陳新福 陳希比 李忠澤 田昊鵬
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基于“學(xué)習(xí)·實踐·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)生對化學(xué)學(xué)習(xí)的興趣,培養(yǎng)其化學(xué)學(xué)科的實驗探究能力,通過實施“學(xué)習(xí)?實踐?創(chuàng)新”的化學(xué)教學(xué)模式,開設(shè)化學(xué)拓展課,組織學(xué)生開展植物酸堿指示劑制備的研究性學(xué)習(xí)活動。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)輸入計算機合成,做出比色卡。植物酸堿指示劑除具有一般指示劑的特點外,還具有經(jīng)濟易得、綠色環(huán)保等優(yōu)勢,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)實驗;植物;指示劑;創(chuàng)新
為了驗證化學(xué)課本中的理論知識,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)過一系列的研究,成效顯著。通過該研究性學(xué)習(xí)課題的研究使學(xué)生進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。
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,被澆到的菜變成了紅色,沒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就被染成綠色。學(xué)生對此產(chǎn)生了濃厚的興趣。
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,最開始顯草綠色,靜置一段時間后,溶液中出現(xiàn)少量墨綠色沉淀。在測量其變色間隔過程中,其變色過程為漸變,變化過程中的顏色不易區(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;在堿性條件下無明顯變化。在受熱和久置后,加入酸或堿均無明顯變化。
實驗結(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驗中應(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、過濾的方法。由于在粉碎過程中,葉片被粉碎得過小,形成膠體,很難被過濾完全,致使其溶液中雜質(zhì)含量很高。
為解決上述問題,進行了如下改進: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,對其進行水浴加熱,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,對其進行過濾。
隨著加熱地進行,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_^濾后所得溶液呈紅色,十分清澈,透光性良好。保存數(shù)天無變質(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,一是能夠快速破壞其細胞結(jié)構(gòu),加速其細胞液外滲;二是使溶液處于酸性條件下,不易滋生細菌、變質(zhì),易于長時間保存。
對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快而破壞有效成分。
此種提純方法的優(yōu)勢在于:在破壞葉片細胞結(jié)構(gòu)、得到細胞液的同時,使葉片依然以肉眼可見的形式存在于溶液中,這樣過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)與變色間隔測定方法
如果希望測得該指示劑(紫包菜)的準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,物體顯色的原因是:當(dāng)光源發(fā)光照射到物體上時,由于物體自身性質(zhì)不同,吸收了一部分特定波長的光,同時反射了剩余波長的光,當(dāng)反射光被人眼接收到時,人就看到了物體的顏色。因此,可以用物體反射光的波長描述物體的顏色。根據(jù)色度計的工作原理,通過調(diào)整光源波長,做出溶液比色與光源波長間的變化關(guān)系圖,找到其極小值點,對應(yīng)波長即為溶液反射光波長。但這要求光源波長可以自由、連續(xù)地調(diào)整,這顯然是不可能的。所以這一實驗方法并不可行。
(2)我們使用的是生化DIS實驗箱中的色度傳感儀和酸度傳感儀。
受上述實驗方法啟發(fā),可采取如下測量方法測定顏色: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種特殊波長的光(三基色光)——紅、綠、藍作為色度計的光源。
在3種光源下,分別測出不同溶液的比色,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,三基色光的光強比例,通過計算機既可合成出該pH值時溶液的顏色,然后做出比色卡。
(3)不同pH值溶液的配置方法及問題
為了正確、有效地選擇不同組溶液pH值的取值,需先對指示劑變色間隔進行粗測。采用中和滴定的方法對指示劑的變色間隔粗略測量的結(jié)果如表1所示。
表1
指示劑在酸性條件下保存時的pH值:4.7
根據(jù)上述粗測結(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。
只能通過大量的實驗大致調(diào)節(jié)溶液顏色,再用pH計測量其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)測量結(jié)果與分析
溶液按進行測定,對數(shù)據(jù)進行整理后,即可得到4組測量數(shù)據(jù)。
由于儀器限制,光源波長并沒有標準的三基色光波長,但其中430 nm,470 nm,635 nm三組數(shù)據(jù)可近似認為是三基色光的數(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,將波長為430 nm,470 nm,565 nm,635 nm四種色光依次記為:藍、綠、黃、紅。
通過圖1,根據(jù)色光合成的常識,不難定性地看出:當(dāng)溶液呈酸性時,紅光光強要遠大于其余三色光,溶液應(yīng)顯紅色。隨著溶液pH值升高,藍、綠、黃3種色光光強逐漸上升,當(dāng)溶液呈弱酸性時,溶液應(yīng)顯紫色。當(dāng)pH值繼續(xù)升高時,紅光光強迅速衰減,在溶液呈弱堿性時幾乎為0,藍、綠光所占比例變大,在溶液呈弱堿性時,所顯顏色應(yīng)介于藍色和綠色之間,在溶液呈堿性時,藍光也已衰減,溶液應(yīng)顯綠色。在溶液pH=8.6時,紅光光強突然增大,致使溶液顏色應(yīng)向黃、紅方向移動。
上述分析除最后一條外,均與粗測結(jié)果吻合。最后一條所得出的結(jié)論顯然是不合常理的,實驗中對此情況的反應(yīng)為:在溶液pH=8.6時,溶液呈草綠色,但放置一段時間后(約1小時),可看到溶液顏色明顯變?yōu)闇\黃色。對于這樣的實驗結(jié)果,之前設(shè)計的測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,故本研究未對其進行深入探究。
如前所述,通過圖像上任一點三基色光的光強比例,即可由計算機合成出該點的溶液顏色,制作出比色卡。合成結(jié)果如圖2所示。
圖2
通過對比可以看出,除pH=8.6的一組,其余合成色均與實際色接近。合成色與實際色之間略有差別,這只是由于儀器的限制,后期實驗結(jié)果證明,此種測定方法是可行并可信的。
1.研究成果和意義
通過上述研究,基本解決了開始提出的2個主要問題,按照上面的實驗結(jié)果,植物酸堿指示劑已經(jīng)基本可以用于定量分析及長時間保存。如果在此基礎(chǔ)上,能夠找到適當(dāng)?shù)姆椒▽ζ渥兩g隔進行調(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(對人體完全無害),便可在醫(yī)學(xué)上產(chǎn)生很高的應(yīng)用價值,例如測量口腔內(nèi)酸堿度、測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)濟易得,制備方法簡單,易于保存,能夠大量生產(chǎn),這些優(yōu)勢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。通過實驗,利用色度計分析,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,溶液的顏色會發(fā)生一種奇怪的變化,初步猜測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題無關(guān),因此尚未對其進行深入研究。
(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,通過提高實驗儀器水平自然可以大大減小誤差,因此還可以通過誤差修整的方法來調(diào)整比色卡,使之更加準確。
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)對其進行修正,故只要得到這3個常數(shù)即可。通過計算機可以找到與實際色最接近的合成色,在計算機上可以讀出三基色的比例,再與理論計算出的比例對比,即可建立方程。由于要確定3個常數(shù),故需選擇3組顏色,建立3個方程,即可求得3個常數(shù),達到對比色卡進行修正的目的。這一設(shè)想有待進一步考證、落實。
參考文獻
[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,特級教師。清華大學(xué)附屬中學(xué),100084