實(shí)驗(yàn)室中的指示劑大探秘

廣東省深圳市龍華區(qū)第三實(shí)驗(yàn)學(xué)校 蘇龍翔 王雪瑤 周琮岱

學(xué)習(xí)了酸和堿的知識(shí)后，我們知道了紫色石蕊試液和無色酚酞試液都可用作酸堿指示劑，紫色石蕊遇酸變紅，遇堿變藍(lán)；無色酚酞遇酸不變色，遇堿變紅。我們可以利用顏色的變化區(qū)分溶液的酸性和堿性。

是否還有其他的指示劑能在酸性或堿性溶液中顯示出不同的顏色變化？我們選擇了實(shí)驗(yàn)室存有的八種標(biāo)有“IND”字樣的指示劑藥品，將其配制成溶液，并分別利用稀鹽酸和氫氧化鈉溶液調(diào)節(jié)溶液的酸堿性，探究指示劑的酸堿變色現(xiàn)象。

老師告訴我們，由于指示劑都是結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜的有機(jī)物，它們很有可能會(huì)表現(xiàn)出熒光的性能，也就是當(dāng)用紫外光照射指示劑溶液時(shí)，溶液有可能會(huì)發(fā)出熒光，這種熒光在防偽和檢測(cè)等方面具有重要的作用。在老師的指導(dǎo)下，我們進(jìn)一步探究了不同種類指示劑溶液的熒光性能，以及熒光溶液對(duì)不同種類金屬離子的感測(cè)能力。

一、實(shí)驗(yàn)藥品與器材

1.實(shí)驗(yàn)藥品

石蕊，酚酞，酸性品紅，堿性品紅，甲基紅，甲基橙，亞甲基藍(lán)，溴百里香酚藍(lán)，無水乙醇，蒸餾水，稀鹽酸，氫氧化鈉溶液，氯化鈉，氯化鉀，氯化鈣，氯化鋅，氯化鋇，氯化鎂，氯化銅，氯化鈷，氯化鎳，氯化亞鐵，氯化鐵。

2.實(shí)驗(yàn)器材

電子天平，紫外線分析儀，超聲波清洗機(jī)，燒杯，量筒，滴瓶，玻璃棒，樣品瓶，藥匙，膠頭滴管，稱量紙。

二、實(shí)驗(yàn)過程

1.配制質(zhì)量分?jǐn)?shù)約為0.1%的指示劑溶液

我們選取了實(shí)驗(yàn)室里寫有“IND”標(biāo)志的8 種指示劑固體藥品（如圖1），分別取少量藥品測(cè)試其在蒸餾水中的溶解性，發(fā)現(xiàn)酚酞、堿性品紅、甲基紅、溴百里香酚藍(lán)這4 種指示劑在水中的溶解性較差，于是我們選擇乙醇和水的混合液（1∶1）作為配制指示劑溶液的溶劑。

圖1 8 種指示劑藥品（上）、固體粉末（中）、溶液狀態(tài)（下）

使用電子天平依次準(zhǔn)確稱量0.05 g 的石蕊、酚酞、酸性品紅、堿性品紅、甲基紅、甲基橙、亞甲基藍(lán)、溴百里香酚藍(lán)并轉(zhuǎn)移至燒杯中，分別加入50 mL 乙醇和水的混合液，用超聲波清洗機(jī)進(jìn)行處理，使指示劑固體充分溶解，配制成質(zhì)量分?jǐn)?shù)約為0.1%的指示劑溶液，將其轉(zhuǎn)移至滴瓶中備用，并各取1.5 mL 轉(zhuǎn)移至樣品瓶中，記為編號(hào)1～8。對(duì)于含有少量不溶物的樣品（可能是藥品中有雜質(zhì)），先用傾析法除掉不溶物，再將溶液轉(zhuǎn)移至滴瓶和樣品瓶中。

2.探究酸堿性對(duì)指示劑溶液的顏色與熒光的影響

另取8 個(gè)樣品瓶，依次加入1.5 mL 的各種指示劑溶液，再分別加入約1 mL 稀鹽酸將溶液調(diào)至酸性，記為編號(hào)1a～8a。再取8個(gè)樣品瓶，各自加入1.5 mL 指示劑溶液，分別滴加約1 mL 氫氧化鈉溶液將樣品調(diào)至堿性，記為編號(hào)1b～8b。將8 組不同酸堿性的指示劑溶液樣品放置在白紙上，觀察樣品的顏色變化，并拍照記錄。再將樣品轉(zhuǎn)移到紫外線分析儀上，用365 nm 紫外光照射樣品，觀察樣品的發(fā)光情況，并拍照記錄。如圖2 所示，每組樣品從左到右依次為酸性、中性和堿性，左圖為日光燈照射下的樣品照片，右圖為365 nm 紫外燈照射下樣品的發(fā)光情況。日光燈下的樣品顏色與紫外燈下的樣品熒光記錄在表1 中。

表1 1～8、1a～8a、1b～8b 樣品在日光燈下的顏色與在紫外燈下的熒光

圖2 8 種指示劑溶液的酸堿變色情況與在紫外燈下的熒光情況

從表1 和圖2 中可以看出，石蕊、酚酞、甲基紅、甲基橙和溴百里香酚藍(lán)的溶液在酸性和堿性環(huán)境中表現(xiàn)出不同的顏色，因此可以作為分辨酸性和堿性的指示劑；亞甲基藍(lán)溶液的顏色始終呈藍(lán)色，堿性品紅溶液在酸性和堿性條件下均為黃色，因此不能作為酸堿指示劑。

我們發(fā)現(xiàn)，向酸性品紅溶液中加入稀鹽酸使酸性增強(qiáng)，溶液的紅色會(huì)加深；而向酸性品紅溶液中加入氫氧化鈉溶液調(diào)至堿性，溶液會(huì)褪為無色。因此我們認(rèn)為酸性品紅可以作為酸堿指示劑，這與網(wǎng)上查閱到的資料有出入。

通過觀察在紫外燈下樣品的發(fā)光情況，我們發(fā)現(xiàn)，只有用稀鹽酸處理過的堿性品紅溶液（樣品編號(hào)4a）顯示出明亮的黃光，而其他溶液均不發(fā)光或發(fā)光十分微弱。這一發(fā)現(xiàn)啟發(fā)我們進(jìn)行下一步關(guān)于熒光的實(shí)驗(yàn)探索。

3.探究樣品4a 對(duì)不同種類金屬離子的熒光感測(cè)能力

依次稱量0.05 g 的氯化鈉、氯化鉀、氯化鈣、氯化鋅、氯化鋇、氯化鎂、氯化銅、氯化鈷、氯化鎳、氯化亞鐵、氯化鐵固體，分別加入10 mL 蒸餾水，配制成濃度約為5 g/L 的鹽溶液。

在11 個(gè)樣品瓶中各自加入2 mL 用稀鹽酸調(diào)至酸性的堿性品紅溶液（編號(hào)4a），分別向其中滴入10 滴上述配制的鹽溶液，依次記為編號(hào)A～K。將樣品放置在桌面上，拍照記錄日光燈下的顏色；再將樣品轉(zhuǎn)移至紫外燈下，用365 nm 紫外光照射，觀察樣品的發(fā)光情況。日光燈下的樣品顏色與在紫外燈下的樣品熒光記錄在表2 中。

表2 樣品A～K 在日光燈下的顏色與在紫外燈下的熒光

如圖3 所示，在日光燈照射下，加入氯化銅的樣品（編號(hào)G）顯示出淺綠色，加入氯化鈷的樣品（編號(hào)H）顯示出淺粉色，加入氯化鐵的樣品（編號(hào)K）其黃色有所加深。然而，在365 nm 紫外燈的照射下，只有編號(hào)G 和編號(hào)K 的黃色熒光大幅減弱，表現(xiàn)出明顯的熒光淬滅現(xiàn)象；而其他樣品的熒光則沒有明顯變化。因?yàn)檫@些氯化物在水溶液中是以離子的形式存在的，且構(gòu)成它們的陰離子都是氯離子，只有金屬陽(yáng)離子有所差異。由此可以認(rèn)為，酸性條件下的堿性品紅溶液僅對(duì)銅離子和鐵離子兩種金屬離子顯示出熒光淬滅行為，因此在理論上可以作為一種有效的熒光檢測(cè)材料，用來檢測(cè)環(huán)境中是否含有銅離子和鐵離子。

圖3 向樣品4a 中滴加各種鹽溶液后，在日光燈下的顏色與在紫外燈下的熒光情況

三、實(shí)驗(yàn)結(jié)論

通過本次的實(shí)驗(yàn)室指示劑探究實(shí)驗(yàn)，我們發(fā)現(xiàn)石蕊溶液、酚酞溶液、酸性品紅溶液、甲基紅溶液、甲基橙溶液和溴百里香酚藍(lán)溶液都可以用作檢測(cè)酸性與堿性的指示劑。通過對(duì)熒光的探究，我們又驚奇地發(fā)現(xiàn)了酸性條件下的堿性品紅溶液具有熒光性能，且能利用熒光淬滅這一行為來檢測(cè)微量的銅離子與鐵離子。

經(jīng)過反思，我們也發(fā)現(xiàn)了實(shí)驗(yàn)中的不足之處以及有待研究的問題。例如，指示劑的用量如何對(duì)顏色變化的效果產(chǎn)生影響，酸性條件下的堿性品紅溶液具有熒光性質(zhì)的原因、銅離子和鐵離子會(huì)導(dǎo)致熒光減弱的原理等。我們會(huì)進(jìn)一步進(jìn)行探究和查閱資料，來解決這些存留的問題。

專家點(diǎn)評(píng)

作者結(jié)合學(xué)科知識(shí)，學(xué)以致用，精心設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)并進(jìn)行細(xì)致的觀察和討論，發(fā)現(xiàn)化學(xué)在生活中的作用，充分體現(xiàn)了作者對(duì)化學(xué)學(xué)習(xí)的熱愛。在實(shí)驗(yàn)過程中，實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)規(guī)范，實(shí)驗(yàn)方法準(zhǔn)確，實(shí)驗(yàn)觀察細(xì)致，實(shí)驗(yàn)描述和表達(dá)比較準(zhǔn)確。

然而，實(shí)驗(yàn)中的表述不夠嚴(yán)謹(jǐn)，例如“對(duì)于含有少量不溶物的樣品（可能是藥品中有雜質(zhì)），先使用傾析法除掉不溶物，再將溶液轉(zhuǎn)移至滴瓶和樣品瓶中”，這里提到的含有少量不溶物，有可能是溶液飽和，也有可能是雜質(zhì)。另外，編號(hào)寫在瓶身上會(huì)影響觀察，建議將編號(hào)用標(biāo)簽紙貼在樣品瓶瓶蓋上。