.8 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

檢驗(yàn)溶液酸堿度常用“廣泛pH試紙”，在廣泛pH試紙中通常含有甲基紅、溴甲酚綠、百里酚藍(lán)三種指示劑，在不同的pH溶液中均會(huì)按一定的規(guī)律變色[1，2]，其測量pH的范圍為1～14。這市售的試紙，使用時(shí)撕下一條剪成若干小塊，放在干凈的表面皿上，用一支潔凈干燥的玻璃棒從溶液容器中蘸取一滴溶液點(diǎn)在試紙上，從試紙的顏色變化就可以知道溶液的酸堿性。但是，如果堿液濃度超過1 mol·dm-3（pH大于14），超出pH試紙的變色范圍時(shí)，這種pH試紙就無能為力了。這里我們根據(jù)纖維在強(qiáng)堿溶液中長度產(chǎn)生收縮的現(xiàn)象，利用pH試紙和濾紙?jiān)跐獾腘aOH溶液中不同的收縮率來判斷濃堿的濃度，開發(fā)出一種直觀、快捷、簡易、有趣的測量濃堿濃度的新方法。

1 實(shí)驗(yàn)部分

NaOH溶液的配制：分別稱取一定量的NaOH（上海試劑總廠，分析純）于100mL干凈的小燒杯中，分別溶解并配成質(zhì)量濃度為5%、10%、15%、20%、25%、30%、35%、40%、50%、60%和70%的NaOH溶液，冷卻后備用。

pH試紙和濾紙收縮率測定：用上海三愛思試劑有限公司生產(chǎn)的廣泛pH試紙作為實(shí)驗(yàn)試紙，杭州沃華濾紙有限公司生產(chǎn)的雙圈牌定性濾紙（中速）作為實(shí)驗(yàn)濾紙，將pH試紙一條條揭下來，濾紙裁剪成6.0×1.0cm紙條，放到鋪展平整的塑料薄膜上，分別用塑料吸管吸取不同濃度的NaOH溶液均勻地滴在pH試紙或?yàn)V紙上，觀察到廣泛pH試紙和濾紙瞬間收縮，變化時(shí)間不大于2秒，其后長度不變，用直尺測量其長度，計(jì)算收縮率，繪制收縮率與堿濃度標(biāo)準(zhǔn)曲線，整個(gè)實(shí)驗(yàn)溫度控制在20℃。收縮率根據(jù)下列公式計(jì)算：

收縮率=[（原來的pH試紙或?yàn)V紙長度-收縮后pH試紙或?yàn)V紙長度）/原來pH試紙或?yàn)V紙長度]×100%

2 結(jié)果與討論

將堿液用塑料吸管滴加到pH試紙的瞬間，觀察到pH試紙收縮，收縮時(shí)間不超過2秒，同時(shí)看到pH試紙變成深紫色，這是廣泛pH試紙中甲基紅、溴甲酚綠、百里酚藍(lán)三種指示劑在堿液中的變色結(jié)果。從表1可以看出，在堿濃度小于10%時(shí)廣泛pH試紙基本不收縮，在10%～25%區(qū)間收縮率變化明顯，濃度在25%收縮率最大，此后，隨著堿液濃度升高，pH試紙收縮率開始下降，堿液濃度超過60%時(shí)，收縮率不變。

圖1為pH試紙?jiān)诓煌瑵舛葔A液中收縮率曲線（數(shù)據(jù)見表1），可以根據(jù)pH試紙?jiān)诓煌瑵舛葔A液中收縮率來測定堿液濃度，在堿液濃度為10%～25%區(qū)間基本符合線性關(guān)系，在25%～60%區(qū)間也基本符合線性關(guān)系。如果不清楚某堿液濃度是在10%～25%區(qū)間或25%～60%區(qū)間，可以通過將溶液稀釋的方法來解決，例如一個(gè)堿液的濃度為20%，稀釋一半濃度為10%，稀釋后pH試紙?jiān)谄淙芤褐谢静皇湛s，而一個(gè)濃度為30%的堿液，稀釋后的溶液濃度為15%，pH試紙?jiān)谄淙芤褐惺湛s率達(dá)10%，可以清楚區(qū)別出收縮率幾乎相同的濃度為20%和30%的堿液。由此可見，利用pH試紙?jiān)诓煌瑵舛葔A液中收縮率和稀釋溶液方法，就可以測量出濃度在10%～60%的堿液。

同樣，用濾紙來代替pH試紙，得到的結(jié)果與pH試紙結(jié)果一致。將不同濃度堿液滴在濾紙上，濾紙瞬間收縮，變化時(shí)間不大于2秒。表2為濾紙?jiān)诓煌瑵舛葔A液中的收縮率數(shù)據(jù)，濾紙?jiān)跐鈮A中最大收縮率也出現(xiàn)在堿液濃度為25%的堿液中，在堿液濃度小于10%時(shí)濾紙不收縮，收縮率變化最大出現(xiàn)在堿濃度在10%～25%區(qū)間。在堿液濃度為10%～25%區(qū)間基本符合線性關(guān)系，在25%～40%區(qū)間也基本符合線性關(guān)系，堿液濃度超過40%收縮率基本不變，與pH試紙測試結(jié)果基本一致，說明用纖維素紙?jiān)趶?qiáng)堿中的收縮現(xiàn)象來測定濃堿的選用材料具有廣泛性。

為了考察溫度對濾紙和pH試紙?jiān)跐鈮A中收縮率的影響，我們選用對濾紙和pH試紙的收縮率最大的25%堿液為實(shí)驗(yàn)堿液，將25%堿液分別置于水浴恒溫控制堿液溫度為25℃、30℃、40℃、50℃、60℃、70℃和80℃的100mL燒杯中，然后將不同溫度堿液滴在濾紙和pH試紙上，觀察收縮情況并測量濾紙和pH試紙收縮后的長度。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：濾紙和pH試紙?jiān)谶@些不同的溫度下收縮率不變，說明溫度對本方法測定濃堿的濃度影響不大。

纖維素是由許多D-吡喃葡萄糖基以糖苷鍵連接而成的線性高分子。這些線性排列的分子鏈之間會(huì)形成氫鍵，使纖維素中存在強(qiáng)大的氫鍵網(wǎng)絡(luò)，從而具有很強(qiáng)的微晶體結(jié)構(gòu)，即由無數(shù)微晶體與非晶區(qū)交織在一起[3]。當(dāng)堿液作用于纖維素時(shí)，除了堿與纖維素生成堿纖維素外，還發(fā)生堿及其水合分子滲透到纖維素的微細(xì)結(jié)構(gòu)中，使纖維素劇烈溶脹，導(dǎo)致纖維收縮。而纖維素的溶脹，開始時(shí)隨著堿液濃度的增加而增加，在達(dá)到最大值后，隨著堿液濃度的增加，其溶脹度下降，A. T.謝爾柯夫認(rèn)為這一點(diǎn)是難以解釋的[4]。王德驥[5]認(rèn)為：這種現(xiàn)象歸因于堿液水合離子對的類型和動(dòng)力學(xué)直徑的大小，影響著纖維素發(fā)生溶脹作用的能力。在濃度為6%～9%的氫氧化鈉溶液中，堿液中存在的主要是解離水化離子對，直徑較大（1～1.5nm），不容易滲入到纖維素的大分子結(jié)構(gòu)中去。隨著濃度的增加，形成水合物的有效水分子數(shù)量減少，形成水化離子對和偶極水化物，其直徑較?。?.6nm），不僅能滲透到纖維的無定形區(qū)，而且能滲透到纖維的準(zhǔn)結(jié)晶區(qū)和結(jié)晶區(qū)，與纖維素分子形成氫鍵，導(dǎo)致纖維溶脹和收縮。當(dāng)堿液濃度超過某一界限后，雖然溶液中Na+數(shù)量繼續(xù)增加，形成偶極水化物中的水分子數(shù)量減少，如：氫氧化鈉濃度為22.8%～24.1%時(shí)，偶極水化物分子式為NaOH·7H2O；氫氧化鈉濃度為34.8%～35%時(shí)，偶極水化物分子式為NaOH·4H2O；氫氧化鈉濃度為52.6%時(shí)，偶極水化物分子式為NaOH·2H2O。由于偶極水化物中的水分子數(shù)量減少，從而使纖維素溶脹度反而下降[6]。還有不少文獻(xiàn)也提到了纖維素（濾紙）遇酸、遇堿發(fā)生收縮、變形的原因[7，8]。

3 結(jié)論

在濃度小于10%的NaOH溶液中，pH試紙和濾紙不收縮，在濃度為10%～25%的NaOH溶液中收縮率變化明顯，其中在25%的NaOH溶液中，pH試紙和濾紙收縮率最大，達(dá)到16.7%。此后，隨著堿液濃度升高，pH試紙和濾紙收縮率開始下降，通過測量pH試紙或?yàn)V紙收縮率可直觀、快捷、簡易、有趣地判斷出濃堿的大致濃度，由此可開發(fā)出測量濃堿濃度的一種新方法，同時(shí)也延伸了pH試紙和濾紙的使用范圍。

參考文獻(xiàn)：

[1]武漢大學(xué).分析化學(xué)（第5版）[M].北京：高等教育出版社，2006：137～138.

[2]華中師范大學(xué)，東北師范大學(xué)，陜西師范大學(xué)，北京師范大學(xué).分析化學(xué)（第4版）[M].北京：高等教育出版社，2001：119～122.

[3]蔡杰，呂昂，周金平等.纖維素科學(xué)與材料（第1版）[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2015：70～98.

[4][蘇] A. T.謝爾柯夫.王慶瑞譯.粘膠纖維[M].北京：紡織工業(yè)出版社，1985：23～46.

[5][6]王德驥.堿液處理纖維素的最大溶脹現(xiàn)象與“體積效應(yīng)”機(jī)理[J].人造纖維，1999，（4）：1～5.

[7]王子亮.利用濾紙做創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)[J].化學(xué)教學(xué)，2006，（9）：5～6.

[8]葉燕珠，吳新建等.初中化學(xué)趣味實(shí)驗(yàn)及相關(guān)探究課題[J].化學(xué)教學(xué)，2015，（1）：52～54.