植物酸碱指示剂研究及应用-一次有趣的研究性学习
毕业论文
摘要: 就植物酸碱指示剂材料的筛选，植物色素提取液的稳定性，色素晶体的提取，色素临时提取液的变色情况测试，色素提取液测酸雨等方面进行研究，旨在学会科学研究的方法。 1、问题的提出 随着城市工业化，各地区对酸雨监测和防治的力度加强。化学课外兴趣小组用广泛pH试纸、精密pH试纸来测试雨水。结果发现：广泛pH试纸色阶大，只能测1个大概；精密pH试纸测量误差大，效果不理想；而pH计较昂贵，也没有pH计供每个小组使用。怎么办呢?我们受“花与酸、碱作用变色”启发，采用科学研究中的“移植法”，寻找身边的植物及提取液替代pH试纸测酸雨pH。 2、实验探究 2.1 材料的筛选 2.1.1 研究植物对酸碱溶液的反应 取新鲜植物研碎，加少量无水酒精，将提取液滴加在酸碱溶液中，观察其变色情况。记录见表1。 注：√为明显变色；×为不变色；○为变色不明显 实验发现紫色植物和红色植物对酸碱的敏感性强。于是我们将进1步实验的对象锁定在这两类植物上。 2.1.2 植物色素提取液的稳定性实验研究 选材：紫油菜苔、紫萝卜皮、红萝卜皮、报春花瓣。 实验研究：①光稳定性实验：室温下，将色素的酒精浸取液光照，观察其颜色变化，并记录；②热稳定性实验：将色素的酒精浸取液加热至沸腾，观察其颜色变化，并记录，见表2。 实验的结果让我们失望，光稳定性这么差，怎能用作指示剂呢? 反思：为什么色素在油菜皮、萝卜皮中风吹、日晒、雨淋都不褪色?是否菜皮中有某种对色素起稳定作用的物质呢?如果我们能将这种物质1起浸取出来，色素不就稳定了吗? 我们进行了浸取试剂选择的实验。选用水、纯酒精、稀盐酸、稀NaOH溶液浸泡紫油菜苔皮，2天后，取各种浸取液稀释，调成中性，再加入酸碱溶液做变色实验，结果发现：①蒸馏水浸取液可变色，但浓度小颜色浅，效果不好；②酒精浸取液可变色，且浸取液颜色浓，效果好；③酸浸取液变色明显，但浸取效果不如酒精，加热溶液却不褪色，说明色素在酸性条件下很稳定；④碱浸取液遇酸已不变色———推测色素已被碱破坏。 经过多次实验，最后选择用酸与酒精的混合液提取色素(酒精和酸的比例为：100mL 95%的酒精与1.5mL 36%~38%的盐酸混合)。 2.2 提取色素晶体的研究 为了使实验数据更准确，实验更具操作性，计划将浸取液浓缩成晶体，以便配成标准溶液。 2.2.1 对紫萝卜皮和紫油菜苔皮提取液进行常压蒸馏和减压蒸馏 ①装置：普通蒸馏装置、减压蒸馏装置。(蒸馏烧瓶、冷凝管、抽滤瓶、温度计等) ②实验结果：两种蒸馏方法得到的产物性能相同，但减压蒸馏速度快。 减压蒸馏的数据如下： 紫油菜苔皮提取液：沸腾55℃；浓缩保持在75℃左右紫萝卜提取液：沸腾40℃；浓缩保持在80℃左右加热至色素炭化均未析出晶体———无法直接蒸馏出晶体。我们考虑能否用有机溶剂萃取后再蒸馏提纯。 2.2.2 萃取剂研究 ①浓缩液+石油醚 分层，有机层中几乎无色素———说明色素更易溶于水中，而不易溶于非极性溶剂中。 ②浓缩液+乙醚(极性较石油醚强) 有机层不能萃取出色素。 ③浓缩液+环己醇 不分层，呈乳浊液状——不行。 ④浓缩液+异戊醇 分层，但水层颜色深于有机层颜色——不好。 ⑤浓缩液+乙酸乙酯 分层，效果比异戊醇更差——不行。 上述实验效果都不理想，说明该色素极性强，不宜用有机溶剂萃取。由于实验设备及条件有限，我们只得放弃了制色素晶体的研究，另找出路。 2.3 精确测量浓缩液在酸、碱溶液中的变色范围 前面的实验搁浅，我们不得不从另1个角度去思考解决问题的方法。经过反复讨论，决定直接用浓缩液与1定pH值的缓冲溶液作用，制标准色阶。取雨水滴加同量的指示剂，再作对比。 2.3.1缓冲溶液的配制 2.3.2 标准浓缩液的制备 95%酒精与36%~38%盐酸的混合溶液50mL，浸泡50g紫油菜苔皮(紫萝卜皮)，得浸取液并浓缩至5mL~6mL。 2.3.3 制成对比色阶 (1)紫油菜苔皮标准浓缩液的对比色阶 ①制作：紫油菜苔皮标准浓缩液3滴+缓冲溶液5mL ②基本色阶 3.6 4.0 4.4 4.6 5.0 5.4 5.6 ③色阶稳定性记录及结论(普通光线，室温)： ▲最初，溶液颜色很深，色变不明显，紧接着出现褪色现象； ▲6min~10min，出现非常明显的色阶； ▲10min，颜色稳定； ▲1h，pH=4.4和pH=4.6的溶液颜色因为酸度差距小，色阶不很明显； ▲3h，颜色无明显改变； ▲24h，颜色不变；再在阳光下直射30min后观察，未见颜色变化； ▲72 h，有些褪色，仍能保持明显的色阶。 结论：标准色阶长时间放置有褪色现象，所以使用时应临时配制。所测雨水和指示剂作用的时间，与缓冲溶液和指示剂作用的时间应保持1致，测得的pH才科学和准确。 研究证明最佳比色时间为：加入标准浓缩液10min后。将紫油菜苔皮标准浓缩液3滴+缓冲溶液5mL放入冰箱中，随时取用。 (2)紫萝卜皮标准浓缩液的对比色阶 ①制作：紫萝卜皮标准浓缩液3滴+缓冲溶液5mL ②基本色阶： 3.6 4.0 4.4 4.6 5.0 5.4 5.6 ③色阶稳定性记录及结论(普通光线，室温)： ▲滴入2min后，即可看出褪色情况，色阶明显； ▲10min后，颜色又变浅； ▲将其在阳光下直射15min后颜色变浅，色阶仍然明显； ▲1.5h后，紫色褪去，但仍能看出色阶； 结论：可用。但由于溶液光敏性差1些，效果不及紫油菜苔皮。 2.4 测试色素临时提取液的.变色情况 由第3阶段实验，我们想，若直接采用植物色素临时提取液，不加浓缩直接做成色阶对比，效果会怎样呢?如效果好，就会简化测酸雨的程序。 我们又作临时取用植物做指示剂的实验。即：95%酒精100mL加36%~38%盐酸1.5mL配制的提取液，浸泡新鲜的紫甘蓝叶、报春花皮、紫油菜苔皮、紫萝卜皮等研磨物，直接用浸取液制色阶，但由于指示剂浓度小，色阶不如浓缩液明显，且光照后褪色现象更为突出，所以应当采用浓缩液制备色阶。 结论：用易找又稳定的紫油菜苔皮提取浓缩液作酸雨测试剂为最好方案。 3、结论 (1)通过1系列的实验研究，我们认为采用紫油菜苔皮既易找又稳定且色阶显著，最适于做植物酸碱指示剂测酸雨。 (2)这种方法提取出的色素有食用价值，可以大规模提取、生产、加工，应进1步研究。 4、问题和思考 (1)实验中发现，凡是紫色物质用95%酒精加36%~38%盐酸的混合液浸泡后的液体，与1定pH的溶液作用现象相似。这紫色植物是不是都含有花青素?还有待进1步鉴定和核实。 (2)时间短暂，有没完善的实验。例如：指示剂与酸碱溶液反应后，对其光敏性的测试，应当有更准确的数据，可用光电比色计做进1步的分析。 (3)受季节限制，还有许多植物的变色情况没有进行测试。 5、收获与感悟 (1)学会了科学分析研究的方法。懂得了该怎样去思考问题，怎样制定实验方案，怎样进行方案筛选，怎样查阅资料，怎样运用所学的知识去解释各种实验现象，怎样打破思维定势从不同角度去考虑、解决问题。 (2)实验中学了不少化学知识和基本操作，真正体会到了“学以致用”的乐趣，更加激发起我们的学习欲望和热情。 (3)在研究中，没有现成的方案，也没有标准答案，全靠自己去思考、设计、实验。我们走了不少弯路，有时甚至陷于绝望的境地，真正了解到了科学研究的艰难和曲折，领会到了坚忍不拔、不怕困难的钻研精神的可贵。 参考文献： [1] 袁冬梅，王爱丽.化学世界，1999，40(10)：539-541 [2] 阎福林，王改萍，胡雪原.化学世界，1999，40(10)：536-538
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