利用紫甘藍(lán)汁和pH傳感器探究二氧化碳與氫氧化鈉溶液的反應(yīng)

夏琴 楊硯寧 毛明

摘要：針對(duì)滬教版初中化學(xué)教材中“氫氧化鈉溶液與二氧化碳?xì)怏w反應(yīng)”的實(shí)驗(yàn)作了改進(jìn)設(shè)計(jì)。利用紫甘藍(lán)汁稀釋液作指示劑、干冰代替二氧化碳?xì)怏w，由手持pH計(jì)的“斷點(diǎn)式”檢測(cè)，繼而改用pH數(shù)字傳感器“連續(xù)式”檢測(cè)干冰與氫氧化鈉溶液的反應(yīng)過程，通過觀察混合液酸堿度和紫甘藍(lán)汁的色差變化，從定性、定量和時(shí)間延續(xù)三個(gè)維度證明氫氧化鈉與二氧化碳發(fā)生反應(yīng)的變化過程。實(shí)驗(yàn)方法嚴(yán)謹(jǐn)，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象明顯，突破了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)只用試管間斷性檢驗(yàn)的局限性。

關(guān)鍵詞：CO2與NaOH溶液反應(yīng)；自制紫甘藍(lán)汁指示劑；酸堿度；pH傳感器；實(shí)驗(yàn)探究

文章編號(hào)：1005–6629（2016）10–0039–03 中圖分類號(hào)：G633.8 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

《義務(wù)教育化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2011年版）》在“課程性質(zhì)”中指出“化學(xué)是一門以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的學(xué)科，在教學(xué)中創(chuàng)設(shè)以實(shí)驗(yàn)為主的科學(xué)探究活動(dòng)，有助于激發(fā)學(xué)生對(duì)科學(xué)的興趣，引導(dǎo)學(xué)生在觀察、實(shí)驗(yàn)和交流討論中學(xué)習(xí)化學(xué)知識(shí)，提高學(xué)生的科學(xué)探究能力”[1]。可見，實(shí)驗(yàn)教學(xué)在化學(xué)課堂教學(xué)中占據(jù)著十分重要的地位，而創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)增強(qiáng)了化學(xué)課堂的趣味性與探究性，更加高效地服務(wù)于教學(xué)，貼合現(xiàn)代化學(xué)教學(xué)的需求。

氫氧化鈉溶液與二氧化碳?xì)怏w的反應(yīng)是滬教版九年級(jí)化學(xué)教材“常見的酸和堿”[2]中的一個(gè)知識(shí)點(diǎn)。作為知識(shí)點(diǎn)的引入，如果這個(gè)反應(yīng)在試管或者燒杯中進(jìn)行，一般沒有明顯的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。以往教學(xué)中，通常在密閉容器中探究實(shí)驗(yàn)過程中的氣壓變化，或者通過檢驗(yàn)反應(yīng)后的生成物碳酸鈉[3]間接證明反應(yīng)的發(fā)生。以上方法比較傳統(tǒng)，趣味性和自主性不強(qiáng)。本研究試圖通過指示劑顏色的多層次變化和連續(xù)計(jì)量的方式來證明該反應(yīng)的發(fā)生，使實(shí)驗(yàn)變得可視、科學(xué)、有趣。

為了增強(qiáng)趣味性和自主性，筆者先對(duì)指示劑進(jìn)行了改進(jìn)，利用紫甘藍(lán)汁稀釋液作為酸堿指示劑[4]。先用手持式pH計(jì)檢測(cè)不同酸堿度溶液的pH，然后加入一定比例的紫甘藍(lán)汁稀釋液，通過觀察紫甘藍(lán)呈現(xiàn)的顏色，來確定相應(yīng)顏色對(duì)應(yīng)的pH范圍，從而選擇紫甘藍(lán)汁稀釋液的最佳顯色區(qū)域?？紤]到教學(xué)現(xiàn)場(chǎng)制取大量二氧化碳耗時(shí)較長(zhǎng)，因此本實(shí)驗(yàn)選用干冰來代替二氧化碳?xì)怏w。將pH數(shù)字傳感器[5]的探頭浸入一定濃度的氫氧化鈉溶液中，連接傳感器，然后向氫氧化鈉溶液中加入干冰。由于干冰易升華，沉到容器底部的干冰，能快速地產(chǎn)生大量二氧化碳?xì)怏w并向上散逸，與氫氧化鈉溶液持續(xù)發(fā)生反應(yīng)。在此反應(yīng)過程中，紫甘藍(lán)的顏色也隨之發(fā)生豐富的變化，pH傳感器則連續(xù)測(cè)出溶液pH變化的數(shù)據(jù)和曲線，從而定量測(cè)定溶液酸堿度的變化。前者為表象，后者為數(shù)據(jù)，二者互為佐證，證明了二氧化碳與氫氧化鈉溶液反應(yīng)的發(fā)生。

1 背景實(shí)驗(yàn)

1.1 自制紫甘藍(lán)汁指示劑

（1）將紫甘藍(lán)切成小塊，進(jìn)行榨汁。

（2）用棉質(zhì)紗布做過濾層，將紗布覆蓋在燒杯上并用棉線固定，將榨取的紫甘藍(lán)汁靜置后進(jìn)行過濾。

（3）將紫甘藍(lán)汁與蒸餾水以1：25的體積比混勻、稀釋。

1.2 用紫甘藍(lán)汁稀釋液作指示劑間歇測(cè)定溶液酸堿度變化

（1）用稀鹽酸與稀氫氧化鈉溶液配制8種不同酸堿度的溶液，在室溫下（25℃），用手持pH計(jì)測(cè)定其酸堿度。

（2）向8種溶液中分別加入紫甘藍(lán)汁稀釋液，充分?jǐn)嚢?，溶液呈現(xiàn)不同顏色。

1.3 測(cè)試結(jié)果

2 創(chuàng)意實(shí)驗(yàn)

2.1 實(shí)驗(yàn)用品

筆記本電腦、Vernier數(shù)據(jù)采集器、Vernier pH傳感器、普通家用原汁機(jī)、直口厚壁玻璃瓶（直徑8cm，高25cm）3個(gè)、燒杯（250mL）1個(gè)、細(xì)口瓶（500mL）6個(gè)、量筒（1000mL）2個(gè)、玻璃棒3根、手電筒1個(gè)、手套1副

氫氧化鈉溶液（0.1 mol·L-1）、干冰、紫甘藍(lán)1棵、蒸餾水等

2.2 實(shí)驗(yàn)過程

（1）在3個(gè)玻璃瓶上分別標(biāo)注1號(hào)、2號(hào)、3號(hào)，在3個(gè)瓶中各加入400mL一定濃度的紫甘藍(lán)汁稀釋液。

（2）在1號(hào)瓶中加入200mL蒸餾水，在2號(hào)、3號(hào)瓶中分別加入200mL 0.1 mol·L-1的氫氧化鈉溶液，使3個(gè)瓶?jī)?nèi)的溶液體積保持一致。其中，1號(hào)瓶是用作空白對(duì)照，2號(hào)瓶與3號(hào)瓶起始狀態(tài)一致，用來與3號(hào)瓶即將發(fā)生的反應(yīng)作對(duì)比。

（3）在3號(hào)瓶中插入pH傳感器探頭，浸入溶液中，再連接數(shù)據(jù)采集器。向3號(hào)瓶所盛溶液中投入幾塊干冰。測(cè)定溶液的pH變化，觀察實(shí)驗(yàn)過程中的現(xiàn)象（如圖1所示）。

2.3 現(xiàn)象描述

觀察3號(hào)瓶?jī)?nèi)發(fā)生的現(xiàn)象：干冰在溶液中立即產(chǎn)生了大量氣泡，在瓶口形成了云霧繚繞的景象，瓶?jī)?nèi)溶液的顏色由原來的綠色逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)樯罹G，繼而變?yōu)榇渚G，緊接著轉(zhuǎn)化為淺綠，然后慢慢變?yōu)楹{(lán)、天藍(lán)、青藍(lán)，最終變?yōu)樽仙?。從紫甘藍(lán)汁顏色變化的多樣性，結(jié)合圖1所測(cè)得的相關(guān)數(shù)據(jù)，從定性和半定量的角度，可以感知到溶液的酸堿度發(fā)生了變化。

與此同時(shí)，pH數(shù)字傳感器采集到反應(yīng)過程中連續(xù)變化的數(shù)據(jù)，形成了pH曲線，直觀、形象地表明了溶液中pH的變化[6]——pH由最初的12逐漸變化到小于7，從而揭示了氫氧化鈉溶液與二氧化碳發(fā)生反應(yīng)的過程。

2.4 結(jié)論

（1）打破傳統(tǒng)的通過檢驗(yàn)實(shí)驗(yàn)中氣壓變化或產(chǎn)物來間接證明反應(yīng)發(fā)生的方法，將二氧化碳與氫氧化鈉溶液的反應(yīng)過程從視覺上和數(shù)據(jù)上連續(xù)地呈現(xiàn)出來，奇妙的化學(xué)現(xiàn)象給教學(xué)帶來了豐富的視覺刺激。整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程所需要的時(shí)間在2分鐘以內(nèi)，既適合作為課堂演示實(shí)驗(yàn)，也可以作為學(xué)生的探究實(shí)驗(yàn)，有較好的教學(xué)價(jià)值。

（2）用干冰代替二氧化碳?xì)怏w，操作簡(jiǎn)便，既體現(xiàn)了物質(zhì)的多樣性，又營造出了云霧繚繞的奇妙景象，增強(qiáng)了實(shí)驗(yàn)的趣味性，讓學(xué)生體驗(yàn)化學(xué)之美；用生活中的常見蔬菜紫甘藍(lán)汁液代替?zhèn)鹘y(tǒng)的指示劑紫色石蕊試液，拉近了化學(xué)與生活的距離，體現(xiàn)了生活化學(xué)的理念；利用紫甘藍(lán)顏色多變的特點(diǎn)，也讓學(xué)生初步了解指示劑變色范圍的概念，為將來指示劑的學(xué)習(xí)作鋪墊。

（3）用pH計(jì)間斷性檢測(cè)與用數(shù)字傳感器連續(xù)性檢測(cè)作對(duì)比，使氫氧化鈉與二氧化碳的反應(yīng)更具有可視性、科學(xué)性。本實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)體現(xiàn)了實(shí)驗(yàn)的定性、定量的融合和數(shù)字傳感技術(shù)的有效使用。

3 本實(shí)驗(yàn)用紫甘藍(lán)汁調(diào)配與顯色區(qū)域的探究

3.1 紫甘藍(lán)汁提取液稀釋調(diào)制的配比

本實(shí)驗(yàn)用原汁機(jī)榨取紫甘藍(lán)汁原液，原液為深紫色，若濃度過大，紫甘藍(lán)汁自身的紫色會(huì)干擾實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的觀察。為了增強(qiáng)實(shí)驗(yàn)的視覺效果，通過控制變量進(jìn)行反復(fù)實(shí)驗(yàn)，得出紫甘藍(lán)汁原液與蒸餾水以1：25的體積比進(jìn)行稀釋，能獲得較好的實(shí)驗(yàn)效果。

3.2 紫甘藍(lán)汁稀釋液顯色區(qū)域的選擇

從使用手持pH計(jì)間歇測(cè)定紫甘藍(lán)汁稀釋液在不同酸堿度溶液中的顯色情況可知，其在不同pH環(huán)境的溶液中顏色變化非常豐富。查閱資料可知紫甘藍(lán)汁液顯色的有效成分是花青素（其結(jié)構(gòu)如圖2所示）[7]，花青素在堿性較強(qiáng)時(shí)，其結(jié)構(gòu)會(huì)發(fā)生轉(zhuǎn)變，因此實(shí)驗(yàn)結(jié)束時(shí)無法轉(zhuǎn)變?yōu)樽仙?/p>

為了觀察到溶液更多層次的顏色變化，筆者反復(fù)多次實(shí)驗(yàn)。發(fā)現(xiàn)若使紫甘藍(lán)汁與氫氧化鈉溶液混合后起始色為黃色（此時(shí)溶液堿性較強(qiáng)），在實(shí)驗(yàn)過程中，縱使加入足量的干冰，直至溶液pH小于7時(shí)，溶液顏色的變化始終在黃色區(qū)間，最終呈現(xiàn)灰色，溶液色彩變化比較單一，少了感官上的視覺美感。本實(shí)驗(yàn)中，筆者選擇pH約為12.8的綠色溶液（傳感器測(cè)定與手持pH計(jì)測(cè)定有一定誤差）作為起始顏色，整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程中，溶液的顏色在綠色、藍(lán)色、紫色三個(gè)顏色區(qū)間內(nèi)進(jìn)行逐層次的轉(zhuǎn)變，可謂美輪美奐。

參考文獻(xiàn)：

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