pH传感器在测定石蕊和紫甘蓝浸出液酸碱度中的应用

李宇风 汪洁 孙可平

摘要： 利用pH传感器实时得到实验中的酸碱度数据，借助Photoshop图像处理技术获取溶液的颜色变化，确定该色素的颜色变化与变色范围并用数据的形式呈现出来。通过对石蕊指示剂的试验验证了该方法的可行性。以紫甘蓝浸出液为例，介绍了从提取浸出液到记录滴定时颜色随酸碱度变化的过程。同时也对不同种类的植物浸出液完成测定。制作了苏木、玫瑰花、黑枸杞等植物浸出液的变色图谱。

关键词： pH传感器; 酸碱指示剂; 石蕊; 紫甘藍; 浸出液; 酸碱度测定

文章编号： 1005-6629（2019）2-0062-05            中图分类号： G633.8            文献标识码： B

1  问题提出

在沪教版高中一年级第二学期《化学》的“广泛存在的化学平衡”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颜色[1]。科学家利用这一现象，提取植物中的色素制作了现今广泛使用的酸碱指示剂，其变色过程中就是平衡移动的体现。同时课本也给出了一张表格，介绍了几种植物色素的颜色变化（如表1所示）。

 但是在这张表格中，并没有给出色素的颜色变化与溶液具体的pH变化之间的定量关系。学生只是机械地记忆各种植物部位的浸出液的颜色以及遇酸碱时的颜色，并没有亲眼看到这些浸出液的颜色是如何随着溶液的pH的改变而变化的。为了能让学生直观地看到植物浸出液的颜色变化与pH变化的关系以形成感性认识，本文设计了基于手持技术来记录浸出液颜色与pH的变化关系。

2  实验设计

2.1  设计思路

植物浸出液的颜色变化是由于溶液的酸碱性发生了变化。为了使pH数据可视化，在实验中引入手持技术。借助pH传感器导出的图表获得实时数据，并与溶液的颜色联系在一起。进而在后期借助计算机的图像软件处理数据，制作出该种植物浸出液的酸碱性变色图谱。

2.2  实验流程

实验流程见图1。

3  酸碱指示剂的变色原理

3.1  石蕊

石蕊是从一种叫石蕊地衣的植物中提取出来的。石蕊地衣生长在中高海拔向阳的岩石上，植株矮小，通过其分泌的地衣酸能促进高山岩石的逐渐风化、解体，对土壤的形成有重要作用。石蕊，属于一种弱的有机酸，其相对分子质量为3300，在酸、碱溶液的不同作用下，发生共轭结构的改变而变色。也就是说，在溶液中，随着溶液酸碱性的变化，其分子结构发生改变而呈现出不同的颜色变化： 在酸性溶液里，红色的分子是其存在的主要形式，使溶液呈红色;在碱性溶液里，石蕊水解发生的电离平衡向右移动，蓝色的酸根离子是其存在的主要形式，故使溶液呈蓝色;在中性溶液里，红色的分子和蓝色的酸根离子共存，因而溶液呈紫色。

石蕊变色范围如下： pH<5时显红色，pH=6～8时显紫色，pH>9时显蓝色。

3.2  紫甘蓝色素

紫甘蓝，俗称紫包菜，十字花科、芸苔属甘蓝种中的一个变种[2]。紫甘蓝含有丰富的花色素，因而能从中提取到天然色素——紫甘蓝色素。紫甘蓝色素也可作为一种天然的酸碱指示剂[3]。这是由于其颜色可随溶液pH的变化而发生显著改变，可以借助颜色的改变而准确地指示酸碱滴定终点。另外，其化学性质较为稳定，能在提取出来后长期保存。紫甘蓝色素由多种花色苷组成。花色苷是花色素与糖以糖苷键结合而成的一类化合物，广泛存在于植物的花、果实、茎、叶和根器官的细胞液中，使其呈现由红、紫红到兰等不同颜色[4]。

已知紫甘蓝色素变色范围如下： pH<3时显红色，pH=3～5时显紫色，pH=6～7时显蓝色，pH=8～9时显青绿色，pH=10～12时显绿色，pH>13时显黄色。变色范围极其广泛。

4  探索步骤

（1） 使用DIS实验技术。数字化信息系统通过pH传感器可以实时记录溶液的pH变化，并能用图表的形式导出。学生在课堂上可以看到溶液pH的变化，明确溶液pH的上升与颜色变化是息息相关的。

（2） 使用摄像机、计算机等技术设备。通过摄像机拍摄酸碱滴定时的颜色变化，可在后期通过计算机软件处理图像、数据，制作各类不同植物色素的颜色变化与pH关系的图谱，让学生对植物色素一类指示剂的颜色变化有形象、直观、感性的认识。

（3） 使用磁力搅拌器进行酸碱滴定，确保匀速滴加碱液的同时，使酸碱快速、充分反应，保持溶液整体的pH相同，溶液的颜色在反应时均一稳定，同时保证溶液滴加速度均匀，可以使学生清楚地观察到溶液的每一种颜色的变化。

（4） 验证试验。为了验证此方法的有效性，先用石蕊做验证实验。再选用紫甘蓝色素这一有着丰富颜色变化的酸碱指示剂进行研究。

 5  药品仪器

药品： 石蕊、紫甘蓝、无水乙醇、蒸馏水、浓盐酸、浓磷酸、氢氧化钠固体、pH=4的缓冲溶液

仪器： 计算机（配备Vernier程序）、Vernier数据采集器、色度仪、pH传感器、比色皿、洗瓶、烧杯、烧瓶、10mL量筒、15×150试管、酒精灯、电子天平、磁力搅拌器、100mL锥形瓶、滴定管、磁子

6  石蕊指示剂的测定

6.1  试剂配制

使用电子天平称取3g石蕊，放入研钵研磨至粉状。将石蕊粉末转移到烧杯中，浸泡在300mL 95%的乙醇溶液中，加热至沸腾后乘热过滤除去石蕊中的有机杂质以获得滤渣。将滤渣溶于100mL蒸馏水，搅拌后静置。取上层清液作为酸碱指示剂。

用10mL量筒量取2mL浓磷酸和1mL浓盐酸，用蒸馏水稀释至50mL，再加入1mL石蕊指示剂。

配制4mol/L的氢氧化钠溶液。

6.2  实验数据采集

如图2搭建实验装置。

打开数据采集器电源，将pH传感器与数据采集器相连。在pH=4的缓冲溶液中对pH传感器进行校正。试验模式为基于时间，pH传感器设置为每1秒读1次数值。

在烧杯中加入25mL含有指示剂的混合酸液后，打开磁力搅拌器调节攪拌速度适中，并在距离烧杯5cm处放置手机，开启摄影模式准备录像。

往滴定管中加入4mol/L的氢氧化钠溶液后，旋开滴定管活塞，使滴下的液体呈聚滴成线状。点击数据采集器按钮开始进行读数并开始摄影。待数据采集器上显示pH=9时，停止数据采集和摄影并关闭滴定管旋塞。

6.3  数据处理

处理视频中溶液的图像像素。使用Photoshop CS4编辑图像，选中色块，点击菜单中“滤镜”选项下“模糊”子菜单中的“平均”。将色块的RGB三数据换算为16进制数据，查询对应颜色，制作出颜色变化图。

再读取传感器测定的pH，将pH与色谱对应，制作出石蕊指示剂的变色范围图谱（见图3）。

6.4  结果比较

根据实验数据处理得到的图像（见图3）可以清楚地看到，石蕊指示剂在pH 6～8之间发生了颜色变化，从红色变为紫色再变为蓝色。这一结果也与文献相同，同时通过计算机技术可以得到一段石蕊指示剂颜色连续变化的图像。因此，可以确定该方法可以适用于对酸碱指示剂的变色图谱的制作。

7  拓展研究

整个实验可分为以下三个阶段：

（1） 提取色素阶段。

从植物中提取色素： 将一定比例混合的乙醇与水的提取液通过加热回流的方式制得不同植物的浸出液，尽可能多地提取出植物中的色素。

（2） 色素变化阶段。

在酸性溶液中加入色素，进行中和滴定反应。色素在反应中会产生颜色的变化。

（3） 信息化处理阶段。

将溶液颜色和pH信息化，并在计算机中完成整合。

下面以紫甘蓝为例作详细介绍。

7.1  指示剂制备

根据宋晓秋[5]等的研究，使用新鲜的紫甘蓝为原料，以25%乙醇溶液为溶剂，用加热回流方式提取其中的色素。

7.2  实验操作

具体操作如上述6.2中的操作步骤，最后在数据采集器中的pH读数大于13后，停止数据采集和摄影并关闭滴定管旋塞。

7.3  数据处理

数据处理方式与6.3相同，将pH图表中的数据与溶液颜色一一对应（见图4）。由于使用磷酸与盐酸的混合溶液，溶液在pH=4.6与9.5附近有突跃点，使得溶液在这两处的颜色变化较为缓慢，让学生有时间清楚地观察到颜色变化。

最后通过计算机技术制作得到紫甘蓝指示剂的变色范围图谱（见图5）。

7.4  其他研究结果

其他研究结果见图6～图8。

8  技术问题及改进

植物浸出液的颜色变化十分丰富细微，不同观察者用肉眼观察同一种溶液颜色时会产生颜色辨别上的分歧。这是由于生理限制的缘故，人类对颜色的区分是相当主观的。为了减少主观误差，使用了摄像的方式来处理记录溶液的RGB三色。但在后期处理图像过程中注意到拍照时受光源及进光量等影响也会产生一定的色差。为了进一步减小这方面的误差，可以使用能够实时辨别溶液颜色的感光仪器，例如色彩分析仪等一类产品来获取正确数据。

9  实验创新点

（1） 使用定量手段探究实验。

在中学阶段的实验中，大多属于定性实验，学生较少接触定量试验。本次探究性实验引入DIS技术，准确地测定了实验中的各种物理量，使学生领略到定量试验在科学探究中的重要性及其魅力。

在探究提取液中乙醇体积分数对色素提取效果的影响时，如果学生没有使用色度计，只是用肉眼观察装有提取液的5个容量瓶的颜色时就不能准确地判断出溶液的浓度。但是通过光度计来检测样品的吸光度，就能轻易地根据吸光度的大小来做出准确的判断，同时也让学生认识到定量试验在实验中不可或缺的重要地位。

（2） 引入手持技术测定指示剂的变色范围与pH的关系。

过去学生对于指示剂的变色范围仅限于甲基橙、酚酞、石蕊，只是简单地死记硬背。本次探究借助pH传感器以及计算机设备测定紫甘蓝色素的pH与变色范围。学生通过观察传感器得到的动态实时的pH数据，直观地显示了指示剂颜色变化与pH的关系，让学生对指示剂的变色有感性的认知，加深对指示剂变色过程中的pH与变色范围的认识。

（3） 手持技术对学生实验路径起到拓展作用。

实验中使用的DIS技术使学生在科学探究的过程中，获得了更多数据采集的手段，使学生易于采集实验数据，便于处理实验数据。这就降低了学生在实验中和学习上的难度，也拓宽了学生参与研究性学习的道路，使学生能更多地进行定量试验，也是对教科书上存在着大量定性实验而缺少定量实验的一种补充。

（4） 展现动态的颜色变化过程。

教材上对于植物酸碱指示剂的颜色变化仅限于文字介绍，并没有图像展示。通过该实验，学生可以清楚地看到指示剂的颜色是随着pH的改变而变化的。由过去孤立的各种指示剂颜色的描述，到实验中直观、清楚的动态化的颜色改变，也更能吸引学生。

（5） 增强教学效果。

学生通过直观地看到紫甘蓝色素等5种天然酸碱指示剂如何随着pH的改变而不断地连续变化，逐步形成了对于平衡变化的感性认识。同时，在课堂中演示该实验可以激发学生的学习兴趣，使学生对于化学平衡的移动产生变化的原因由好奇转化为激发学生的求知欲。另一方面，颜色的变化也吸引了学生的注意力，图像化记忆也比文字描述更能使学生对指示剂在不同酸碱环境中的颜色变化有深刻印象。

参考文献：

[1]上海市中小学幼儿园课程改革委员会. 高级中学课本·化学（高中一年级第二学期）（试用本）[M]. 上海： 上海科学技术出版社， 2015： 50.

[2][3]张小平， 张旻媛. 紫甘蓝色素变色实验的设计[J]. 化学教学， 2014， 36（6）： 50～52.

[4]庞志申. 花色苷研究概况[J]. 农业新技术， 2000， 18（5）： 37～42.

[5]宋晓秋， 叶琳， 杨晓波. 紫甘蓝色素提取方法研究[J]. 食品科学， 2011， 32（8）： 74～77.