pH傳感器在測定石蕊和紫甘藍浸出液酸堿度中的應用

李宇風 汪潔 孫可平

摘要： 利用pH傳感器實時得到實驗中的酸堿度數(shù)據(jù)，借助Photoshop圖像處理技術獲取溶液的顏色變化，確定該色素的顏色變化與變色范圍并用數(shù)據(jù)的形式呈現(xiàn)出來。通過對石蕊指示劑的試驗驗證了該方法的可行性。以紫甘藍浸出液為例，介紹了從提取浸出液到記錄滴定時顏色隨酸堿度變化的過程。同時也對不同種類的植物浸出液完成測定。制作了蘇木、玫瑰花、黑枸杞等植物浸出液的變色圖譜。

關鍵詞： pH傳感器; 酸堿指示劑; 石蕊; 紫甘藍; 浸出液; 酸堿度測定

文章編號： 1005-6629（2019）2-0062-05??????????? 中圖分類號： G633.8??????????? 文獻標識碼： B

1? 問題提出

在滬教版高中一年級第二學期《化學》的“廣泛存在的化學平衡”中，提到存在于植物中的色素在不同pH大小的溶液中具有不同的顏色[1]?？茖W家利用這一現(xiàn)象，提取植物中的色素制作了現(xiàn)今廣泛使用的酸堿指示劑，其變色過程中就是平衡移動的體現(xiàn)。同時課本也給出了一張表格，介紹了幾種植物色素的顏色變化（如表1所示）。

?但是在這張表格中，并沒有給出色素的顏色變化與溶液具體的pH變化之間的定量關系。學生只是機械地記憶各種植物部位的浸出液的顏色以及遇酸堿時的顏色，并沒有親眼看到這些浸出液的顏色是如何隨著溶液的pH的改變而變化的。為了能讓學生直觀地看到植物浸出液的顏色變化與pH變化的關系以形成感性認識，本文設計了基于手持技術來記錄浸出液顏色與pH的變化關系。

2? 實驗設計

2.1? 設計思路

植物浸出液的顏色變化是由于溶液的酸堿性發(fā)生了變化。為了使pH數(shù)據(jù)可視化，在實驗中引入手持技術。借助pH傳感器導出的圖表獲得實時數(shù)據(jù)，并與溶液的顏色聯(lián)系在一起。進而在后期借助計算機的圖像軟件處理數(shù)據(jù)，制作出該種植物浸出液的酸堿性變色圖譜。

2.2? 實驗流程

實驗流程見圖1。

3? 酸堿指示劑的變色原理

3.1? 石蕊

石蕊是從一種叫石蕊地衣的植物中提取出來的。石蕊地衣生長在中高海拔向陽的巖石上，植株矮小，通過其分泌的地衣酸能促進高山巖石的逐漸風化、解體，對土壤的形成有重要作用。石蕊，屬于一種弱的有機酸，其相對分子質量為3300，在酸、堿溶液的不同作用下，發(fā)生共軛結構的改變而變色。也就是說，在溶液中，隨著溶液酸堿性的變化，其分子結構發(fā)生改變而呈現(xiàn)出不同的顏色變化： 在酸性溶液里，紅色的分子是其存在的主要形式，使溶液呈紅色;在堿性溶液里，石蕊水解發(fā)生的電離平衡向右移動，藍色的酸根離子是其存在的主要形式，故使溶液呈藍色;在中性溶液里，紅色的分子和藍色的酸根離子共存，因而溶液呈紫色。

石蕊變色范圍如下： pH<5時顯紅色，pH=6～8時顯紫色，pH>9時顯藍色。

3.2? 紫甘藍色素

紫甘藍，俗稱紫包菜，十字花科、蕓苔屬甘藍種中的一個變種[2]。紫甘藍含有豐富的花色素，因而能從中提取到天然色素——紫甘藍色素。紫甘藍色素也可作為一種天然的酸堿指示劑[3]。這是由于其顏色可隨溶液pH的變化而發(fā)生顯著改變，可以借助顏色的改變而準確地指示酸堿滴定終點。另外，其化學性質較為穩(wěn)定，能在提取出來后長期保存。紫甘藍色素由多種花色苷組成?；ㄉ帐腔ㄉ嘏c糖以糖苷鍵結合而成的一類化合物，廣泛存在于植物的花、果實、莖、葉和根器官的細胞液中，使其呈現(xiàn)由紅、紫紅到蘭等不同顏色[4]。

已知紫甘藍色素變色范圍如下： pH<3時顯紅色，pH=3～5時顯紫色，pH=6～7時顯藍色，pH=8～9時顯青綠色，pH=10～12時顯綠色，pH>13時顯黃色。變色范圍極其廣泛。

4? 探索步驟

（1） 使用DIS實驗技術。數(shù)字化信息系統(tǒng)通過pH傳感器可以實時記錄溶液的pH變化，并能用圖表的形式導出。學生在課堂上可以看到溶液pH的變化，明確溶液pH的上升與顏色變化是息息相關的。

（2） 使用攝像機、計算機等技術設備。通過攝像機拍攝酸堿滴定時的顏色變化，可在后期通過計算機軟件處理圖像、數(shù)據(jù)，制作各類不同植物色素的顏色變化與pH關系的圖譜，讓學生對植物色素一類指示劑的顏色變化有形象、直觀、感性的認識。

（3） 使用磁力攪拌器進行酸堿滴定，確保勻速滴加堿液的同時，使酸堿快速、充分反應，保持溶液整體的pH相同，溶液的顏色在反應時均一穩(wěn)定，同時保證溶液滴加速度均勻，可以使學生清楚地觀察到溶液的每一種顏色的變化。

（4） 驗證試驗。為了驗證此方法的有效性，先用石蕊做驗證實驗。再選用紫甘藍色素這一有著豐富顏色變化的酸堿指示劑進行研究。

?5? 藥品儀器

藥品： 石蕊、紫甘藍、無水乙醇、蒸餾水、濃鹽酸、濃磷酸、氫氧化鈉固體、pH=4的緩沖溶液

儀器： 計算機（配備Vernier程序）、Vernier數(shù)據(jù)采集器、色度儀、pH傳感器、比色皿、洗瓶、燒杯、燒瓶、10mL量筒、15×150試管、酒精燈、電子天平、磁力攪拌器、100mL錐形瓶、滴定管、磁子

6? 石蕊指示劑的測定

6.1? 試劑配制

使用電子天平稱取3g石蕊，放入研缽研磨至粉狀。將石蕊粉末轉移到燒杯中，浸泡在300mL 95%的乙醇溶液中，加熱至沸騰后乘熱過濾除去石蕊中的有機雜質以獲得濾渣。將濾渣溶于100mL蒸餾水，攪拌后靜置。取上層清液作為酸堿指示劑。

用10mL量筒量取2mL濃磷酸和1mL濃鹽酸，用蒸餾水稀釋至50mL，再加入1mL石蕊指示劑。

配制4mol/L的氫氧化鈉溶液。

6.2? 實驗數(shù)據(jù)采集

如圖2搭建實驗裝置。

打開數(shù)據(jù)采集器電源，將pH傳感器與數(shù)據(jù)采集器相連。在pH=4的緩沖溶液中對pH傳感器進行校正。試驗模式為基于時間，pH傳感器設置為每1秒讀1次數(shù)值。

在燒杯中加入25mL含有指示劑的混合酸液后，打開磁力攪拌器調(diào)節(jié)攪拌速度適中，并在距離燒杯5cm處放置手機，開啟攝影模式準備錄像。

往滴定管中加入4mol/L的氫氧化鈉溶液后，旋開滴定管活塞，使滴下的液體呈聚滴成線狀。點擊數(shù)據(jù)采集器按鈕開始進行讀數(shù)并開始攝影。待數(shù)據(jù)采集器上顯示pH=9時，停止數(shù)據(jù)采集和攝影并關閉滴定管旋塞。

6.3? 數(shù)據(jù)處理

處理視頻中溶液的圖像像素。使用Photoshop CS4編輯圖像，選中色塊，點擊菜單中“濾鏡”選項下“模糊”子菜單中的“平均”。將色塊的RGB三數(shù)據(jù)換算為16進制數(shù)據(jù)，查詢對應顏色，制作出顏色變化圖。

再讀取傳感器測定的pH，將pH與色譜對應，制作出石蕊指示劑的變色范圍圖譜（見圖3）。

6.4? 結果比較

根據(jù)實驗數(shù)據(jù)處理得到的圖像（見圖3）可以清楚地看到，石蕊指示劑在pH 6～8之間發(fā)生了顏色變化，從紅色變?yōu)樽仙僮優(yōu)樗{色。這一結果也與文獻相同，同時通過計算機技術可以得到一段石蕊指示劑顏色連續(xù)變化的圖像。因此，可以確定該方法可以適用于對酸堿指示劑的變色圖譜的制作。

7? 拓展研究

整個實驗可分為以下三個階段：

（1） 提取色素階段。

從植物中提取色素： 將一定比例混合的乙醇與水的提取液通過加熱回流的方式制得不同植物的浸出液，盡可能多地提取出植物中的色素。

（2） 色素變化階段。

在酸性溶液中加入色素，進行中和滴定反應。色素在反應中會產(chǎn)生顏色的變化。

（3） 信息化處理階段。

將溶液顏色和pH信息化，并在計算機中完成整合。

下面以紫甘藍為例作詳細介紹。

7.1? 指示劑制備

根據(jù)宋曉秋[5]等的研究，使用新鮮的紫甘藍為原料，以25%乙醇溶液為溶劑，用加熱回流方式提取其中的色素。

7.2? 實驗操作

具體操作如上述6.2中的操作步驟，最后在數(shù)據(jù)采集器中的pH讀數(shù)大于13后，停止數(shù)據(jù)采集和攝影并關閉滴定管旋塞。

7.3? 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)處理方式與6.3相同，將pH圖表中的數(shù)據(jù)與溶液顏色一一對應（見圖4）。由于使用磷酸與鹽酸的混合溶液，溶液在pH=4.6與9.5附近有突躍點，使得溶液在這兩處的顏色變化較為緩慢，讓學生有時間清楚地觀察到顏色變化。

最后通過計算機技術制作得到紫甘藍指示劑的變色范圍圖譜（見圖5）。

7.4? 其他研究結果

其他研究結果見圖6～圖8。

8? 技術問題及改進

植物浸出液的顏色變化十分豐富細微，不同觀察者用肉眼觀察同一種溶液顏色時會產(chǎn)生顏色辨別上的分歧。這是由于生理限制的緣故，人類對顏色的區(qū)分是相當主觀的。為了減少主觀誤差，使用了攝像的方式來處理記錄溶液的RGB三色。但在后期處理圖像過程中注意到拍照時受光源及進光量等影響也會產(chǎn)生一定的色差。為了進一步減小這方面的誤差，可以使用能夠實時辨別溶液顏色的感光儀器，例如色彩分析儀等一類產(chǎn)品來獲取正確數(shù)據(jù)。

9? 實驗創(chuàng)新點

（1） 使用定量手段探究實驗。

在中學階段的實驗中，大多屬于定性實驗，學生較少接觸定量試驗。本次探究性實驗引入DIS技術，準確地測定了實驗中的各種物理量，使學生領略到定量試驗在科學探究中的重要性及其魅力。

在探究提取液中乙醇體積分數(shù)對色素提取效果的影響時，如果學生沒有使用色度計，只是用肉眼觀察裝有提取液的5個容量瓶的顏色時就不能準確地判斷出溶液的濃度。但是通過光度計來檢測樣品的吸光度，就能輕易地根據(jù)吸光度的大小來做出準確的判斷，同時也讓學生認識到定量試驗在實驗中不可或缺的重要地位。

（2） 引入手持技術測定指示劑的變色范圍與pH的關系。

過去學生對于指示劑的變色范圍僅限于甲基橙、酚酞、石蕊，只是簡單地死記硬背。本次探究借助pH傳感器以及計算機設備測定紫甘藍色素的pH與變色范圍。學生通過觀察傳感器得到的動態(tài)實時的pH數(shù)據(jù)，直觀地顯示了指示劑顏色變化與pH的關系，讓學生對指示劑的變色有感性的認知，加深對指示劑變色過程中的pH與變色范圍的認識。

（3） 手持技術對學生實驗路徑起到拓展作用。

實驗中使用的DIS技術使學生在科學探究的過程中，獲得了更多數(shù)據(jù)采集的手段，使學生易于采集實驗數(shù)據(jù)，便于處理實驗數(shù)據(jù)。這就降低了學生在實驗中和學習上的難度，也拓寬了學生參與研究性學習的道路，使學生能更多地進行定量試驗，也是對教科書上存在著大量定性實驗而缺少定量實驗的一種補充。

（4） 展現(xiàn)動態(tài)的顏色變化過程。

教材上對于植物酸堿指示劑的顏色變化僅限于文字介紹，并沒有圖像展示。通過該實驗，學生可以清楚地看到指示劑的顏色是隨著pH的改變而變化的。由過去孤立的各種指示劑顏色的描述，到實驗中直觀、清楚的動態(tài)化的顏色改變，也更能吸引學生。

（5） 增強教學效果。

學生通過直觀地看到紫甘藍色素等5種天然酸堿指示劑如何隨著pH的改變而不斷地連續(xù)變化，逐步形成了對于平衡變化的感性認識。同時，在課堂中演示該實驗可以激發(fā)學生的學習興趣，使學生對于化學平衡的移動產(chǎn)生變化的原因由好奇轉化為激發(fā)學生的求知欲。另一方面，顏色的變化也吸引了學生的注意力，圖像化記憶也比文字描述更能使學生對指示劑在不同酸堿環(huán)境中的顏色變化有深刻印象。

參考文獻：

[1]上海市中小學幼兒園課程改革委員會. 高級中學課本·化學（高中一年級第二學期）（試用本）[M]. 上海： 上?？茖W技術出版社， 2015： 50.

[2][3]張小平， 張旻媛. 紫甘藍色素變色實驗的設計[J]. 化學教學， 2014， 36（6）： 50～52.

[4]龐志申. 花色苷研究概況[J]. 農(nóng)業(yè)新技術， 2000， 18（5）： 37～42.

[5]宋曉秋， 葉琳， 楊曉波. 紫甘藍色素提取方法研究[J]. 食品科學， 2011， 32（8）： 74～77.