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搖一搖再變色-組合顯示劑的顯色實驗
資料來源:科學研習月刊49-3

文/周芳妃 北一女中化學科教師
 
實驗室中常用的酸鹼指示劑種類繁 多, 顏色變化也各不相同, 如表一所 示。溶液在不同的酸鹼值, 指示劑會 呈現不同的顏色, 但是通常溶液中僅 能看到一次顏色的轉變。本實驗希望 利用同一杯醋酸溶液中, 因為底部鹼 性固體( 碳酸氫鈉或碳酸鈉) 不斷的 溶解及向上擴散, 造成杯中溶液的酸 鹼值, 因高度的不同而互異。此時若 溶液中存有多種指示劑, 則在杯中的 不同高度, 將呈現出多樣的顏色。因 此, 若能細心調配各種指示劑的組 合, 便能讓同一杯不同酸鹼值的溶液 中呈現不同的顏色, 也能讓學子了解 廣用指示劑的配製原理。
 
  一、實驗原理
表一  酸鹼指示劑的呈色
表一  酸鹼指示劑的呈色
  實驗室常見的酸鹼指示劑及其顏色變化如表一所示。酸鹼指示劑的變色範圍,常以溶液的酸鹼度pH值表示。以酚酞為例 ,溶液pH值,在8.2以下時呈 現無色; 溶液p H 值在1 0 . 0 以上時呈現 粉紅色。
 
醋酸在水溶液中會解離出氫離子,如下式:
 
方式

此時溶液呈酸性,若加入溴瑞香草酚 藍指示劑, 溶液呈現黃色。將碳酸鈉 溶於水中, 所產生的碳酸根離子和水 作用如下式,將產生氫氧根離子。此時溶液呈現鹼性,若加入溴瑞香草酚藍溶液則呈現藍色。  
方式

依上述, 如果將碳酸鈉固體加入裝 有醋酸溶液的玻璃瓶中, 由於固體密 度較大, 會沈在瓶底。此時稍加搖 晃, 部分的固體溶解, 產生的氫氧根 離子向上擴散, 酸鹼中和附近的一些 氫離子,造成不同高度的溶液其pH值 各不相同, 愈高處其值愈小, 酸性較 大。此時水溶液中若同時存在數種指 示劑, 便能在不同高度出現不同的顏 色。不同指示劑的顏色透過彼此混合 後, 其間的變化更加多樣。若顏色已 呈固定時, 再輕輕搖動瓶子, 讓瓶中 不同高度的溶液混合,使pH值產生變 化, 就可以在同一杯水溶液中看到很 多次的顏色變換, 非常漂亮。因此透 過本實驗, 只要耐心的將指示劑做適 當組合的嘗試, 當水溶液能陸續呈現 像彩虹般不同顏色時, 便具備自製廣 用指示劑的能力了。
 

二、實驗器材 
要進行以下實驗, 需準備下列器材 與藥品: 空玻璃瓶( 每個約2 0 0 - 2 5 0 m L , 4 個/ 組) 、滴管( 1 支/ 組) 、小刮勺 ( 1 支/ 組) 、試管刷( 1 支/ 組) 、2 % 醋酸( 1 0 0 mL/組)、碳酸氫鈉固體或碳 酸鈉固體( 每份1 . 0 g , 1 0 份/ 組) 、酸 鹼指示劑四種( 每種至少5 m L / 組)
【註】。 【註:酸鹼指示劑包含甲基橙、甲基紅、溴瑞 香草酚藍(也稱為溴瑞香草藍)及酚酞】
 

三、實驗步驟
1 . 配製或購買四種不同的酸鹼指示 劑, 甲基紅、甲基澄、溴瑞香草藍 及酚酞裝於滳瓶,其顏色如圖一。 2 . 取空玻璃瓶數個, 都裝大約八分滿 的水, 在各杯中分別滴入不同的酸 鹼指示劑大約1 0 滴( 可依據酸鹼指 示劑濃度,改變滴數)。 3 . 攪拌溶液並觀察顏色, 記下中性水 溶液中的指示劑顏色。 4.在各杯中分別加入2%醋酸10mL,攪拌溶液並觀察顏色, 記下酸性水溶 液中指示劑的顏色如圖二。 5.靜置後,在各瓶子中分別加入1.0g量 的碳酸氫鈉或碳酸鈉粉末, 先不要 攪拌, 如圖三。觀察溶液上層與下 層的顏色,如圖四。 6 . 手持杯子輕輕搖動一、兩下後, 均 放回桌上靜置數秒,再觀察顏色。 7 . 將四種酸鹼指示劑依表一之編號 為A 、B 、C 、D 。重複上述1 ~ 5 的步驟, 指示劑添加方法改為兩 種混搭、三種混搭及四種混搭, 例如( A + B ) 、( A + C ) 、( A + D ) … 、 ( A + B + C ) 、( A + C + D ) 、( B + C + D ) … 及 (A+B+C+D),以適當的比例組合。

四、實驗結果
進行這項實驗時,大家可一起先討 論四種酸鹼指示劑共有多少種混搭的 方式。等實驗結束之後, 再討論選出 自己最喜歡的混搭結果, 或是找出可 看到出現最多種顏色變化的配方, 再 進一步應用至練習調配廣用指示劑。 下列圖五及圖六舉例二項碳酸氫鈉與 碳酸鈉實驗結果的照片, 實驗操作都 非常簡單, 小小實驗就可以看到許多 顏色的變化,樂趣無窮,試試看喔!
圖一 四種酸鹼指示劑,由左而右依序為 圖二 四種酸鹼指示劑在醋酸水溶液中所
圖一 四種酸鹼指示劑,由左而右依序為
甲基紅、甲基澄、溴瑞香草藍及酚酞
圖二 四種酸鹼指示劑在醋酸水溶液中所
呈現的顏色,由左而右依序為甲基紅、甲基澄
、溴瑞香草藍及酚酞
圖三 於瓶中加入碳酸氫鈉粉末 圖四 四種酸鹼指示劑於醋酸與碳酸氫鈉
圖三 於瓶中加入碳酸氫鈉粉末 圖四 四種酸鹼指示劑於醋酸與碳酸氫鈉
混合物溶液中所呈現的顏色,由左而右依
序為甲基紅、甲基澄、溴瑞香草藍及酚酞
圖五 醋酸與碳酸氫鈉(NaHCO3)混合溶液中加入甲基紅、甲基澄、溴瑞香草藍及酚酞四種指
圖五 醋酸與碳酸氫鈉(NaHCO3)混合溶液中加入甲基紅、甲基澄、
溴瑞香草藍及酚酞四種指 示劑,並逐次輕搖瓶子,觀察顏色的變化
圖六 醋酸與碳酸鈉(Na2CO3)混合溶液中加入甲基紅、甲基澄、溴瑞香草藍及酚酞四種指示
圖六 醋酸與碳酸鈉(Na2CO3)混合溶液中加入甲基紅、甲基澄、
溴瑞香草藍及酚酞四種指示 劑,並逐次輕搖瓶子,觀察顏色的變化
 
五、參考資料
1 . p H i n d i c a t o r , 2 0 1 0 年3 月1 3 日,取自h t t p : / / e n . w i k i p e d i a . o r g / w i k i /p H _ i n d i c a t o r
2 . 高瞻計畫資源平台/ 自製酸鹼指示劑, 2 0 1 0 年3 月1 3 日, 取自h t t p : / / h i g h s c o p e . c h . n t u . e d u . t w /w o r d p r e s s / ? p = 6 8 8 3
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