实验活动7 溶液酸碱性的检验

官方化学老师·17 页·进阶(有基础,想深入原理)·0 次浏览·4 天前
酸碱指示剂pH试纸H⁺浓度酸碱中和

实验活动7 溶液酸碱性的检

看懂试纸为何变色,掌握pH与H⁺、OH⁻浓度间的换算关系

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酸碱指示剂pH试纸H⁺浓度酸碱中和

实验活动7 溶液酸碱性的检

看懂试纸为何变色,掌握pH与H⁺、OH⁻浓度间的换算关系

1第 1 页 · 实验活动7 溶液酸碱性的检

用酸碱指示剂检验溶液的酸

用酸碱指示剂检验溶液的酸碱性:定义、要点与典型应用

用酸碱指示剂检验溶液的酸
用酸碱指示剂检验溶液的酸碱性:定义、要点与典型应用
2第 2 页 · 用酸碱指示剂检验溶液的酸

用pH试纸测定溶液酸碱度

上一页指示剂只能判断'酸还是碱',但生活里常要更精细的答案:白醋和柠檬汁都是酸,谁更酸?雨水pH降到多少算污染?这就需要pH试纸给出'刻度'。

pH的定义
表示溶液酸碱强弱的数值,定义为氢离子浓度的负对数:pH = -lg[H⁺]
试纸显色原理
把多种酸碱指示剂按比例混合涂在纸上,不同pH下混合色不同,形成连续色阶
pH取值范围
0~14之间,7为中性;小于7显酸性,大于7显碱性;每差1个单位,[H⁺]浓度差10倍
规范操作
玻璃棒蘸取溶液滴在干燥试纸上,不可浸入;30秒内与标准比色卡对照读数
体温计对应 →pH试纸

体温计用汞柱高度量化'烫不烫',pH试纸用颜色色阶量化'酸不酸'——都是把模糊感觉变成可读数字

pH=lgc(H+)\mathrm{pH} = -\lg c\left(\mathrm{H}^{+}\right)
3第 3 页 · 用pH试纸测定溶液酸碱度

自制酸碱指示剂的方法

pH试纸和酸碱指示剂都是工厂生产的——但其实厨房里就能找到天然的酸碱指示剂。紫甘蓝撕碎泡水,得到的紫色液体遇酸变红、遇碱变绿,原理和我们买的石蕊试液完全一样。

变色原理
某些植物色素(如花青素)遇酸或碱,分子结构改变,颜色随之变化
选材思路
选颜色深、含色素丰富的植物:紫甘蓝、紫萝卜、牵牛花、杨梅等
制取步骤
切碎→加溶剂(多为水或酒精)浸泡→过滤→得到色素浸出液
检验方法
取浸出液分别加入稀酸和稀碱,观察并记录两种颜色,作为判断依据
变色龙的皮肤对应 →植物色素随pH变色

环境(酸碱度)一变,色素分子就像变色龙一样「换装」,呈现不同颜色

4第 4 页 · 自制酸碱指示剂的方法

土壤样品的采集与浸提液制

前页我们学会了用 pH 试纸测溶液酸碱度,但土壤是固体,没法直接测。得想办法把土里能反映酸碱性的物质「请」到水里——这就是浸提液。

代表性取样
选 3~5 个点取土、混合均匀,避免局部异常
取样深度
取表层 0~20 cm 耕作层,根系主要分布区
土水比例
通常土:蒸馏水 = 1:2.5(如 10 g 土加 25 mL 水)
浸提操作
搅拌后静置过滤,取澄清液测 pH
用蒸馏水
避免自来水中离子干扰 pH 测定
泡茶取茶汤对应 →土壤浸提取浸提液

茶叶的可溶物溶进热水,土壤的可溶离子溶进水,都是把藏在固体里的「酸碱信号」请到液体里测

5第 5 页 · 土壤样品的采集与浸提液制

酸碱指示剂

上节课我们用酚酞遇碱变红、石蕊遇酸变红——但你有没有想过:这些「会变色的物质」到底是什么?它们为什么遇酸碱会变颜色?

本质是弱有机酸或弱碱
能结合或释放 H⁺,本身参与酸碱平衡,不是中性的被动显色剂
变色源于结构变化
结合 H⁺ 后共轭体系改变,吸收可见光波长不同,呈现不同颜色
有特定变色范围
只在 pH ≈ pKa ± 1 范围内逐渐变色,超出此区间只显单一颜色
常用三种指示剂
石蕊(红-紫-蓝)、酚酞(无色-红)、甲基橙(红-黄),各有合适场景
变色龙对应 →酸碱指示剂

周围 H⁺ 多时穿「酸装」显一色,少时穿「碱装」显另一色,中间地带两色混合

pH=pKa+lg[碱式][酸式]pH = pK_a + \lg\frac{[\text{碱式}]}{[\text{酸式}]}
6第 6 页 · 酸碱指示剂

溶液的酸碱性

柠檬汁让 pH 试纸变红,肥皂水让它变蓝——这些现象记住了,但溶液里究竟发生了什么?这一页我们揭开酸碱性的本质。

酸碱性本质
由 c(H⁺) 与 c(OH⁻) 的相对大小决定
浓度的表示
用 c(H⁺)、c(OH⁻) 表示,单位 mol/L
水的离子积 Kw
25℃ 时两者乘积恒为 1×10⁻¹⁴
三种情况
c(H⁺)>c(OH⁻) 酸性;相等 中性;c(H⁺)<c(OH⁻) 碱性
天平两端称量对应 →H⁺ 与 OH⁻ 浓度比较

哪端重溶液就偏向哪端,等重时为中性

$K_w = c(\text{H}^+) \cdot c(\text{OH}^-) = 1 \times 10^{-14}$(25℃)
7第 7 页 · 溶液的酸碱性

pH试纸

前面用石蕊、酚酞只能告诉你'是酸还是碱'。如果想知道'有多酸',难道要带一打指示剂瓶?化学家的解法是:把多种指示剂按比例混好,涂在一张小纸条上。

本质
将多种酸碱指示剂按比例混合,浸渍于试纸制成的复合指示工具
变色原理
不同指示剂各负责一段pH区间,多种叠加覆盖pH 1~14全范围
使用方法
用玻璃棒蘸取溶液涂于试纸,30秒内与标准比色卡对照读数
优点
操作简便、携带方便,可粗略定量酸碱度
局限
无法测有色溶液;试纸润湿会稀释待测液;精度有限(约±0.5)
调色盘混色对应 →pH试纸混指示剂

不同指示剂像不同颜料,分别负责不同pH段,混在一起才覆盖完整色谱

pH=log[H+]pH = -\log[H^+]
8第 8 页 · pH试纸

酚酞溶液

上页我们知道酸碱指示剂靠颜色"报答案"。今天聚焦最常用的那位——酚酞。它非常专一,只对碱性亮起红灯,背后是一次分子结构的变身。

酚酞的本质
化学式 C₂₀H₁₄O₄,一种有机弱酸,常配成无色酒精溶液
变色规则
遇酸和中性保持无色;遇碱由无色变红色,少数"无色→有色"型
变色范围
pH 8.2~10.0 是它唯一的响应窗口;低于 8.2 永远无色
典型应用
酸碱中和滴定终点判定,强酸滴定强碱或弱碱场景中最常用
碱性显影液下的隐形墨水对应 →酚酞的显色原理

酚酞分子如无色墨水,OH⁻ 像显影液,触发结构重排才显红色

pH<8.2:无色pH>10.0:红色\text{pH} < 8.2:\text{无色} \quad \mid \quad \text{pH} > 10.0:\text{红色}
9第 9 页 · 酚酞溶液

石蕊溶液

上节课我们认识了酸碱指示剂这一类物质,今天来看其中最经典的一位——石蕊。化学老师手里那瓶紫红色液体,就是它本尊。

石蕊溶液
从地衣植物中提取的紫色液体,是最常用的酸碱指示剂之一
颜色变化
遇酸性溶液变红,遇碱性溶液变蓝,中性时保持紫色
使用方法
取少量待测液,滴入2~3滴石蕊溶液,观察颜色变化
局限性
只能判断是酸还是碱,无法测出具体pH值
只显示冷热的温度计对应 →石蕊溶液

都只能给出大致判断,测不出精确数值;要精确就得换pH试纸

10第 10 页 · 石蕊溶液

自制酸碱指示剂

前面我们用石蕊、酚酞检验溶液酸碱性。但你有没有想过:能不能自己做一个?厨房里的紫甘蓝汁,滴进白醋变红、加进肥皂水变蓝绿——这就是天然酸碱指示剂。

花青素本身就是弱酸
紫甘蓝、紫萝卜、牵牛花里的色素分子,能给出H⁺,存在电离平衡
酸式和碱式颜色不同
HIn显一种颜色,共轭碱In⁻显另一种颜色;pH变化时两者比例改变,颜色渐变
遇酸变红、遇碱变蓝绿
紫甘蓝汁最典型:酸性→红,碱性→蓝绿,中性→紫
精度有限,只适合粗判
颜色渐变区间宽,不如pH试纸能给出具体数值
紫甘蓝汁加醋或碱后变色对应 →弱酸电离平衡的移动

加酸→H⁺多→红色HIn占多;加碱→H⁺少→蓝绿In⁻占多

HInH++In(酸式色碱式色)\text{HIn} \rightleftharpoons \text{H}^+ + \text{In}^- \quad (\text{酸式色} \neq \text{碱式色})
11第 11 页 · 自制酸碱指示剂

pH(酸碱度)

前几页用指示剂和 pH 试纸只能判断「酸」或「碱」,可「酸到什么程度」却答不上来。pH 就是把这种强弱量化成一个数字——一把专为酸碱打造的精密标尺。

定义
pH = -lg[H⁺],用氢离子浓度的负对数表示酸碱强弱
取值范围
通常 0~14:=7 中性,<7 酸性,>7 碱性
对数刻度
每相差 1 个 pH 单位,[H⁺] 浓度相差 10 倍
典型应用
农业测土配肥、血液 pH 监测(7.35-7.45)、工业水质控制
里氏地震震级对应 →pH 标度

都是对数刻度:每差 1 级,底层能量或浓度相差 10 倍,把巨大范围压缩成几格数字

pH=lg[H+]pH = -\lg[H^+]
12第 12 页 · pH(酸碱度)

土壤的酸碱性

土壤的酸碱性:背景、意义与延伸了解

土壤的酸碱性
土壤的酸碱性:背景、意义与延伸了解
13第 13 页 · 土壤的酸碱性

土壤浸提液的配制(1:5质

上一页我们按 1:5 把土和水混成了悬浊液——但为什么偏偏是 1:5?配稀点或配浓点行不行?这页从原理和行业标准两个角度,把这个比例背后的逻辑讲透。

浸提的本质
用水分散土壤颗粒,让可溶的H⁺、OH⁻等离子进入水相
1:5 质量比
1克干土加5克蒸馏水,搅拌静置后取上层清液测定
标准化的意义
1:5是农业土壤检测通用比例,让不同地区结果可横向比较
为何用质量比
土壤颗粒有间隙,体积难测准;质量稳定、可重复
泡茶对应 →土壤浸提

都是用一定比例的水,把固体里可溶于水的成分泡出来

14第 14 页 · 土壤浸提液的配制(1:5质

澄清液体

配好的土壤浸提液又黄又浑,里面悬浮着泥土颗粒。直接拿它测pH,试纸显色会被颗粒挡住,读不准。所以测之前得先让它清亮起来。

为什么必须澄清
浊液中悬浮颗粒挡住pH试纸的显色,颜色判断失真
两种澄清方法
静置沉淀:颗粒自然下沉;过滤:用滤纸彻底分离固液
取液的操作要点
只取上层清液或滤液,底部沉淀弃去,过滤时玻璃棒引流
熬中药滤掉药渣再喝对应 →测pH前先澄清浸提液

药渣挡药味,颗粒挡显色——为的都是看得准

15第 15 页 · 澄清液体

本节要点

  • 指示剂变色存在过渡区间,并非某一固定pH突变
  • pH试纸只能读整数,不可估读到小数位
  • pH每差1,溶液中H⁺浓度就相差10倍
  • 自制指示剂可定性判断酸碱,灵敏度低于专业试剂
延伸主题:强酸与弱酸的本质区别酸碱中和反应的定量计算pH计的工作原理
16第 16 页 · 本节要点

课后思考

先独立思考,再对照参考答案,看看自己的思路走到了哪一步。

1为什么不同的酸碱指示剂(比如石蕊和酚酞)在同一种溶液里,颜色变化会不同?

参考答案因为每种指示剂都有自己特定的变色pH范围。同种溶液可能恰好落入这一种的变色区间,却不在另一种的范围内,因此两者表现不同。

2测土壤酸碱度时,为什么要先配制成浸提液,而不是把pH试纸直接贴在湿润土壤上?

参考答案土壤颗粒粗细不均且本身带颜色,会污染试纸并干扰比色;浸提液澄清均匀,便于和标准比色卡准确对照,从而读出pH。

3自制酸碱指示剂(如紫甘蓝汁)能否完全替代pH试纸?它在哪些场合会"不够用"?

参考答案不能。自制指示剂色阶粗糙、易受浓度和光照影响,只能粗判酸碱性、无法给出精确pH值;科研或工业中需用标准pH试纸或pH计。

17第 17 页 · 课后思考