教學不止于課堂
——從一個顯色實驗的準備探討理論到實踐過程

趙子豪， 楊天嘉， 鄭 浩， 張 利， 馬 荔

（上海交通大學化學化工學院，上海200240）

0 引 言

為慶祝我校學化工學院建院90 周年，計劃設計一個變色實驗。在舞臺上，將1 瓶無色的液體加入量杯中，可以變?yōu)榧t、黃、綠、藍、紫5 種顏色的溶液。這5種顏色分別代表著責任與激情，理想與夢想，環(huán)保、和平與安全，寬廣的胸懷以及好奇心。一方面是學院對學生期望，另一方面也是響應習總書記把思想政治教育貫穿教育全過程的指示［1-3］，發(fā)揮好課堂教學主渠道作用，積極探索“課程思政”在基礎科學課堂中的形式。

作為一名化學專業(yè)的學生，自然想到的就是使用酸堿指示劑和酸堿溶液之間的變色反應實現這一設想。同一種指示劑在不同的pH值條件下呈現出不同的顏色，但是由于指示劑的變色范圍一般較窄，因此通過控制恰當的pH 值來控制顏色相對較難，且能夠出現的顏色有限［4］。因此設計了另一種方法：將幾種不同的指示劑混合，在不同的比例下，可以使同樣pH的溶液呈現出不同的顏色，而呈現出的顏色僅與指示劑的配比、用量有關［4］。

酸堿指示劑一般是有機弱酸或弱堿，當溶液中的pH值改變時，指示劑由于結構的改變而發(fā)生顏色的改變［5-6］。酸堿指示劑分子在不同酸堿性的溶液中因電離程度不同而產生顏色變化，其根本原因是分子結構發(fā)生了改變，如圖1 所示［5-7］。如果在具有某pH值的溶液中加入兩種或兩種以上的酸堿指示劑，溶液中指示劑分子的結構變化是互不干擾、分別進行的，因此宏觀上就會顯現出兩種酸堿指示劑在此pH下所顯顏色的混合色［8］。如果對pH 值、酸堿指示劑配比等變量進行控制，那么理論上可以根據美術中的調色原理得到各種顏色的溶液。

由于在堿性條件下，酚酞指示劑可使溶液顯粉紅～紫紅色（pH ＞9.1），對硝基苯酚指示劑可使溶液顯黃色（pH ＞7.4），百里酚藍指示劑可使溶液顯藍色（pH ＞8.9），與美術三原色（紅、黃、藍）相近。因而以酚酞、對硝基苯酚和百里酚藍3 種指示劑為基礎，按一定比例混合即可調配得到堿性條件下顯各種顏色的混合指示劑。

因此選定了NaOH溶液、酚酞試劑、對硝基苯酚試劑以及百里酚藍試劑，進行實驗。

圖1 酚酞顯色與其分子結構變化的關系［5-7］

1 實驗室常規(guī)實驗確定酸堿指示劑配比和NaOH溶液的濃度

盡管確定了所需試劑及指示劑，但是隨即發(fā)現，所得溶液的顏色不僅受pH 值和酸堿指示劑的影響，在不同的容器中，肉眼所見同一種溶液的顏色也不完全相同。這是由溶液本身的透明性和形狀的可塑性造成的。對于透明物質，在外界光源照射下，有一部分波長的光被物質吸收，另一部分波長不被吸收的光而得以透射，這部分透射光的顏色即為透明物質的顏色，因此在不同的外界光源下，物質的顏色也會發(fā)生變化。這些外界環(huán)境因素給顏色的調配帶來了新的困難。

實驗原本僅設計為通過調控酸堿指示劑的比例和加入量而得到不同顏色（紅、黃、綠、藍、紫）的堿性溶液，用于趣味實驗的展示活動。但是在準備過程中發(fā)現，不僅酸堿指示劑的比例和加入量對溶液的顏色有著顯著影響，外界的光源和盛裝液體的容器等外界環(huán)境條件也對溶液的顏色產生了干擾。因而依據實驗展示處的環(huán)境對溶液顏色進行了進一步校正：對于容器形狀的影響，選擇通過微調酸堿指示劑的加入量進行校正；而對于外界光源的影響，選擇通過控制溶液的pH值（堿濃度）進行校正。校正完畢之后，得到了理想的展示效果。

從一個簡單的指示劑顯色實驗設計，到發(fā)現意料之外的問題，再到根據實際情況提出猜想解決問題，并最終總結解決通用思路，體現了完整的實驗創(chuàng)新思維。

實驗計劃配制紅、黃、綠、藍、紫5 種顏色的溶液（理論上配制其他顏色的溶液亦可），其中黃色溶液可以直接通過加入對硝基苯酚指示劑、藍色溶液可以直接通過加入百里酚藍指示劑配制得到，無需進行不同指示劑的配比實驗，但是仍然需要確定對應指示劑的加入量。此處需要注意的是，紅色溶液不可以通過直接加入酚酞指示劑得到，因為酚酞指示劑在堿性下呈現紫紅色，并非所要求的正紅色。

2 實驗室中確定酸堿指示劑配比和用量

預實驗一般可認為是小試實驗，重點是用少量的試劑確定實驗條件，選擇先在20 mL量杯中進行調色實驗。為了讓實驗能夠很美觀展示給所有的觀眾，計劃選用500 mL量杯進行顯色實驗。

根據調色原理，初步確定了配制5 種顏色溶液所需的酸堿指示劑種類。并通過實驗確定了對應不同顏色指示劑的配比。根據在20 mL量杯中的用量成比例計算得到在500 mL量杯中的用量（見表1）。

表1 不同顏色溶液所需指示劑的對應配比

按照表1 所示的配比，即可配制所需要的5 種顏色對應的指示劑。根據用量取指示劑，并加入定量的NaOH溶液即可得到所需的5 色溶液，如圖2 所示。

圖2 以20 mL量杯為容器的5色溶液

3 容器對溶液顏色的影響

如前所述，在20 mL量杯中進行預實驗得到理想的顏色，確定了酸堿指示劑的配比，并計算確定了在500 mL量杯中所需各指示劑的體積，對應的酸堿指示劑濃度和pH 值相同，所以溶液的顏色也應當與預實驗相同。但是使用500 mL 量杯進行實驗時卻發(fā)現并非如此，對應的溶液顏色與20 mL量杯中溶液相比較淺（見圖3）。

圖3 以500 mL量杯為容器的5色溶液

這是由于溶液是澄清透明的，且形狀具有可塑性，因此在不同容器中光的透過性不同，相同容器的不同部位光的透過性也不同，造成視覺上溶液的深淺程度不同。

根據物質的吸收定律［9-10］：

式中：I0／I 為透過率；b 為溶液的厚度；c 為溶液的濃度。

可見，人眼觀察的溶液顏色與光透過的情況有關系的，而光透過的情況與溶液的厚度有密切關系，因此容器的大小和形狀對光的透過情況有極大的影響。這也可以解釋觀察到的現象。但是經觀察發(fā)現，后一種因素導致的溶液深淺差異較小，可以忽略不計。分析原因是500 mL量杯體積遠大于20 mL量杯，進入前者的光量大，也就是能夠進入其中的光子數多，使得溶液得以被“照亮”，相比于20 mL量杯，溶液的顏色較淺。

容器的影響對紅色、黃色、綠色溶液較為顯著，而對于顏色較深的藍色和紫色溶液，雖然顏色變淺，但由于溶液本身顏色較深，因而影響不大。于是，又使用500 mL量杯進行實驗，對酸堿指示劑的配比和用量進行了校正，數據見表2。

表2 不同顏色溶液所需指示劑的對應配比校正

4 光源對溶液顏色的影響

預實驗所采用的光源為自然光（白光），但是實驗展示場地的照明燈光為色彩偏黃的筒燈，且光強非常大，這又使得溶液的顏色出現了偏差。紅色溶液的顏色偏向堿性環(huán)境下酚酞的粉紅色；綠色溶液則偏藍，呈現藍綠色，導致和藍色溶液之間沒有顯著的色彩差異；而黃色溶液的色彩則幾乎無法被明顯地觀察到，近乎無色。藍色溶液和紫色溶液雖然顏色與自然光下有少許不同，但是并未出現較大的色彩偏差。

如前所述，對透明物質來說，在外界光源照射下，有一部分波長的光被物質吸收，而另一部分波長的光不被吸收而得以透射，這部分透射光的顏色即為透明物質的顏色。根據這一原理，對上述5 種溶液進行了紫外-可見吸收光譜測試（見圖4）。譜圖中，譜峰所在位置的波長對應溶液自身顏色的補色。讀出譜峰所在波長，將一條譜線中多個譜峰對應的顏色混合而成的顏色即為溶液顏色在色環(huán)中的補色［4］（見圖5），由此可以判斷溶液的顏色（即透射光顏色）。以綠色溶液的譜圖為例，該譜線在紫色和橙色光處有峰，將紫色與橙色光調和之后為玫紅色光，其對應補色光恰為綠色光。同理可以利用紫外-可見吸收光譜圖解釋其他的幾種顏色溶液。因此可以判斷，紫外-可見吸收光譜可用來表征本實驗中5 種溶液的顏色。

圖4 5色溶液的紫外-可見吸收光譜圖

圖5 顏色互補色環(huán)

為了排除場地燈光照射時溶液中出現化學反應的可能性，將5 種溶液置于場地燈光下照射一段時間后，再將各色溶液置于白光下觀察，肉眼發(fā)現顏色與預實驗時一致。再進一步對它們進行紫外-可見吸收光譜測試，譜線并未出現明顯差異，見圖6，證明溶液中沒有發(fā)生化學變化。

圖6 場地燈光照射后的5色溶液紫外-可見吸收光譜圖

結合所加入酸堿指示劑的種類考慮，紅色溶液所含酸堿指示劑為酚酞和對硝基苯酚，綠色溶液為百里酚藍和對硝基苯酚，而黃色溶液全部為對硝基苯酚。在偏黃的燈光照射下，此3 種溶液中對硝基苯酚的顏色均沒有很好地顯現出來，而呈現出類似不含對硝基苯酚時的堿性溶液顏色?？梢哉J為，由于場地的光源色彩偏黃，使得整個場地均呈現出偏黃的色彩。因此對硝基苯酚在堿性下所顯現出來的黃色在整個場地的映襯下不夠鮮明，因而難以被觀察到。此外，本身不含有對硝基苯酚指示劑的藍色和紫色溶液受到場地燈光影響不大，仍然呈現較為理想的顏色，這一實驗現象證明了對實驗結果的預計。

接著對紅色、黃色和綠色溶液的顏色進行校正。由于對硝基苯酚的顏色不夠鮮明，因此首選調整酸堿指示劑配比和加入量來提高對硝基苯酚在溶液中所占的比重。對于紅色和綠色溶液，提高對硝基苯酚所占的比例；對于黃色溶液，則選擇增加對硝基苯酚的加入量。校正之后發(fā)現，提高對硝基苯酚比例對綠色溶液的效果較好，所得色彩較為理想，但是對于紅色和黃色溶液卻收效甚微。因此對于紅色和黃色溶液，不再提高對硝基苯酚比例，而選擇提高堿液濃度（pH 值）。在紅色和黃色溶液中，使用0.1 mol／L NaOH 溶液，這使得溶液色彩加深效果大大提高，取得了理想的效果。而對于綠色、藍色和紫色溶液，若使用0.1 mol／L NaOH溶液，會使得溶液顏色過深，影響展示效果。

另外，由于展示現場光強遠大于預實驗時的自然光強，使得各色溶液色彩均產生了一定程度的變淺。因此對酸堿指示劑的加入量也進行了微調，得到滿意的結果。最終配比和用量如表3 所示。

表3 偏黃燈光下不同顏色溶液所需指示劑的對應配比校正

5 結 語

本實驗的出發(fā)點原本為一個簡單的酸堿指示劑變色實驗，創(chuàng)新點在于將酸堿指示劑按照不同的比例和用量混合，使用類似美術調色的方法，可以在堿性條件下配制出理論上各種顏色的溶液，用于趣味實驗展示。但是在實驗準備階段發(fā)現，有諸多因素會對人眼觀察溶液的顏色產生影響。因此不僅對酸堿指示劑的配比和用量對溶液顏色的影響進行了研究，還對容器形狀、外界光源等因素對溶液顏色的影響進行了討論，并通過調控酸堿指示劑配比、指示劑用量以及堿濃度（pH值）等參量得到了各種環(huán)境下理想的溶液顏色。

本實驗不僅能讓學生了解化學知識，培養(yǎng)學生學會發(fā)現問題、思考問題、解決問題的方法，學會學習，形成創(chuàng)新精神和實踐能力等，并且通過動手探究的過程，進一步把握化學學科所蘊含的思政人文精神。通過實驗，學生從內心確立起對科學之美的價值追求。這也是將育人貫穿于專業(yè)課程教學的全過程，將學生為中心的理念貫穿教學全過程［12-13］。

化學學科中蘊含著豐富的思政元素，只有善于挖掘出思政元素，才能實現與課堂內外的自然融合［15-16］，用辯證唯物主義思想去分析問題，反思實驗，不僅有助于學生專業(yè)知識的學習和動手操作技能的培養(yǎng)，更有助于學生形成科學的思維方式［16］。

本實驗盡管化學原理簡單，但實驗過程伴隨著物理因素影響，無形中產生了新的現象，是實驗前始料未及的。該實驗反映了麻雀雖小，五臟俱全，囊括了提出設想、遭遇問題、探究原理、解決問題等許多學術實驗中遇到的常見過程。不僅體現的是實驗室基本實驗到應用于實際的過程，還體現了物理、化學、美術等多學科的原理對一個展示實驗的影響，對一個簡單的趣味實驗追根溯源，體現了化學實驗中的許多探究和創(chuàng)新方法，是一個完整的實驗探究過程。這一實驗的探索過程，反映了在科研探究中應當采取的態(tài)度，對探索基于化學學科的課程思政和培養(yǎng)學生對化學實驗的興趣有著重要意義，同時也為廣大化學工作者帶來了啟迪。