摘要: 就植物酸鹼指示劑材料的篩選，植物色素提取液的穩定性，色素晶體的提取，色素臨時提取液的變色情況測試，色素提取液測酸雨等方面進行研究，旨在學會科學研究的方法。 1、問題的提出 隨着城市工業化，各地區對酸雨監測和防治的力度加強。化學課外興趣小組用廣泛pH試紙、精密pH試紙來測試雨水。結果發現：廣泛pH試紙色階大，只能測1個大概；精密pH試紙測量誤差大，效果不理想；而pH計較昂貴，也沒有pH計供每個小組使用。怎麼辦呢?我們受“花與酸、鹼作用變色”啓發，採用科學研究中的“移植法”，尋找身邊的植物及提取液替代pH試紙測酸雨pH。 2、實驗探究 2.1 材料的篩選 2.1.1 研究植物對酸鹼溶液的反應 取新鮮植物研碎，加少量無水酒精，將提取液滴加在酸鹼溶液中，觀察其變色情況。記錄見表1。 注：√爲明顯變色；×爲不變色；○爲變色不明顯 實驗發現紫色植物和紅色植物對酸鹼的敏感性強。於是我們將進1步實驗的對象鎖定在這兩類植物上。 2.1.2 植物色素提取液的穩定性實驗研究 選材：紫油菜薹、紫蘿蔔皮、紅蘿蔔皮、報春花瓣。 實驗研究：①光穩定性實驗：室溫下，將色素的酒精浸取液光照，觀察其顏色變化，並記錄；②熱穩定性實驗：將色素的酒精浸取液加熱至沸騰，觀察其顏色變化，並記錄，見表2。 實驗的結果讓我們失望，光穩定性這麼差，怎能用作指示劑呢? 反思：爲什麼色素在油菜皮、蘿蔔皮中風吹、日曬、雨淋都不褪色?是否菜皮中有某種對色素起穩定作用的物質呢?如果我們能將這種物質1起浸取出來，色素不就穩定了嗎? 我們進行了浸取試劑選擇的實驗。選用水、純酒精、稀鹽酸、稀NaOH溶液浸泡紫油菜薹皮，2天后，取各種浸取液稀釋，調成中性，再加入酸鹼溶液做變色實驗，結果發現：①蒸餾水浸取液可變色，但濃度小顏色淺，效果不好；②酒精浸取液可變色，且浸取液顏色濃，效果好；③酸浸取液變色明顯，但浸取效果不如酒精，加熱溶液卻不褪色，說明色素在酸性條件下很穩定；④鹼浸取液遇酸已不變色———推測色素已被鹼破壞。 經過多次實驗，最後選擇用酸與酒精的混合液提取色素(酒精和酸的比例爲：100mL 95%的酒精與1.5mL 36%~38%的鹽酸混合)。 2.2 提取色素晶體的研究 爲了使實驗數據更準確，實驗更具操作性，計劃將浸取液濃縮成晶體，以便配成標準溶液。 2.2.1 對紫蘿蔔皮和紫油菜薹皮提取液進行常壓蒸餾和減壓蒸餾 ①裝置：普通蒸餾裝置、減壓蒸餾裝置。(蒸餾燒瓶、冷凝管、抽濾瓶、溫度計等) ②實驗結果：兩種蒸餾方法得到的產物性能相同，但減壓蒸餾速度快。 減壓蒸餾的數據如下： 紫油菜薹皮提取液：沸騰55℃；濃縮保持在75℃左右紫蘿蔔提取液：沸騰40℃；濃縮保持在80℃左右加熱至色素炭化均未析出晶體———無法直接蒸餾出晶體。我們考慮能否用有機溶劑萃取後再蒸餾提純。 2.2.2 萃取劑研究 ①濃縮液+石油醚 分層，有機層中幾乎無色素———說明色素更易溶於水中，而不易溶於非極性溶劑中。 ②濃縮液+乙醚(極性較石油醚強) 有機層不能萃取出色素。 ③濃縮液+環己醇 不分層，呈乳濁液狀——不行。 ④濃縮液+異戊醇 分層，但水層顏色深於有機層顏色——不好。 ⑤濃縮液+乙酸乙酯 分層，效果比異戊醇更差——不行。 上述實驗效果都不理想，說明該色素極性強，不宜用有機溶劑萃取。由於實驗設備及條件有限，我們只得放棄了制色素晶體的研究，另找出路。 2.3 精確測量濃縮液在酸、鹼溶液中的變色範圍 前面的實驗擱淺，我們不得不從另1個角度去思考解決問題的方法。經過反覆討論，決定直接用濃縮液與1定pH值的緩衝溶液作用，制標準色階。取雨水滴加同量的指示劑，再作對比。 2.3.1緩衝溶液的配製 2.3.2 標準濃縮液的製備 95%酒精與36%~38%鹽酸的混合溶液50mL，浸泡50g紫油菜薹皮(紫蘿蔔皮)，得浸取液並濃縮至5mL~6mL。 2.3.3 製成對比色階 (1)紫油菜薹皮標準濃縮液的對比色階 ①製作：紫油菜薹皮標準濃縮液3滴+緩衝溶液5mL ②基本色階 3.6 4.0 4.4 4.6 5.0 5.4 5.6 ③色階穩定性記錄及結論(普通光線，室溫)： ▲最初，溶液顏色很深，色變不明顯，緊接着出現褪色現象； ▲6min~10min，出現非常明顯的色階； ▲10min，顏色穩定； ▲1h，pH=4.4和pH=4.6的溶液顏色因爲酸度差距小，色階不很明顯； ▲3h，顏色無明顯改變； ▲24h，顏色不變；再在陽光下直射30min後觀察，未見顏色變化； ▲72 h，有些褪色，仍能保持明顯的色階。 結論：標準色階長時間放置有褪色現象，所以使用時應臨時配製。所測雨水和指示劑作用的時間，與緩衝溶液和指示劑作用的時間應保持1致，測得的pH才科學和準確。 研究證明最佳比色時間爲：加入標準濃縮液10min後。將紫油菜薹皮標準濃縮液3滴+緩衝溶液5mL放入冰箱中，隨時取用。 (2)紫蘿蔔皮標準濃縮液的對比色階 ①製作：紫蘿蔔皮標準濃縮液3滴+緩衝溶液5mL ②基本色階： 3.6 4.0 4.4 4.6 5.0 5.4 5.6 ③色階穩定性記錄及結論(普通光線，室溫)： ▲滴入2min後，即可看出褪色情況，色階明顯； ▲10min後，顏色又變淺； ▲將其在陽光下直射15min後顏色變淺，色階仍然明顯； ▲1.5h後，紫色褪去，但仍能看出色階； 結論：可用。但由於溶液光敏性差1些，效果不及紫油菜薹皮。 2.4 測試色素臨時提取液的.變色情況 由第3階段實驗，我們想，若直接採用植物色素臨時提取液，不加濃縮直接做成色階對比，效果會怎樣呢?如效果好，就會簡化測酸雨的程序。 我們又作臨時取用植物做指示劑的實驗。即：95%酒精100mL加36%~38%鹽酸1.5mL配製的提取液，浸泡新鮮的紫甘藍葉、報春花皮、紫油菜薹皮、紫蘿蔔皮等研磨物，直接用浸取液制色階，但由於指示劑濃度小，色階不如濃縮液明顯，且光照後褪色現象更爲突出，所以應當採用濃縮液製備色階。 結論：用易找又穩定的紫油菜薹皮提取濃縮液作酸雨測試劑爲最好方案。 3、結論 (1)通過1系列的實驗研究，我們認爲採用紫油菜薹皮既易找又穩定且色階顯著，最適於做植物酸鹼指示劑測酸雨。 (2)這種方法提取出的色素有食用價值，可以大規模提取、生產、加工，應進1步研究。 4、問題和思考 (1)實驗中發現，凡是紫色物質用95%酒精加36%~38%鹽酸的混合液浸泡後的液體，與1定pH的溶液作用現象相似。這紫色植物是不是都含有花青素?還有待進1步鑑定和核實。 (2)時間短暫，有沒完善的實驗。例如：指示劑與酸鹼溶液反應後，對其光敏性的測試，應當有更準確的數據，可用光電比色計做進1步的分析。 (3)受季節限制，還有許多植物的變色情況沒有進行測試。 5、收穫與感悟 (1)學會了科學分析研究的方法。懂得了該怎樣去思考問題，怎樣制定實驗方案，怎樣進行方案篩選，怎樣查閱資料，怎樣運用所學的知識去解釋各種實驗現象，怎樣打破思維定勢從不同角度去考慮、解決問題。 (2)實驗中學了不少化學知識和基本操作，真正體會到了“學以致用”的樂趣，更加激發起我們的學習慾望和熱情。 (3)在研究中，沒有現成的方案，也沒有標準答案，全靠自己去思考、設計、實驗。我們走了不少彎路，有時甚至陷於絕望的境地，真正瞭解到了科學研究的艱難和曲折，領會到了堅忍不拔、不怕困難的鑽研精神的可貴。 參考文獻： [1] 袁冬梅，王愛麗.化學世界，1999，40(10)：539-541 [2] 閻福林，王改萍，胡雪原.化學世界，1999，40(10)：536-538
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