红色酚酞溶液逐渐褪色的原因探究

红色酚酞溶液逐渐褪色的原因探究
摘要对红色酚酞逐渐褪色的原因进行了实验探究,其目的是训练学生的科学探究能力。

在实验探究中，学生从中发现：这种红色酚酞醌式结构能够自动转化为无色酚酞甲醇式结构，其转化速度随氢氧根离子浓度增大而加快，此过程是一个放热的过程；而与空气中的二氧化碳无关。

在一定的碱性条件下（氢氧化钠溶液的浓度＜30%时)，无色酚酞甲醇式结构的热稳定性比红色酚酞醌式结构的热稳定性差。

关键词红色酚酞自然褪色原因探究
在化学实验教学中，有许多化学实验问题可作为实验探究课题，让学生进行实验探究，可培养学生的科学探究能力。

例如，我们经常会看到：当无色的酚酞溶液滴入到碱性溶液（如氨水、氢氧化钠、氢氧化钾等溶液）中时，无色溶液立即变成红色。

随后，红色溶液又逐渐地褪成无色，而且褪色的速度有快有慢。

对于这种异常实验现象产生的原因，我们曾在课堂上就此问题提出设问，但学生的答案五花八门，可归纳为3个方面：（1）红色酚酞结构被空气中的氧气氧化；（2）红色酚酞溶液与空气接触时，吸收了空气中的二氧化碳，使其溶液的pH降低到8以下，红色酚酞结构又转化为无色酚酞分子结构；（3）红色酚酞结构自动转化成另外一种无色酚酞结构。

究竟哪种推测正确、合理，实际情况又是怎样的？对此，我们组织了学生分组展开实验探究，并从中获得了正确的解释。

1实验用品
1 %酚酞溶液，稀硫酸(1∶4)，氢氧化钠溶液(1%、5%、10%、20%、30%、40%、50%)；大试管10支，酒精灯1盏，试管夹1支，橡皮塞5个。

2实验探究
酚酞是一种弱的有机酸，也是常用的酸碱指示剂。

在溶液里，随着溶液酸碱性的变化，酚酞分子结构发生转化而显示出不同的颜色：无色酚酞结构红色酚酞结构。

这种转化过程是一个可逆的过程，学生对此很熟悉。

在碱性溶液中，红色酚酞为什么会逐渐褪色？对此，我们进行了如下实验探究。

2.1不同条件下的酚酞与氢氧化钠溶液作用
[假设与猜测]在碱性溶液中，假如红色酚酞褪色是与空气中的二氧化碳有关，那么，只要验证红色酚酞溶液在密闭的容器内不会自然褪色即可。

否则，红色酚酞褪色与空气中的二氧化碳无关。

[设计实验验证]分别取4 mL不同浓度的NaOH溶液放入试管中，滴加2滴酚酞溶液，分别采用敞口和用橡皮塞密闭管口的2种方式静置，然后进行如下实验探究。

[实验现象与数据]实验情况见表1。

[结论]从上述实验情况可知，红色酚酞自然褪色的时间与NaOH溶液的浓度有关，浓度愈大褪色愈快；而与试管是否敞口无关，即红色酚酞逐渐褪色与空气中的二氧化碳无关。

但在较低浓度的NaOH溶液里，敞口试管中的红色酚酞自然褪色变得较慢，这是因为较低浓度的NaOH溶液吸收了空气中的二氧化碳，使其[OH－]浓度相对降低较大之缘故。

2.2酚酞与不同浓度的氢氧化钠溶液作用
[假设与猜测]如果是红色酚酞结构被氧化或者是红色酚酞结构能够自动转化为另外一种无色酚酞结构，而且这种转化过程是不可逆的，那么，用稀硫酸滴入时就不会重复出现红色。

否则，红色酚酞就没有被氧化或者是红色酚酞能够自动转化为另一种无色酚酞结构，而且还是可逆的，那么，这样用稀硫酸滴入时就会重复出现红色；如果稀硫酸过量时，红色又褪去，变为初始的无色酚酞结构。

这种转化过程的速度是否与氢氧化钠溶液的浓度有关呢？[设计实验验证]分别取4 mL不同浓度的NaOH溶液放入试管中，做如下实验探究。

[实验现象与数据]实验情况见表2。

[结论]从上述实验情况可知，红色酚酞褪色后，滴入稀硫酸时又重复出现红色，说明红色酚酞结构没有被氧化（从表1中也能得到证明），而是它转化为另
一种无色酚酞结构，并且随氢氧化钠溶液的浓度增大而加快，这种转化还是一个可逆的过程。

同时还发现红色酚酞结构的热稳定性要比另一种无色酚酞结构稳定，说明了这种红色酚酞结构转化为另一种无色酚酞结构是一个放热的过程。

但在高浓度的NaOH溶液(＞30％)里，另一种无色酚酞结构受热难以转化为红色酚酞结构，这是因为溶液中的[OH－]太高，阻止无色酚酞结构发生转化。

另外，向红色酚酞溶液中滴入过量的稀硫酸，红色酚酞溶液立即褪色，变为初始的无色酚酞结构，说明了初始的无色酚酞结构转化为红色酚酞结构也是一个可逆的过程（这对学生来说是已知的）。

3收集证据
红色酚酞究竟转化为何种结构呢？我们组织学生查阅有关文献[1～4]得知，在碱性条件下，酚酞分子结构随着碱的浓度大小而发生相互转化的关系。

酚酞的变色范围是pH=8.0～10.0，而最佳变色范围应是pH=9～13。

根据弱电解质在溶液中各型体分布系数公式 δB－＝Ka/（[H+]＋Ka），对于酚酞，其 Ka＝7.9×10-10，当[H+]＝1×10-12mol/L(pH=12)时，经计算，红色的醌式结构
含量达到99.98%（可不考虑醌式结构向甲醇式结构转化）。

随着[OH－]增加，溶液中的醌式结构向甲醇式结构转化；随着[H+]增加，溶液中的醌式结构向内酯式结构转化。

可见，这些转化都是可逆的、非氧化的过程，与[OH－]有关。

4实验结论
基于以上的实验事实和有关证据，学生从中得出红色酚酞溶液逐渐褪色的原因是：在碱性溶液中，酚酞由无色酚酞内酯式结构向红色酚酞醌式结构转化，而红色酚酞醌式结构又能够自动地向无色酚酞甲醇式结构转化，其转化的速度随着[OH－]增大而加快，而且这种转化还是可逆的、非氧化性的过程。

这种转化过程可用下列关系式表示：
另外，在一定浓度的氢氧化钠溶液﹙＜30％）中，无色酚酞甲醇式结构的热稳定性比红色酚酞醌式结构的热稳定性差，加热时无色酚酞甲醇式结构可以向红色酚酞醌式结构转化，说明了红色酚酞醌式结构转化为无色酚酞甲醇式结构是一
个放热的过程。

但在高浓度的NaOH溶液(＞30％)里，无色酚酞甲醇式结构受热难以转化为红色酚酞醌式结构，这是因为[OH－]太高，阻止向红色酚酞醌式结构的转化。

在较低碱性溶液里，红色酚酞溶液与空气接触时，吸收了空气中的二氧化碳，使其溶液中的[OH－]浓度降低，红色酚酞溶液逐渐褪色反而变得较慢。

由上述实验探究结果的启示，使我们的学生产生了一个设想：当我们在讲授“反应物浓度或温度对化学平衡的影响”时，如果用此实验结果作为课堂教学实验案例，岂不更加形象直观、生动鲜明、药品易得、简捷方便、安全可靠和富有启发性吗？同时还会引起中学生产生悬念，通过实验探究，从中获得意想不到的教学效果。

实验探究设计如表3。

5实验启示
杜威经验主义教学论认为，思维起源于直接的情景，教学必须要有一个实际的经验情景作为思维的刺激物。

在教学实践中，我们感到，化学教学中的许多问题，只要我们老师能够善于设计出一些与学生学习经验有关的实验探究情境，多问实验过程中的几个为什么，学生才会步入思维正轨，发挥想象，精心设计，大胆探究，最终得到正确的结论，甚至还会获得意想不到的发现。

因此，开展适宜、适量的实验探究活动，不仅能够培养学生的观察能力、思维能力、综合分析能力和解决实际问题的能力，而且能够培养学生的创造性能力，真正起到“百闻不如一见，百见不如一做，百做不如一探”的作用。

参考文献
[1]熊言林.化学教育, 2000, 21(4):27
[2]杨承印, 王立刚.化学教育, 1997, (2):31
[3]/20021201/ca52075/htm[4]熊言林.化学教学论实验.合肥：安徽大学出版社，2004
注:本文中所涉及到的图表、注解、公式等内容请以PDF格式阅读原文。