臺灣化學教育

微量化學實驗：酸鹼七彩調色盤的點滴實驗

周芳妃^1, *、李盈萱^2, *、陳靜瑋¹

¹臺北市立第一女子高級中學
²臺北市立中山女子高級中學
^1, *[email protected]、^2, *[email protected]

n  前言

本微量化學實驗設計採用酸鹼化學變化搭配數種常見的酸鹼指示劑，進行多色七彩創作的開發，「酸鹼七彩調色盤」實驗原理涵蓋高中化學課程的酸鹼中和反應，依照目前普通高級中學課程綱要的安排，本實驗原理屬於基礎化學（二）主題：常見化學反應，以及選修化學（上）主題：水溶液中的酸鹼鹽。107新課程綱要高中化學也融入綠色化學的原則，本微量實驗適合作為綠色化學的教學示例，例如：低毒、減廢、思危等的多項原則。

本實驗的目的：（一）操作常用的四種酸鹼指示劑：甲基橙、甲基紅、溴瑞香草酚藍及酚酞，認識指示劑的酸型色與鹼型色的特徵。（二）使用微量稀薄醋酸及蘇打溶液控制溶液的酸鹼度，加入組合混搭數種指示劑來操作酸鹼中和反應，做出廣用指示劑的七彩顏色變化，認識廣用指示劑的基本配方。（三）使用熱熔膠製作小型的簡易調色盤，達到實驗減量的目的。（四）以微量實驗的設計為本，欣賞化學變化與多彩顏色的呈現，使學生體驗學習化學的精采與樂趣。

n  原理和概念

許多天然植物色素和多種人工合成染料都具有酸鹼指示劑的功能，其中甲基橙（Methyl orange, MO）、甲基紅（Methyl orange, MR）、溴瑞香草酚藍（Bromothymol blue, BTB）及酚酞（Phenolphthalein, PP）是常用的酸鹼指示劑，如圖1所示。

圖1：四種常見酸鹼指示劑。

每種酸鹼指示劑皆具有酸型顏色與鹼型顏色的特徵，如圖2所示。酸型顏色與鹼型顏色轉換時的pH值範圍，稱為酸鹼指示劑的變色範圍，如圖3所示。例如：溴瑞香草酚藍（BTB）變色範圍為pH = 6.2~7.6，這表示BTB在pH值6.2以下（更酸的）的水溶液中，出現酸型顏色：黃色；而在pH值7.6以上（更鹼的）的水溶液中，出現鹼型顏色：藍色。酸鹼指示劑在變色範圍內時，兩種顏色的結構存在於水中幾乎等量，因此會呈現兩色混合後的顏色，例如：BTB在中性水溶液中是出現黃色與藍色混合後的綠色。酸鹼指示劑的變色範圍不一定涵蓋了中性條件（pH = 7），例如酚酞（PP）的變色範圍是pH =8 .2~10.0，因此在中性水溶液的PP仍是呈現酸型顏色，也就是無色。

圖2：四種酸鹼指示劑顏色的對照表。【編號：A = MO、B = MR、C = BTB、D = PP】

圖3：兩種酸鹼指示劑變色範圍與顏色變化。

n  實驗器材與試劑

每組用量：試藥滴瓶（5 mL，盛裝共用的醋酸溶液、蘇打溶液） 2個、試藥滴瓶（5 mL，盛裝共用的酸鹼指示劑） 4個、玉米塑膠杯（小型，容量大於5 mL即可） 8個、微型滴管（容量約1.5 mL） 8支、PP透明塑膠袋（尺寸建議為10 cm × 7 cm） 4個、牙籤 4支、熱熔槍及熱熔膠【註1】 1套、1.0%蘇打（Na₂CO₃）溶液 4.0 mL、1.0%醋酸（CH₃COOH）溶液 4.0 mL、0.05%甲基橙（MO）【註2】 4.0 mL、0.05%甲基紅（MR） 4.0 mL、0.05%溴瑞香草酚藍（BTB） 4.0 mL、0.05%酚酞（PP） 4.0 mL。實驗用器材和一些試劑照片如圖4所示：

註1：熱熔膠和PP透明塑膠袋用於製作防水調色盤，每格大小約1 cm × 1 cm，共24格。

註2：0.05%指示劑配製法：大多數酸鹼指示劑難溶於水，需先用酒精做為溶劑，配製成0.1%酒精溶液，再加水稀釋為體積2倍即可。

 

圖4：器材及一些試劑：一些共用器材（左），每人有一套調色盤（右）。

n  實驗步驟

一、製作防水調色盤

防水調色盤是利用熱熔膠塗在PP塑膠袋上所製成，每格大小約1 cm × 1 cm，共24格。每人現場製作一套，也可以事先由教師準備，此調色盤可以再利用。

二、預測四種酸鹼指示劑的變色情形

1.        將甲基橙（MO）、甲基紅（MR）、溴瑞香草酚藍（BTB）、酚酞（PP）四種酸鹼指示劑依序編號為A、B、C、D。利用直尺放在圖2的四種酸鹼指示劑的顏色對照表上方，由上而下對齊特定pH值，先讀出對照到的各指示劑呈現的顏色，再將這些顏色混合起來，用來判斷混合指示劑顏色。例如：酸性條件指定放在pH = 3時，甲基橙與甲基紅皆呈現紅色，兩者混合仍是呈現紅色；又如：中性條件為pH = 7時，甲基紅的黃色加上溴瑞香草酚藍的藍色混合可呈現綠色。

2.        四種指示劑各種混合模式可按照表1進行，利用排列組合A、B、C、D四項成分，將預測混搭酸鹼指示劑的變色填到表1格內。

表1：四種酸鹼指示劑的混合模式與預測格內需填入的顏色。

 

三、酸鹼指示劑的點滴實驗

1.        準備8個玉米塑膠杯，先取4個為第一組，各加入約2~3 mL的1%醋酸溶液，此四杯的酸性大約為pH = 3。再另取4個為第二組，各加入約2~3 mL的1%蘇打溶液，此四杯的鹼性大約為pH = 11。

2.        第一組醋酸溶液的4個杯子中分別加入四種不同的酸鹼指示劑各1~2滴，第二組蘇打溶液4個杯子中也分別加入四種不同的酸鹼指示劑各1~2滴，顏色的深淺可依照自己喜好而定，但是建議顏色不要太深。每個杯子中都放入1支微量滴管，後續待用，如圖6所示。

 

 

圖6：四種酸鹼指示劑的酸型顏色與鹼型顏色，每張照片中左杯為的醋酸溶液，右杯為蘇打溶液：甲基橙（上左）；甲基紅（右上）；溴瑞香草酚藍（左下）；酚酞（右下）。

3.        將防水調色盤放在桌上，下方可墊放一張白紙。進行點滴的方式，將8個杯子中的液體依照步驟二的表1排列組合方式操作，並用牙籤將盤子上的液滴混合均勻。

4.        觀察並記錄混搭指示劑顏色變化情形，並與步驟二的表1格內的預測顏色做對照。

5.        將調色盤內的液體清洗掉，用紙巾擦乾。設計創意組合方式，使調色盤內能呈現七彩以上的顏色。

n  結果與討論

設計創意組合方式使調色盤內能呈現七彩以上的顏色，如圖7所示。

 

圖7：混搭四種酸鹼指示劑並調配溶液酸鹼度的七彩點滴作品範例。

n  廢棄物處理和安全注意事項

l  防水調色盤可以每人現場製作一套，也可以事先由教師準備。實驗後擦乾淨，此調色盤可以回收再利用，不要丟棄。玉米塑膠杯也稱環保塑膠杯，可重複使用，若破損可直接丟棄。

l  本實驗中使用的醋酸與蘇打溶液的濃度皆很低，皆低於家庭廚房中使用濃度。若是實驗操作時接觸到皮膚，以大量清水沖洗即可。

l  本實驗中使用的酸鹼指示劑濃度非常低，而且只用滴數很少，所以本實驗清洗作品的七彩液體時可以直接稀釋排放。本實驗中使用的數種酸鹼指示劑屬於無毒或低毒試劑，依據GHS化學品全球調和制度（http://ghs.osha.gov.tw/CHT/intro/search.aspx）查詢危害數據資料結果如下：
(A) LD₅₀（測試動物、暴露途徑） è 甲基橙：60 mg/kg（大鼠，吞食）
(B) IARC致癌性分類 è 酚酞：Group 2B
(C)甲基紅、溴瑞香草酚藍沒有危害數據資料。

註：半數致死劑量（LD₅0）係指給予試驗動物組群一定劑量（mg/㎏）的化學物質，觀察14天，結果能造成半數（50％）動物死亡的劑量。

註：IARC致癌性分類係指環境中致癌物誘發惡性腫瘤的作用，國際癌症研究中心（IARC）將人體流行病學與動物實驗研究所得資料，依其致癌證據的強弱分為：Group 2B-可能人體致癌。

n  教學提示

l  本微量實驗上課時間富有很大的彈性，可以是1~2節課，可依照學生的先備程度作調整，而結束課程的裝置整理與回收約5分鐘。

l  本微量實驗教學時間的縮減可彈性調整。如果教師授課時間較少，可安排預測四種酸鹼指示劑的變色情形的步驟為實驗的預習作業。

l  本實驗使用的指示劑用量極少，因此汙染性低，可在一般的教室或家中進行，不一定要在化學實驗室中實施。本實驗亦適用於國中化學實驗教學，適用於介紹常見的酸鹼指示劑單元。

l  高中化學課程授課時間較充裕時，教師可以將高中課程中介紹酸鹼指示劑的變色範圍理論以及綠色化學十二原則作充分教學，可涵蓋酸鹼平衡與指示劑Ka值的應用。實驗教學過程可彈性使用不同的技巧，例如採用實驗假設求證及合併歸納法：
【實驗假設求證教學法】  授課à假設à操作à觀察à求證à討論à歸納à分享報告。

l  設計本實驗的教學策略也可以提高為高階思考層次。最方便的教學策略是先讓學生找尋各種條件終於完成七彩調色盤作品之後，教師先拍照存檔。再要求學生洗淨調色盤，重新操作實驗，學生必須再做出與拍照內容一模一樣位置與色彩的實驗結果。經由這樣要求實驗具有再現性的教學策略，可以幫助學生學習仔細做好實驗筆記，以及培養學生嘗試找出實驗變因並控制變因的能力。

l  綠色化學十二原則的參考資料，請參閱圖8：

圖8：綠色化學十二原則

（圖片來源：綠色化學（Green Chemistry）–拯救地球的未來，http://highscope.ch.ntu.edu.tw/wordpress/?p=49978。）

l  若選用24格細胞培養塑膠盤作為作為調色盤，雖然使用劑量可能提高為本實驗的三倍，但是因調色盤造型可愛，學生也很喜歡，今年度本校高一選修化學探究課程的海報作品舉例如圖9所示：

 

圖9：用24格細胞培養塑膠盤作為作為調色盤

問題與參考答案

1.        酸鹼滴定時，使用酸鹼指示劑來判定滴定終點，試問滴定終點是否表示水溶液呈中性？

答：滴定終點是由指示劑變色點來判定，但是酸鹼指示劑的變色範圍並不一定涵蓋中性條件（pH = 7），故滴定終點時，並非表示溶液呈中性。例如：酚酞（PP）的變色範圍是pH = 8.2~10.0，因此在中性水溶液的PP仍是呈現酸型顏色，也就是無色。

2.        試舉出三種日常生活中可用作酸鹼指示劑的物質。

答：以下列舉數種日常生活中的酸鹼指示劑：紫色高麗菜汁、紅鳳菜汁、紫紅非洲鳳仙花及紅玫瑰，這些汁液在酸性環境下呈現紅色，在鹼性環境下呈現綠色。

3.        請想想看日常生活中哪些現象與酸鹼性有關？

答：(1)果皮中含有會隨酸鹼度不同而改變顏色的花青素，蘋果皮呈現紅色，葡萄皮呈現紫色，即是因為酸鹼度不同所致。(2)繡球花萼片呈現紅色、藍色到紫色不等的顏色，亦是因為其生長所在的土壤酸鹼度不同的緣故所致。

n  結語

本實驗設計希望將生活中常見的物質引入化學實驗設計，包含認識酸鹼中和反應與常見植物色素的酸鹼指示劑功能。從2012年起，研發「小綠綠晶體與藍印術」實驗課程之後，開始在本校的校內各項課程與活動中推廣，也受邀到國內綠色化學種子教師研習中繼續推廣，其中校內課程採主要是融入高一選修化學探究課程與高三化學實驗課程，也可以呼應目前課綱基礎化學實驗：七個杯子的實驗。再本校高一選修化學探究課程中，本實驗並且結合創作海報發表的形式。由於本實驗化學反應顏色變化非常吸引人，使用藥品微少，成本低廉，準備方便，因此本課程設計一直深受高中各年級學生喜愛。

n  學生實驗手冊

下載本微量實驗的學生實驗手冊—「酸鹼七彩調色盤的點滴實驗」。