七林竹瑪，李曼彎，楊艷華**，李艷妮，王穎臻

(1.昆明學(xué)院化學(xué)化工學(xué)院，云南 昆明 650214；2.蒙自市第一高級(jí)中學(xué)，云南 紅河 661100)

作為學(xué)習(xí)方式的科學(xué)探究活動(dòng)和過(guò)程稱為探究性學(xué)習(xí)[1]。探究式學(xué)習(xí)有利于在三維目標(biāo)上培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)[2]。通過(guò)設(shè)計(jì)探究式實(shí)驗(yàn)，使學(xué)生在已有基礎(chǔ)上主動(dòng)構(gòu)建知識(shí)體系，不僅有利于學(xué)生學(xué)習(xí)能力和方法的培養(yǎng)與訓(xùn)練[3]，而且還能激發(fā)和滿足學(xué)生的好奇心，促使學(xué)生主動(dòng)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題和分析問(wèn)題[4]，培養(yǎng)學(xué)生實(shí)驗(yàn)探究與創(chuàng)新意識(shí)的學(xué)科核心素養(yǎng)。初中化學(xué)課本中，有關(guān)于自制酸堿指示劑的探究活動(dòng)，主要使用牽牛花、月季花和紫甘藍(lán)等植物的花瓣或果實(shí)進(jìn)行探究[5]，在實(shí)際教學(xué)中，教師可充分利用學(xué)校的學(xué)習(xí)環(huán)境，發(fā)掘日常生活和生產(chǎn)中的學(xué)習(xí)素材，編制學(xué)生實(shí)驗(yàn)和科學(xué)探究活動(dòng)[6]，提供多樣化的中學(xué)化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容。本文通過(guò)提取昆明學(xué)院洋浦校區(qū)綠化種植的格?；āⅫS槐和三角梅等植物的花瓣色素，探究其作為酸堿指示劑的可能性，不僅可以為后續(xù)教育實(shí)習(xí)和實(shí)驗(yàn)教學(xué)的開(kāi)展提供素材，而且也可以通過(guò)探究式學(xué)習(xí)進(jìn)一步培養(yǎng)學(xué)生的化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)。

1 材料與方法

1.1 藥品與試劑

粉色、白色格?；ú杉诒拘Ｑ笃中^(qū)博識(shí)樓明德路旁，三角梅和黃槐花采集于聽(tīng)心湖畔立德路旁，如圖1所示。乙醇(95%)、氨水(25%～28%)、氫氧化鈉(97%)、鹽酸(37%)和冰醋酸，均為分析純，購(gòu)自上海麥克林生化科技有限公司。蒸餾水為實(shí)驗(yàn)室自制。

(a)粉色格?；?；(b)白色格桑花；(c)黃槐和；(d)三角梅。

1.2 儀器

精宏電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱、燒杯、膠頭滴管、玻璃棒、托盤(pán)天平(帶砝碼)、研缽、樣品瓶、量筒。

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

1.3.1 提取花瓣色素

采集所需的4種新鮮植物花瓣，蒸餾水洗凈表面塵灰后烘干。稱取 3.0 g 烘干后的花瓣于研缽中搗碎，再加入10 mL乙醇研磨5 min，靜置30 min后，取上層清液，記錄不同植物提取液的顏色，并進(jìn)行編號(hào)，如圖2所示。

圖2 4種色素提取液及顏色

1.3.2 植物酸堿指示劑可行性測(cè)試

以裝有20滴HCl溶液(pH=2)和20滴NaOH溶液(pH=12)的兩個(gè)樣品瓶為一組，進(jìn)行分組實(shí)驗(yàn)。向每組實(shí)驗(yàn)樣品中滴加6滴植物提取液，觀察其顏色變化，并與原顏色對(duì)比，記錄變色色差程度。所有植物色素提取液均按照上述步驟進(jìn)行處理，根據(jù)色素提取液變色色差程度，挑選可行性較好的幾種提取液，進(jìn)一步探究。

1.3.3 具體探究

用初始濃度均為 1 mol/L 的NaOH、NH3·H2O、CH3COOH、HCl、H2O配制pH值分別為1～14、溶液體積為 20.0 mL 的系列溶液[7]，配制方法如圖表1所示。配制完成后，各取 5 mL 放置于編號(hào)為1～14個(gè)樣品瓶中，向樣品瓶各滴3滴經(jīng)可行性測(cè)試挑選出的色素提取液。觀察色素提取液在酸性溶液和堿性溶液中的顏色變化，判斷相應(yīng)植物是否可以用來(lái)制作酸堿指示劑。

表1 pH值為1～14的溶液配制方法

2 結(jié)果與分析

2.1 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.1.1 植物酸堿指示劑可行性測(cè)試

植物酸堿指示劑可行性測(cè)試結(jié)果如表2所示。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，植物色素在酸性溶液和堿性溶液中會(huì)顯現(xiàn)不同的顏色。其中，粉色格?；ǖ姆奂t色提取液(編號(hào)①)在酸性溶液中表現(xiàn)為紅色、堿性溶液表現(xiàn)為綠色，如圖3所示。三角梅的紫色提取液(編號(hào)④)在酸性溶液表現(xiàn)為紫色、堿性溶液表現(xiàn)為綠色。兩種色素提取液本身的顏色與在酸堿溶液中的顏色色差比較明顯，相較之下更符合酸堿指示劑的要求。因此，選擇編號(hào)①④素色提取液在不同pH溶液中的顯色情況進(jìn)行具體探究。

表2 色素提取液在酸性和堿性溶液中的顯色情況

圖3 不同色素提取液在酸堿溶液中的顯色情況

2.1.2 具體實(shí)驗(yàn)

在編號(hào)①和④的色素提取液中，分別滴加3滴pH不同的溶液，搖勻，使色素提取液與酸堿溶液充分混合，靜置 30 s，觀察顯色情況，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖4和圖5所示。

圖4 粉色格?；ㄌ崛∫?編號(hào)①)在pH值從1～14的溶液中的顯色情況

圖5 三角梅提取液(編號(hào)④)在pH值從1～14的溶液中的顯色情況

由圖4可知，粉色格?；ㄉ靥崛∫涸趐H值為1～14的溶液內(nèi)變色明顯，變色范圍大約為pH為1～2(玫紅色)、3～6(粉紅色)、7(粉紅色)、8～9(黃綠色)及10～14(黃色)間，顏色變化較為明顯。同時(shí)，變色范圍也較窄，在不同pH值的溶液下可以起到很好的酸堿指示效果，因此，可用作酸堿兩性指示劑。

由圖5可知，紫色三角梅色素提取液在pH值為1～7的溶液中顯紫色，顏色隨酸性減弱而變淺，但沒(méi)有明顯的變色范圍；在pH為8～9的溶液中顯黃綠色，而在pH值為9～14的溶液中顯黃色。紫色三角梅色素提取液在酸堿溶液中顏色突變明顯，可以很好的指示酸性溶液和堿性溶液，但變色范圍較寬，無(wú)法精細(xì)指示不同pH的溶液，因此，可用作廣泛的堿性指示劑。

2.1.3 說(shuō)明

可行性測(cè)試中取6滴植物提取液滴定鹽酸和氫氧化鈉，具體實(shí)驗(yàn)則取3滴提取液加入到 5 mL 不同pH的溶液中，可行性測(cè)試所加的植物提取液含量較多，因此顏色變化較深。粉色格?；ㄌ崛∫?編號(hào)①)、紫色三角梅提取液(編號(hào)④)在可行性測(cè)試中顯綠色和黃綠色，而在具體實(shí)驗(yàn)中則表現(xiàn)為黃色。

2.2 實(shí)驗(yàn)分析

2.2.1 實(shí)驗(yàn)可行性分析

酸堿指示劑的發(fā)現(xiàn)是科學(xué)家善于觀察，勤于思考，勇于探索的結(jié)果。300多年前，英國(guó)科學(xué)家波義耳誤將鹽酸灑在紫羅蘭花瓣上發(fā)現(xiàn)顏色發(fā)生變化，從這一細(xì)節(jié)出發(fā)經(jīng)過(guò)不斷探究最終發(fā)現(xiàn)了指示劑原理。今天，我們所使用的石蕊、酚酞、pH試紙，就是根據(jù)波義耳的發(fā)現(xiàn)原理研制而成的。其本質(zhì)就是一類結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜的有機(jī)弱酸或有機(jī)弱堿，它們?cè)谌芤褐心懿糠蛛婋x出指示劑離子和H+(或OH-)。由于結(jié)構(gòu)上的變化，它們的分子和離子具有不同的顏色，在不同的pH中呈現(xiàn)的顏色不同，因此可以指示酸堿性。以石蕊為例，石蕊是一種藍(lán)紫色粉末，可從地衣類植物中提取得到，溶于水后顯紫色，是一種有機(jī)弱酸。石蕊(主要成分用HIn表示)在水溶液中能發(fā)生如下電離：

在酸性溶液中，石蕊主要以分子形式存在，溶液顯紅色；在堿性溶液中，OH-與H+結(jié)合，促使電離平衡正向移動(dòng)，In-濃度增大，成為溶液中主要存在形式，溶液顯藍(lán)色。中性溶液中，紅色分子與藍(lán)色離子共存，且含量相當(dāng)，又因?yàn)榧t色與藍(lán)色混合顯紫色，故溶液呈紫色。進(jìn)而有了我們現(xiàn)在總結(jié)的石蕊變色范圍：當(dāng)pH小于5.0時(shí)，顯紅色；當(dāng)pH大于8.0時(shí)，顯藍(lán)色[8]。

許多植物的花果莖葉中有都含有色素，這些色素在酸性溶液或堿性溶液中顯示不同的顏色，因此可以用來(lái)制作酸堿指示劑。在可行性測(cè)試中，可以看出，植物提取液在酸性條件(或堿性條件)都一定程度的發(fā)生了顏色的改變，只是有些不太明顯，不利于觀察。例如，黃槐花瓣提取液本身是黃色，在堿性溶液中顏色加深變?yōu)樯铧S色，這與它本身顏色相近，不適合用來(lái)制作酸堿指示劑。粉色格桑花和紫色三角梅相較就更符合酸堿指示劑的要求。

2.2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

色素提取液在不同pH值的溶液中都有一定的變色范圍，其大致規(guī)律為：

酸性 中性 堿性

(紅色，紫色) (綠色，黃色)

原因：花色素是一類重要的水溶性植物色素，屬于類黃酮，其基本結(jié)構(gòu)由一個(gè)吡喃酮和兩個(gè)苯環(huán)組成，如圖6所示。其與酸反應(yīng)，生成穩(wěn)定的鹽而顯紅色；在堿存在的情況下，取代吡喃酮右邊的苯環(huán)的R4部分生成醌型結(jié)構(gòu)，顏色顯藍(lán)。花色素在堿性條件下不穩(wěn)定，容易變色，有些不會(huì)變藍(lán)，反而顯黃色或綠色，這可能是植物體中除含有花色素外，還含有其他黃酮類物質(zhì)(酸性無(wú)色、堿性呈黃色)，在堿性條件下顯綠色，這是花色素的藍(lán)色和黃酮類的黃色混合后的結(jié)果[9]。

(a)類黃酮結(jié)構(gòu)、(b)醌型結(jié)構(gòu)(取代基R1和R2為H、OH或OCH3,R3為H或糖基，R4為OH或糖基)

3 結(jié)論

以花瓣色素制取植物酸堿指示劑實(shí)驗(yàn)中，提取的粉色格?；ㄉ丶白仙敲飞卦谒嵝浴A性溶液中變色明顯且易于觀察，可用于制作酸堿指示劑。通過(guò)這一結(jié)論，表明探究植物提取液制作酸堿指示劑的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)在教學(xué)實(shí)踐是可行的，它具有原料易得、操作簡(jiǎn)單、安全不污染環(huán)境、培養(yǎng)學(xué)生實(shí)驗(yàn)探究與創(chuàng)新意識(shí)等優(yōu)點(diǎn)。

探究學(xué)習(xí)能夠激發(fā)學(xué)習(xí)的化學(xué)學(xué)習(xí)興趣，是創(chuàng)設(shè)生動(dòng)活潑的的化學(xué)教學(xué)情境的重要形式，是轉(zhuǎn)變學(xué)生學(xué)習(xí)方式和發(fā)展實(shí)驗(yàn)探究能力的重要途徑，是落實(shí)情感態(tài)度與價(jià)值觀目標(biāo)的重要手段。教師用學(xué)校中的植物帶領(lǐng)學(xué)生進(jìn)行自制植物酸堿指示實(shí)驗(yàn)，不僅能培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)探究和創(chuàng)新意識(shí)的科學(xué)素養(yǎng)，還能將化學(xué)學(xué)習(xí)與實(shí)際生活密切聯(lián)系，增加學(xué)生學(xué)習(xí)化學(xué)的興趣。