揭秘彩虹管現(xiàn)象*
——制作彩虹管的實(shí)驗(yàn)探究

李曼曼 李德前

（1.睢寧縣嵐山中學(xué) 江蘇 徐州 221217；2.徐州市西苑中學(xué) 江蘇 徐州 221002；3.徐州市李德前化學(xué)名師工作室 江蘇 徐州 221002）

酸堿中和反應(yīng)是初中階段非常重要的反應(yīng)類型。如果在酸或堿溶液中預(yù)先加入指示劑再進(jìn)行中和反應(yīng)，那么反應(yīng)期間由于酸堿混合液上下各部分的酸堿度不同，溶液中就會出現(xiàn)好幾層不同的顏色，像彩虹一樣，我們形象地稱之為“彩虹管”實(shí)驗(yàn)［1］。

天然酸堿指示劑含有的色素種類多，能夠呈現(xiàn)多種不同的顏色（如黑枸杞酸堿指示劑能呈現(xiàn)的顏色有玫紅、紅、粉、紫、藍(lán)、綠、黃等10多種），這就為彩虹管實(shí)驗(yàn)提供了能呈現(xiàn)多彩現(xiàn)象的變色條件。

一、問題的提出

前不久，我們做了如下實(shí)驗(yàn)：在一支試管中加入適量的稀鹽酸，滴加了幾滴黑枸杞指示劑（溶液呈現(xiàn)玫紅色），然后逐滴加入氫氧化鈉溶液，隨著反應(yīng)不斷進(jìn)行，溶液逐漸分出了好幾層顏色，從底到上分別呈現(xiàn)黃、黃綠、綠、藍(lán)、紫、粉、玫紅等顏色，色層之間還有漸變過渡層（見圖1，左邊是實(shí)物圖、右邊是示意圖），宛若彩虹，煞是漂亮，且很穩(wěn)定（在靜置條件下，該現(xiàn)象可以維持5小時(shí)以上）。

圖1 在試管里借助中和反應(yīng)做彩虹管實(shí)驗(yàn)

之后，我們又反向用鹽酸加入滴有黑枸杞指示劑的氫氧化鈉溶液中，卻發(fā)現(xiàn)難以出現(xiàn)彩虹管現(xiàn)象。那么呈現(xiàn)彩虹管現(xiàn)象的原因和條件是什么呢？我們進(jìn)行了如下實(shí)驗(yàn)探究。

二、猜想與假設(shè)

1.主要猜想

因?yàn)槭菤溲趸c溶液滴入稀鹽酸中出現(xiàn)彩虹管現(xiàn)象，猜想之一可能是氫氧化鈉溶液密度大于稀鹽酸，所以傾向于向溶液下方運(yùn)動，形成對流，加之氫氧化鈉溶液將重力勢能轉(zhuǎn)化為動能，加速對流，使得氫氧化鈉溶液未完全被鹽酸消耗便沉入底部，溶液從底到上分別呈現(xiàn)堿性、中性、酸性。我們查找了氫氧化鈉溶液和鹽酸的濃度與密度表（見表1），并做成雙曲線圖（見圖2）。

圖2 氫氧化鈉溶液與鹽酸密度比較

圖3 用10%氫氧化鈉溶液逐滴加入5%稀鹽酸中的先后現(xiàn)象

由上圖可知，同等濃度的氫氧化鈉溶液和鹽酸，前者密度均大于后者，且濃度越大，密度相差越大，實(shí)驗(yàn)室常用的稀鹽酸濃度是8.5%左右（1∶4的鹽酸），氫氧化鈉溶液濃度在10%左右，所以證實(shí)了我們的猜想之一。

2.其他猜想

除了反應(yīng)物的密度、濃度有影響外，決定彩虹管現(xiàn)象的可能還有試管中鹽酸溶液高度和試管口徑以及試管形狀等。另外，不同酸堿指示劑的種類也決定彩虹管呈現(xiàn)色層現(xiàn)象不同。

三、初探——溶液濃度對彩虹管實(shí)驗(yàn)的影響

本組實(shí)驗(yàn)統(tǒng)一選用15 mm×150 mm 試管，鹽酸取6 mL，在試管內(nèi)所占高度約為45 mm，均選用了黑枸杞指示劑作為酸堿指示劑。實(shí)驗(yàn)時(shí)，固定好試管，采用將氫氧化鈉溶液逐滴滴入鹽酸中的方法。

1.實(shí)驗(yàn)一

先在10%的鹽酸中滴入3 滴黑枸杞指示劑，再將不同濃度的氫氧化鈉溶液分別滴入10%鹽酸中（不要將氫氧化鈉溶液注入鹽酸中，以防過量、攪動色層），實(shí)驗(yàn)分析數(shù)據(jù)見表2。

表2 不同濃度氫氧化鈉溶液分別滴入10%鹽酸中

2.實(shí)驗(yàn)二

先在5%的鹽酸中滴入3滴黑枸杞指示劑，再將不同濃度氫氧化鈉溶液分別滴入5%鹽酸中（不要將氫氧化鈉溶液注入鹽酸中，以防過量、攪動色層），實(shí)驗(yàn)分析數(shù)據(jù)見表3。

表3 不同濃度氫氧化鈉溶液分別滴入5%鹽酸中

通過上述兩組6個(gè)實(shí)驗(yàn)初步得出如下結(jié)論：

（1）溶液密度確實(shí)影響彩虹管實(shí)驗(yàn)，在該實(shí)驗(yàn)中，氫氧化鈉溶液的密度要明顯大于鹽酸的密度，且接近或者略大都不合適。

（2）可以做彩虹管的組合有15%氫氧化鈉溶液與10%鹽酸，10%氫氧化鈉溶液與5%鹽酸，15%氫氧化鈉溶液和5%鹽酸。其中，10%氫氧化鈉溶液加入5%鹽酸中現(xiàn)象最佳。

在上述實(shí)驗(yàn)中，僅有三層色層現(xiàn)象，且中間層不穩(wěn)定，那么要形成相對穩(wěn)定的彩虹管實(shí)驗(yàn)還有哪些影響因素呢？

四、再探——揭秘相對穩(wěn)定的彩虹管實(shí)驗(yàn)

到底是什么原因不能形成相對穩(wěn)定的彩虹管實(shí)驗(yàn)?zāi)兀课覀冋业街白鰧?shí)驗(yàn)的氫氧化鈉溶液再試了一次發(fā)現(xiàn)可以復(fù)原現(xiàn)象，并觀察到實(shí)驗(yàn)中有細(xì)小的氣泡產(chǎn)生。原來，之前用的氫氧化鈉溶液是輕微變質(zhì)的，已經(jīng)有部分碳酸鈉生成的氫氧化鈉溶液——原來產(chǎn)生穩(wěn)定彩虹管現(xiàn)象的秘密還有碳酸鈉的作用。

那么碳酸鈉的參與到底有什么影響呢？通過色層的分析，我們大膽猜想，彩虹管中從底到上決定溶液酸堿性的溶質(zhì)分別是氫氧化鈉、碳酸鈉、碳酸氫鈉、氯化鈉、氯化氫，它們分別顯示強(qiáng)堿性、適中堿性、弱堿性、中性、酸性——這樣就解釋通了。

眾所周知，變質(zhì)的氫氧化鈉溶液中存在碳酸鈉，那氫氧化鈉溶液中含有多少碳酸鈉才能形成美麗的彩虹管現(xiàn)象呢？碳酸鈉對溶液密度的影響大嗎？

通過反復(fù)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：100 mL的15%氫氧化鈉溶液中加入約1 g 的碳酸鈉固體，或者100 mL 的10%氫氧化鈉溶液中加入約0.7 g碳酸鈉固體最合適，加入偏多有氣泡產(chǎn)生，實(shí)驗(yàn)觀感不好，加入偏少分層效果不理想。因?yàn)榧尤氲奶妓徕c量比較少，且使氫氧化鈉溶液密度略有增加，實(shí)際上對氫氧化鈉溶液和鹽酸溶液的濃度選擇上并未有影響，還用上述分組實(shí)驗(yàn)中選擇的濃度即可。

五、拓展探究

1.試管內(nèi)鹽酸高度對彩虹管實(shí)驗(yàn)的影響

試管內(nèi)鹽酸高度也決定著實(shí)驗(yàn)結(jié)果，溶液高度越高，氫氧化鈉溶液滴入后下沉越慢，在此過程中氫氧化鈉溶液還沒來得及墜入底部可能已經(jīng)被鹽酸消耗完，就不能呈現(xiàn)分層現(xiàn)象了。

我們將15%氫氧化鈉溶液分別滴入5%鹽酸中，鹽酸分6 種高度，即20 mm、30 mm、50 mm、70 mm、90 mm、110 mm；通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，試管中鹽酸的最佳高度在30～70 mm 之間，有效高度在20～110 mm 之間，超出110 mm 時(shí)溶液混溶不分層，低于20 mm 時(shí)溶液高度不夠，不利于觀察分層現(xiàn)象。

需要注意的是，如果鹽酸高度較高，超出70 mm時(shí)，需要濃度較大的氫氧化鈉溶液，例如15%以上。

2.試管口徑粗細(xì)對彩虹管實(shí)驗(yàn)的影響

經(jīng)過幾次試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，試管的口徑大小對彩虹管實(shí)驗(yàn)的影響不大。通常口徑為15～20 mm之間的試管，既現(xiàn)象明顯，又節(jié)省試劑。

不建議更換太大口徑的試管（例如30 mm以上口徑的），這樣會造成藥品浪費(fèi)。

3.不用試管能否做成彩虹管實(shí)驗(yàn)

事實(shí)上，從趣味性考慮，利用彎曲管、U 形管、物理連通器也能做彩虹管實(shí)驗(yàn)（見圖4，左邊是實(shí)物圖、右邊是示意圖）。

圖4 在U形管里借助中和反應(yīng)做彩虹管實(shí)驗(yàn)

如用U形管（150 mm×15 mm）做該實(shí)驗(yàn)［2］，也是事先在U形管中加入40 mm高度的5%鹽酸，先滴入3～5滴黑枸杞指示劑并振蕩，溶液變?yōu)槊导t色；然后分別向兩個(gè)支管同時(shí)逐滴滴入15%的氫氧化鈉溶液，然后也會出現(xiàn)分層現(xiàn)象，并與試管中現(xiàn)象一致，因?yàn)槭请p管，實(shí)驗(yàn)也更加有趣。

需要說明的是，上述彩虹管實(shí)驗(yàn)涉及的都是放熱反應(yīng)，從而引起混合溶液溫度略有上升、密度略有減小；由于采用的是密度大的氫氧化鈉溶液加入密度小的鹽酸中，密度差變大對反應(yīng)現(xiàn)象是正向的影響，因此可以忽略反應(yīng)放熱對該實(shí)驗(yàn)的影響。

六、結(jié)語

通過上面的研究可知，形成彩虹管實(shí)驗(yàn)的必要條件是在鹽酸（溶質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)在5%～10%之間）中事先滴入適量黑枸杞指示劑，再將含有少量碳酸鈉的氫氧化鈉溶液（溶質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)在10%～15%之間）逐滴滴入鹽酸溶液中。形成彩虹管實(shí)驗(yàn)的輔助條件是在試管或U形管中做此實(shí)驗(yàn)，需要控制鹽酸液面高度在30～70 mm之間，試管或U形管的口徑選擇15～20 mm之間。

本文僅僅探究黑枸杞指示劑在氫氧化鈉溶液和鹽酸反應(yīng)時(shí)形成彩虹管的原因及影響因素，實(shí)際上其他酸堿溶液、植物酸堿指示劑，也應(yīng)該在某些條件下可以形成類彩虹管現(xiàn)象，不再贅述。