利用紫甘藍汁和pH傳感器探究二氧化碳與氫氧化鈉溶液的反應

夏琴 楊硯寧 毛明

摘要：針對滬教版初中化學教材中“氫氧化鈉溶液與二氧化碳氣體反應”的實驗作了改進設計。利用紫甘藍汁稀釋液作指示劑、干冰代替二氧化碳氣體，由手持pH計的“斷點式”檢測，繼而改用pH數字傳感器“連續式”檢測干冰與氫氧化鈉溶液的反應過程，通過觀察混合液酸堿度和紫甘藍汁的色差變化，從定性、定量和時間延續三個維度證明氫氧化鈉與二氧化碳發生反應的變化過程。實驗方法嚴謹，實驗現象明顯，突破了傳統實驗只用試管間斷性檢驗的局限性。

關鍵詞：CO2與NaOH溶液反應；自制紫甘藍汁指示劑；酸堿度；pH傳感器；實驗探究

文章編號：1005–6629（2016）10–0039–03 中圖分類號：G633.8 文獻標識碼：B

《義務教育化學課程標準（2011年版）》在“課程性質”中指出“化學是一門以實驗為基礎的學科，在教學中創設以實驗為主的科學探究活動，有助于激發學生對科學的興趣，引導學生在觀察、實驗和交流討論中學習化學知識，提高學生的科學探究能力”[1]。可見，實驗教學在化學課堂教學中占據著十分重要的地位，而創新實驗增強了化學課堂的趣味性與探究性，更加高效地服務于教學，貼合現代化學教學的需求。

氫氧化鈉溶液與二氧化碳氣體的反應是滬教版九年級化學教材“常見的酸和堿”[2]中的一個知識點。作為知識點的引入，如果這個反應在試管或者燒杯中進行，一般沒有明顯的實驗現象。以往教學中，通常在密閉容器中探究實驗過程中的氣壓變化，或者通過檢驗反應后的生成物碳酸鈉[3]間接證明反應的發生。以上方法比較傳統，趣味性和自主性不強。本研究試圖通過指示劑顏色的多層次變化和連續計量的方式來證明該反應的發生，使實驗變得可視、科學、有趣。

為了增強趣味性和自主性，筆者先對指示劑進行了改進，利用紫甘藍汁稀釋液作為酸堿指示劑[4]。先用手持式pH計檢測不同酸堿度溶液的pH，然后加入一定比例的紫甘藍汁稀釋液，通過觀察紫甘藍呈現的顏色，來確定相應顏色對應的pH范圍，從而選擇紫甘藍汁稀釋液的最佳顯色區域。考慮到教學現場制取大量二氧化碳耗時較長，因此本實驗選用干冰來代替二氧化碳氣體。將pH數字傳感器[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，能快速地產生大量二氧化碳氣體并向上散逸，與氫氧化鈉溶液持續發生反應。在此反應過程中，紫甘藍的顏色也隨之發生豐富的變化，pH傳感器則連續測出溶液pH變化的數據和曲線，從而定量測定溶液酸堿度的變化。前者為表象，后者為數據，二者互為佐證，證明了二氧化碳與氫氧化鈉溶液反應的發生。

1 背景實驗

1.1 自制紫甘藍汁指示劑

（1）將紫甘藍切成小塊，進行榨汁。

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

（3）將紫甘藍汁與蒸餾水以1：25的體積比混勻、稀釋。

1.2 用紫甘藍汁稀釋液作指示劑間歇測定溶液酸堿度變化

（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計測定其酸堿度。

（2）向8種溶液中分別加入紫甘藍汁稀釋液，充分攪拌，溶液呈現不同顏色。

1.3 測試結果

2 創意實驗

2.1 實驗用品

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

氫氧化鈉溶液（0.1 mol·L-1）、干冰、紫甘藍1棵、蒸餾水等

2.2 實驗過程

（1）在3個玻璃瓶上分別標注1號、2號、3號，在3個瓶中各加入400mL一定濃度的紫甘藍汁稀釋液。

（2）在1號瓶中加入200mL蒸餾水，在2號、3號瓶中分別加入200mL 0.1 mol·L-1的氫氧化鈉溶液，使3個瓶內的溶液體積保持一致。其中，1號瓶是用作空白對照，2號瓶與3號瓶起始狀態一致，用來與3號瓶即將發生的反應作對比。

（3）在3號瓶中插入pH傳感器探頭，浸入溶液中，再連接數據采集器。向3號瓶所盛溶液中投入幾塊干冰。測定溶液的pH變化，觀察實驗過程中的現象（如圖1所示）。

2.3 現象描述

觀察3號瓶內發生的現象：干冰在溶液中立即產生了大量氣泡，在瓶口形成了云霧繚繞的景象，瓶內溶液的顏色由原來的綠色逐漸轉變為深綠，繼而變為翠綠，緊接著轉化為淺綠，然后慢慢變為湖藍、天藍、青藍，最終變為紫色。從紫甘藍汁顏色變化的多樣性，結合圖1所測得的相關數據，從定性和半定量的角度，可以感知到溶液的酸堿度發生了變化。

與此同時，pH數字傳感器采集到反應過程中連續變化的數據，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生反應的過程。

2.4 結論

（1）打破傳統的通過檢驗實驗中氣壓變化或產物來間接證明反應發生的方法，將二氧化碳與氫氧化鈉溶液的反應過程從視覺上和數據上連續地呈現出來，奇妙的化學現象給教學帶來了豐富的視覺刺激。整個實驗過程所需要的時間在2分鐘以內，既適合作為課堂演示實驗，也可以作為學生的探究實驗，有較好的教學價值。

（2）用干冰代替二氧化碳氣體，操作簡便，既體現了物質的多樣性，又營造出了云霧繚繞的奇妙景象，增強了實驗的趣味性，讓學生體驗化學之美；用生活中的常見蔬菜紫甘藍汁液代替傳統的指示劑紫色石蕊試液，拉近了化學與生活的距離，體現了生活化學的理念；利用紫甘藍顏色多變的特點，也讓學生初步了解指示劑變色范圍的概念，為將來指示劑的學習作鋪墊。

（3）用pH計間斷性檢測與用數字傳感器連續性檢測作對比，使氫氧化鈉與二氧化碳的反應更具有可視性、科學性。本實驗的改進體現了實驗的定性、定量的融合和數字傳感技術的有效使用。

3 本實驗用紫甘藍汁調配與顯色區域的探究

3.1 紫甘藍汁提取液稀釋調制的配比

本實驗用原汁機榨取紫甘藍汁原液，原液為深紫色，若濃度過大，紫甘藍汁自身的紫色會干擾實驗現象的觀察。為了增強實驗的視覺效果，通過控制變量進行反復實驗，得出紫甘藍汁原液與蒸餾水以1：25的體積比進行稀釋，能獲得較好的實驗效果。

3.2 紫甘藍汁稀釋液顯色區域的選擇

從使用手持pH計間歇測定紫甘藍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環境的溶液中顏色變化非常豐富。查閱資料可知紫甘藍汁液顯色的有效成分是花青素（其結構如圖2所示）[7]，花青素在堿性較強時，其結構會發生轉變，因此實驗結束時無法轉變為紫色。

為了觀察到溶液更多層次的顏色變化，筆者反復多次實驗。發現若使紫甘藍汁與氫氧化鈉溶液混合后起始色為黃色（此時溶液堿性較強），在實驗過程中，縱使加入足量的干冰，直至溶液pH小于7時，溶液顏色的變化始終在黃色區間，最終呈現灰色，溶液色彩變化比較單一，少了感官上的視覺美感。本實驗中，筆者選擇pH約為12.8的綠色溶液（傳感器測定與手持pH計測定有一定誤差）作為起始顏色，整個實驗過程中，溶液的顏色在綠色、藍色、紫色三個顏色區間內進行逐層次的轉變，可謂美輪美奐。

參考文獻：

[1]中華人民共和國教育部制定.義務教育化學課程標準[S].北京：北京師范大學出版社，2011：2.

[2]王祖浩主編﹒義務教育教科書·化學（九年級下冊）[M].上海：上海教育出版社，2012：46.

[3]李瓊﹒二氧化碳和氫氧化鈉溶液反應的實驗探究[J].新課程學習（上旬），2014，（8）：6.

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

[5]蔡碧霞﹒利用現代傳感技術繪制酸堿中和滴定曲線[J].化學教育，2009，（11）：56.

[6]華中師范大學等編.分析化學（上冊）[M].北京：高等教育出版社，2001：139.

[7]高攀峰，侯金麗，傅海燕等﹒紫甘藍花青素三種提取工藝對比研究[J].食品研究與開發，2015，（12）：37.