利用數字化實驗探究品紅褪色與顏色復原機理*

廖志剛 樓蘊霄，3 劉凱馨 辛 欣

（1.哈爾濱師范大學化學化工學院 黑龍江 哈爾濱 150025；2.哈爾濱師范大學教師教育學院 黑龍江 哈爾濱 150025；3.衢州市仲尼中學 浙江 衢州 324000；4.哈爾濱劍橋學院 黑龍江 哈爾濱 150000 ）

在中學階段，二氧化硫的漂白性是二氧化硫性質學習中的一個重點與難點，要求學生能夠利用二氧化硫對品紅溶液的暫時性漂白特點檢驗二氧化硫氣體。人教版高中化學教材中“二氧化硫的漂白作用”實驗，是向二氧化硫的水溶液中滴加品紅、溶液褪色、隨后加熱顏色復原，通過這一過程來證明二氧化硫的漂白機理，即因二氧化硫與某些有色物質生成了無色不穩定的物質，這些無色物質加熱后易分解從而使溶液恢復成原來的顏色。對這一過程的反應機理，教材并未進行深入討論，且部分描述不夠準確，例如：實際上與品紅反應的并非是二氧化硫氣體，而是二氧化硫與水反應生成的亞硫酸氫根與品紅發生了加成反應。［1］通過數字化實驗的引入，使抽象內容直觀化，強化教學的直觀性，有助于學生加深對化學反應的現象和本質原理的理解，并促進學生化學學科核心素養的養成。

一、實驗原理探析

品紅，別名鹽酸副玫瑰苯胺，是一種較為常見的染料。在高中階段的化學教學中，我們通過實驗驗證二氧化硫的漂白性，向裝有二氧化硫的水溶液試管中滴加品紅，隨后加熱，通過觀察這一過程的顏色變化來證明二氧化硫具有漂白作用。

反應原理如圖1所示。

圖1 二氧化硫漂白品紅反應原理［2］

SO2+H2OH2SO3

二氧化硫使品紅褪色機理有多種解釋，普遍認為是SO2與H2O 反應生成H2SO3，生成的H2SO3與品紅反應生成不穩定無色物質，二氧化硫氣體無法與品紅直接發生反應。品紅的顏色來自于生色基團——醌式結構，二氧化硫與水生成的亞硫酸與醌式結構中的共軛碳碳雙鍵發生了加成反應進而破壞了該結構，所以溶液的紅色消失。［3］

二、實驗預設問題與預期效果

1.預設問題

其一，選擇合適的品紅種類。品紅分為酸性品紅和堿性品紅，因此我們要選擇一種更加適合于該實驗的品紅。查閱文獻可知，我們在高中化學實驗中所用的品紅為堿性品紅，同時堿性品紅更易與二氧化硫水溶液反應，由于磺酸基不穩定，加熱易脫去，所以，品紅溶液顏色更易恢復，因此，初擬定使用堿性品紅進行實驗。［4］

其二，品紅褪色方法的選擇。二氧化硫是一種有毒的刺激性氣體，若直接通入品紅溶液中所需的時間較長，且由于二氧化硫溶于水的速度大于亞硫酸與品紅反應速度，因此，反應后的溶液中容易溶解有大量二氧化硫氣體，在實驗過程中造成二氧化硫氣體的逸出，不利于實驗的進行。此外，制備二氧化硫氣體的過程中，氣體流入的速率與量的穩定性難以準確控制，在做對照實驗時反應條件難以準確控制變量，因此，最好選擇其他更有效的褪色方法。根據上述實驗原理可知，品紅并不是與二氧化硫氣體直接反應，可選用Na2SO3溶液使品紅褪色。［5］

其三，影響顏色復原因素的確定。根據品紅褪色原理，初步推斷對品紅顏色復原有影響的因素可能有以下三點：反應物的不同（二氧化硫氣體和亞硫酸鈉溶液）、品紅種類的不同（酸性品紅和堿性品紅）、品紅濃度的不同。因此，進行對照實驗判斷以上三點對品紅顏色復原這一過程是否起促進或抑制作用。

2.預期效果

本實驗主要對品紅褪色機理和影響顏色復原的因素兩部分內容進行研究。褪色機理部分主要通過數字化實驗監測反應的進行，利用二氧化硫傳感器檢測裝置內的二氧化硫濃度，判斷二氧化硫氣體是否與品紅直接反應。之后通過對顏色的變化進行觀察，從而判斷反應速度的快慢。

3.儀器及藥品

實驗儀器：電導率傳感器、二氧化硫傳感器、pH傳感器、計算機、數據采集器、鐵架臺、三頸燒瓶、集氣瓶、試劑瓶、燒杯、玻璃棒、藥匙、量筒、臺秤、石棉網、打孔器、集氣瓶、電熱爐、注射器。

實驗藥品：酸性品紅、堿性品紅、濃硫酸、氫氧化鈉固體、無水亞硫酸鈉固體、蒸餾水。

三、實驗操作的實施

1.實驗條件的確定

（1）實驗裝置的確定

實驗裝置主要有兩套，如圖2所示（省略了部分連接裝置與數字化實驗設備）。第一套用于檢驗二氧化硫與品紅是否能直接反應，需要反應生成二氧化硫氣體，同時SO2是一種有毒的刺激性氣體，需要一個尾氣處理裝置，防止SO2直接排放到空氣中。整個裝置大致分為三部分，第一部分用于二氧化硫氣體的生成，第二部分進行二氧化硫與品紅反應并進行相關數據的測定，第三部分為裝有氫氧化鈉溶液的尾氣處理裝置。整套裝置要求處于密閉狀態，選擇在反應裝置加入一個注射器，保證既能控制反應的發生與終止，又能使實驗裝置處于密閉條件。

圖2 實驗裝置

第二套裝置用于品紅的顏色復原部分實驗。該套裝置要求能夠滿足在同一條件下進行穩定加熱，若選擇在酒精燈上直接加熱，會由于加熱部位不同、酒精燈火焰受環境影響晃動進而影響加熱效率等因素干擾實驗。故此裝置選擇使用水浴恒溫加熱，使用電熱爐在同一功率下將水加熱至一定溫度，隨后放入裝有褪色后品紅溶液的儀器進行加熱，以確保不同組的加熱效率一致。

（2）品紅濃度的確定

查閱文獻可知理論上本實驗中品紅的質量分數為0.01%較為合適，［6］濃度過高或者過低都不利于反應的進行。而本實驗使用了電導率傳感器，其測定范圍為0.000～20.000 mS/cm，考慮到電導率的量程，若品紅的濃度過低時可能無法測出其電導率，因此需要通過實驗測出合適的濃度范圍。

（3）二氧化硫的制備方式的確定

本實驗通過亞硫酸鈉晶體和濃硫酸反應生成SO2氣體。［6］具體方式為：取一定質量的亞硫酸鈉固體，滴入適量的蒸餾水，隨后緩緩加入一定體積的濃硫酸進行反應。該反應過程中，向晶體滴加適量的蒸餾水有兩個目的，一是因為濃硫酸吸水會放出大量的熱，在促進反應進行的同時防止亞硫酸鈉固體板結，減少藥品的浪費；二是可以通過水的加入量的多少一定程度上控制反應速度，使得反應不會過于劇烈瞬間結束，能夠在一段時間內持續反應生成SO2氣體。

2.實驗操作的實施

（1）預實驗部分

第一步：確定品紅的濃度。根據文獻可知，推薦的品紅的質量分數為0.01%，首先配制質量分數為0.01%的品紅溶液，通過電導率傳感器測量發現無法測出示數。隨后配制質量分數為0.1%的品紅溶液，重新測量能成功讀出示數，證明0.1%質量分數的品紅溶液可以用于數據采集?？紤]到品紅的溶解難度以及濃度過高對實驗的不利影響，因此選用質量分數為0.1%的品紅進行相關實驗。

第二步：確定亞硫酸鈉的用量。無水亞硫酸鈉固體與濃硫酸反應后瞬間放出大量的二氧化硫氣體，而實驗中使用的二氧化硫傳感器的濃度范圍為0.00～20.00 pm，若反應所用的亞硫酸鈉的量過多則會導致生成的二氧化硫氣體濃度過高，超出傳感器量程，采集的數據不準確。因此分別使用0.1 g、0.5 g、1.0 g 無水亞硫酸鈉固體與濃硫酸反應測定其生成的二氧化硫濃度。其中0.1 g 的亞硫酸鈉未超出量程，0.5 g 接近量程且在硫酸注入過快時迅速超出量程，放棄測量1.0 g的亞硫酸鈉生成的二氧化硫氣體。結論：選用更容易控制二氧化硫生成速率的0.1 g 無水亞硫酸鈉固體進行實驗。

（2）品紅褪色機理實驗的實施

第一步：二氧化硫氣體與品紅直接反應實驗。

①配制質量分數約為0.01%的品紅的醇溶液100 mL、濃度為0.5 mol·L-1的氫氧化鈉溶液200 mL，分別裝入兩個集氣瓶中。②根據圖2組裝實驗裝置，兩個集氣瓶中分別裝有事先配制好的品紅醇溶液和氫氧化鈉溶液，注射器中吸有濃硫酸。③檢查裝置氣密性，點燃酒精燈加熱三頸燒瓶發現兩個集氣瓶中均有氣泡，證明裝置氣密性良好。④點擊打開DISLab8.0數字化實驗軟件，進入后點擊“通用軟件”模塊，出現二氧化硫濃度示數，讀數為“0”。⑤打開三頸燒瓶瓶塞，往三頸燒瓶中加入0.1g 無水亞硫酸鈉固體，滴入少量蒸餾水（約2 mL）浸濕藥品。塞好瓶塞。⑥回到數字化實驗軟件，點擊“開始采集”按鈕進行數據采集。隨后通過注射器向三頸燒瓶中緩緩加入濃硫酸，發現濃硫酸與浸濕的無水亞硫酸鈉混合后迅速發生反應，產生氣泡。在20 s內緩緩滴加濃硫酸直至氣泡不再產生。⑦當數據采集的曲線圖中的二氧化硫濃度的數值未超過量程且趨于平穩后，迅速關閉兩個止水夾。觀察曲線變化，500 s 后停止，保存圖像（見圖3）。⑧拆除儀器并清洗，留下尾氣處理的氫氧化鈉溶液備用。

圖3 二氧化硫濃度

第二步：品紅與酸堿的反應。

①配制1 mol·L-1的氫氧化鈉溶液50 mL，以及用濃鹽酸與蒸餾水按1∶10稀釋后獲得的稀鹽酸50 mL。②取質量分數為0.1%的酸性品紅溶液40 mL于100 mL燒杯中，插入與采集器連接的pH傳感器，使其探頭完全浸沒于溶液中，等待數值穩定。③點擊“開始采集”進行數據采集。不斷地緩慢滴加氫氧化鈉溶液并振蕩使其混合均勻，期間探頭需浸入溶液。觀察到溶液顏色穩定不再變化后，停止滴加等待一段時間。記錄實驗現象。④若顏色未變化，緩慢滴加稀鹽酸，直至顏色變回紅色且不再變化后停止滴加，等待一段時間顏色不變化。記錄現象，保存數據圖。⑤拆除儀器并清洗，放回原處。

第三步：探究影響品紅褪色因素的實驗。

①關于反應物（SO2氣體與Na2SO3溶液）影響的探究。

配制質量分數為0.01%的品紅溶液100 mL，質量分數為1%亞硫酸鈉溶液100 mL，將亞硫酸鈉溶液裝入試劑瓶中。按照圖1水浴加熱裝置進行組裝，取一電熱爐放上石棉網，在石棉網上放置一裝有300 mL水的500 mL 大燒杯。使電熱爐連接電源，并選擇合適的加熱功率，之后操作過程中加熱功率不再改變。取50 mL的品紅溶液倒入一潔凈干燥集氣瓶中，余下50 mL溶液留于100 mL燒杯之中，將該燒杯記作燒杯1。根據二氧化硫與品紅直接反應的實驗組裝實驗裝置（去掉二氧化硫傳感器與相關裝置），將裝有品紅溶液的集氣瓶替換原裝有品紅的醇溶液的集氣瓶。檢查裝置氣密性且氣密性良好后，開始反應生成二氧化硫氣體并使其通過品紅溶液，待品紅完全褪色后取出集氣瓶，在通風櫥中倒入另一干燥潔凈的100 mL 小燒杯中，將該燒杯記作燒杯2。將燒杯2 放在通風櫥中靜置一段時間，等待溶液中溶解SO2基本逸出。向燒杯1中邊緩慢滴加亞硫酸鈉溶液邊振蕩，直至溶液恰好褪色且靜置30 s 不變色。將燒杯1、燒杯2 中的溶液各取20 mL 加入到兩個50 mL 的小燒杯中，使用試管夾固定兩燒杯，同時開始水浴加熱，并計時，觀察兩者顏色變化，記錄顏色開始變化的時間與顏色穩定不變的時間。當兩者顏色均不再變化時取出燒杯，結束實驗。

②關于品紅的種類（酸性品紅與堿性品紅）影響的探究。

分別配制質量分數為0.01%的酸性品紅與堿性品紅各100 mL。取25 mL酸性品紅溶液于小燒杯中，邊振蕩邊滴加亞硫酸鈉溶液至溶液恰好褪色，且靜置30 s后不再變化。使用試管夾固定后水浴加熱，放入的同時開始計時，觀察現象，記錄下顏色開始變化與最終不變的時間點。取25 mL 堿性品紅重復上述過程，記錄整理實驗現象。

③關于品紅的濃度影響的探究。

配制質量分數為0.2%的品紅溶液100 mL，隨后取出50 mL 該溶液加入另一個小燒杯中，分別取出5 ml、25 mL、20 mL 該溶液進行稀釋獲得100 mL 0.01%、50 mL 0.1%、80 mL 0.05%的品紅溶液，重復稀釋操作，稀釋40 mL 0.01%的品紅得到80 mL 的0.005%的品紅溶液。裝于不同試劑瓶中。取25 mL質量分數0.2%的品紅溶液置于50 mL小燒杯中，加入1 mL 亞硫酸鈉溶液，搖晃使其混合均勻，觀察到溶液變黃且顏色不再變化。使用試管夾固定該小燒杯，放入水浴中加熱，放入的同時開始計時。觀察顏色變化，記錄顏色開始變化的時間與最終顏色不變的時間點。顏色不再變化后繼續觀察一段時間，無變化后結束實驗，取出小燒杯。另取質量分數為0.1%、0.05%、0.01%、0.005%的品紅溶液重復上述實驗操作。整理記錄的實驗現象與數據，拆除、清洗儀器。

四、實驗現象、數據與分析

1.品紅褪色機理實驗

（1）二氧化硫氣體與品紅直接反應

實驗開始后，隨著濃硫酸的加入，三頸燒瓶中先有大量氣泡產生，20 s 后亞硫酸鈉固體完全消失，氣泡基本不再產生。如圖3所示，二氧化硫濃度穩定在4.27 ppm附近便不再變化。在第240 s關閉止水夾后，可以將二氧化硫傳感器與品紅的醇溶液看為一個整體，二氧化硫的氣體濃度直至500 s 反應結束未發生較為明顯的下降趨勢，觀察集氣瓶1也未發現品紅醇溶液顏色變化，因此可以判斷二氧化硫氣體并不能與品紅直接發生反應。

（2）品紅與酸堿反應

結合圖4，隨著氫氧化鈉溶液的滴加，品紅顏色先是不變，后在將要達到pH=12時逐步轉變為較為明顯棕黃色，繼續滴加后溶液變為淡黃色，此時的pH=13.17，之后滴加、靜置也不再發現明顯變化。靜置至1000 s，溶液仍未發現明顯變化，繼續滴加稀鹽酸，溶液顏色逐漸變深，1150 s時暫停加入，觀察現象，溶液仍呈黃色，繼續滴加溶液逐漸變回紅色，但與反應開始時相比顏色稍淺一些，后再滴加也不再變化，靜置至1500 s顏色未明顯變化，實驗停止。由此判斷對酸性品紅而言，溶液的酸堿性會對顏色造成影響，堿性過高（pH ＞12）時，溶液褪色變為黃色，酸性則對顏色無明顯影響。

圖4 品紅和酸與堿反應pH圖

2.影響顏色復原因素

（1）反應物（二氧化硫氣體與亞硫酸鈉溶液）的影響

由于肉眼觀察顏色變化容易造成誤差，因此，將結束時間選定為一個范圍，在觀察15 s后未發現明顯變化，則認為溶液顏色在開始觀察的前10 s到觀察的時間這一范圍內已經不再變化。

由表1可得，相對于亞硫酸鈉溶液而言，二氧化硫氣體造成的品紅褪色更易褪去，且能較好地恢復到原來的顏色，而亞硫酸鈉溶液較難使品紅恢復到原來的顏色，顏色更淺，由于亞硫酸鈉溶液只加入了2～3滴，對溶液的稀釋作用可以忽略不計，亞硫酸鈉與品紅形成的產物可能更加穩定的原因與體系的pH有關。

表1 SO2氣體與Na2SO3溶液對顏色復原的影響

（2）品紅種類的影響

根據表2 數據可得，酸性品紅與堿性品紅對品紅的顏色復原這一過程有較大影響，酸性品紅相對于堿性而言更容易發生顏色的復原。根據酸性品紅結構推測，影響酸性品紅顏色的共軛結構隨著溶液的酸堿性的變化而恢復，在酸性條件下產物的穩定性更弱，更容易恢復共軛結構，顏色也更容易復原。

表2 酸性品紅與堿性品紅對顏色復原的影響

（3）品紅濃度的影響

觀察表3可以發現，品紅的濃度對顏色復原的速度和復原后的顏色有所影響，當濃度過高或過低時都對品紅的復原起抑制作用，而顏色則隨著濃度的降低而變淡，當濃度過低時會嚴重干擾對顏色變化起點和終點的判斷?？偟膩碚f，品紅的濃度對品紅的復原實驗有較大的影響，設計實驗時要選擇合適的濃度范圍。

表3 品紅濃度對顏色復原的影響

3.問題與優化

（1）組裝實驗裝置時發現二氧化硫傳感器口徑過大，難以找到合適的裝置組裝并與其他裝置相連接。經過多次的選擇與嘗試，最終選擇將二氧化硫傳感器與下端無底的集氣瓶相連接。在無底集氣瓶瓶口抹上凡士林，插入二氧化硫傳感器，在下端塞上打孔的膠塞，用導管與裝置相連接，此方法能較為有效測出裝置內的二氧化硫濃度，且能保證裝置的氣密性。

（2）實驗過程中發現堿性品紅不利于數據采集與后續實驗。堿性品紅固體微溶于水，理論上溶解度為1%，但實際操作過程中即使是質量分數為0.1%的溶液都難以配制，0.1 g的堿性品紅在加熱條件下也無法在100 g水中完全溶解，因此，只能配制濃度更低的品紅溶液（0.01%），無法配制更高濃度范圍的溶液，且此濃度下電導率過低不利于實驗的進行。因此，后續實驗改進為使用更易溶解的酸性品紅。

（3）實驗現象與預期不符。根據文獻描述，酸性品紅與堿溶液混合后應呈現無色，然而實際操作過程中發現兩者混合時呈棕黃色。查閱其他資料發現，只有當極稀的酸性品紅水溶液（1∶10000）與濃氫氧化鈉溶液混合時為無色。［7］后用質量分數約為0.001%的酸性品紅與高濃度氫氧化鈉混合時溶液顏色變為無色，判斷藥品未變質。繼續實驗后發現混合后的顏色與品紅濃度有關，濃度越高，顏色呈現明顯的黃色，推測兩者混合后的溶液顏色與品紅濃度有關，濃度越低顏色越不明顯，因此，實驗時盡量選用濃度更低的品紅溶液進行實驗，減少顏色的干擾。

（4）顏色復原部分實驗數據系通過肉眼判斷顏色的變化獲得，通過顏色的變化記錄時間，對于起點和終點的判斷沒有明確標準，此過程中容易造成讀數誤差。在數據分析階段，若兩個數據時間相差在10～15 s以內，則可以認為存在讀數誤差，兩者時間接近。

五、教學中的應用分析

在中學階段，以學生的知識儲備，理解品紅褪色的機理是有一定難度的，教材要求學生簡單地理解二氧化硫使品紅褪色機理，并能以此作為判斷是否有二氧化硫氣體的依據。本文嘗試將傳統的定性實驗改進為數字化實驗的定量實驗，利用數字化實驗能夠即時反饋并以直觀的變化曲線表現的特點，將品紅褪色的過程以數據的形式表現，但在實際的實驗操作過程中仍發現許多現階段無法解決的問題。若這些問題能加以解決，本實驗作為對課本知識的深化與拓展，有助于加深學生對“結構決定性質”這一重要化學原理的理解，引導學生以“宏觀表征→符號表征→曲線表征→微觀表征”的順序形成新的認知發展線路，使學生熟知和掌握“四重表征”之間的相互轉換關系，［8］提高學生的化學學科素養。隨著儀器設備的發展，數字化實驗與化學教學的聯系將更加緊密，在提高學生化學核心素養方面將發揮更為重要的作用，化學教師可嘗試對傳統實驗進行創新和改進，將數字化實驗與化學教學有機結合。