“魔法审判员”——酸碱指示剂

在学习“酸碱中和反应”时，老师经常会向学生展示一个科学小魔术——向空杯子中不断加“水”，杯中水的颜色由无色变为红色再回到无色。很多学生很好奇其中的缘由，其实这种典型的小魔术需要一点化学知识就能解释其变化现象。若你曾经把醋加进紫色的卷心菜汁里，观察颜色由紫色变红色，若再加些小苏打把红色卷心菜汁变为绿色，那么你就体验过指示剂的奇妙了。简单地说，跟酸或碱的溶液起作用而显示不同颜色的物质，叫酸碱指示剂。下面我们一起探索一下酸碱指示剂的奥秘。

一、你知道酸碱指示剂是怎样来的吗？

故事要回到300多年前，英国年轻科学家罗伯特·波义耳在化学实验中偶然捕捉到这一奇特的实验现象，一天清晨正在做实验的波义耳在倾倒盐酸时，其中大量白雾与少量试液酸沫飞溅到放置在旁边的紫罗兰鲜花上，随后他用水冲洗，发现颜色变红。波义耳及时捕捉到这一新奇的现象，并猜测可能是盐酸使紫罗兰颜色变红色。为进一步验证猜想，他将剩下的花放入其他稀酸中发现结果完全相同，紫罗兰都变为红色。由此他推断，不仅盐酸而且其他各种酸都能使紫罗兰变为红色。

偶然的发现激发了科学家的探求欲望，他还采集牵牛花、苔藓、草药等植物并提取汁液，将它们滴加在不同酸碱溶液中，结果发现在酸碱环境不同的情况下呈现出的颜色也不同，尤其是从石蕊苔藓中提取的紫色汁液。酸能使它变红，碱能使它变蓝，这就是最早的石蕊试液。为方便使用，波义耳将其烘干制成试纸，从试纸上可直观颜色变化。目前我们使用的石蕊试纸、酚酞试纸等不同种类的试纸都是根据波义耳的发现原理制作而成的。

图1.酸碱指示剂（图源自网络）

二、常见指示剂——酚酞

指示剂有酸碱指示剂、氧化还原指示剂、金属指示剂、吸附指示剂等。在一定介质条件下，其颜色能发生变化、能产生浑浊或沉淀，以及有荧光现象等。常用它检验溶液的酸碱性；滴定分析中用来指示滴定终点；环境检测中检验有害物。

指示剂大多都是有机弱酸或弱碱，它们可以电离，溶液酸碱性会影响其电离平衡，进而导致不同酸碱性下主要存在结构形式不同，颜色亦有变化。常用的指示剂主要分为四类：硝基酚类、酚酞类、磺代酚酞类、偶氮化合物类。这里我们重点说说酚酞类的指示剂，它包括酚酞、百里酚酞等等。

酚酞分子式是C20H14O4，相对分子质量为318.33，是白色或微带黄色的结晶粉末。几乎不溶于水，但溶于乙醇和乙醚、苛性碱溶液或碱金属碳酸盐溶液等，由于它结构与苯酚相似，化学性质也就相似。酚酞首次合成是在1871年阿道夫·冯·拜尔发现的——由邻苯二甲酸酐与刚作为防腐剂的苯酚在浓硫酸加热的情况下缩合制取的，它在酸性溶液中无色，在碱性溶液中呈现鲜艳的粉红色。

图2. 酚酞制取方程式（图源自网络）

在选择酚酞作为指示剂时，要注意它本身的变色范围：当PH＜8.2时呈现无色的内酯式结构；当PH在8.2—10.0之间，酚酞为红色的醌式结构。由于酚酞的醌式或醌式酸盐在碱性介质中很不稳定，当遇到较浓的碱液，会转变成无色的羧酸盐式。所以若用酚酞指试剂测强碱时，会发现颜色从开始变红，很快红色褪去变成无色。若将酚酞滴入浓硫酸溶液中也会发生变色现象，这是由于强酸的催化使得酚酞中酯基和指示剂溶剂乙醇中的羟基发生酯交换反应，分子发生重排，形成醌式共轭体系结构，加强了吸电子性，其中的π电子的流动性降低，吸收光谱发生红移，最终导致颜色变化。上面所说的水变成“酒”的魔术原理也就是如此了。

图3. 酚酞在酸碱中的结构变化（图源自网络）

三、不简单的“酸碱审判员”

酸碱指示剂不仅仅运用于实验室中，它在生活中也可用来检测洗发水、化妆品中的酸碱性；还可检测是否是酸雨等等。近年来，在一些食品包装袋上也风靡一种特殊的形式——气体指示智能标签，它可用来监测食品中微生物代谢情况以及是否产生二氧化碳或挥发性胺等气体，通过颜色变化的呈现显示食品的新鲜程度，从而帮助我们判断。

不新鲜或变质的水产品与肉类产品在腐败过程中产生的挥发性含氮化合物会使包装中气体酸碱性发生变化的原理，以甲基纤维素和聚乙二醇-6000为基材，通过添加溴甲酚紫、溴百里酚蓝等酸碱指示剂溶液制得六种新鲜度指示标签，检测其在不同质量浓度NH3环境中的显色情况，并设计一种非接触式包装，以期有效避免指示标签对猪肉样品的污染，考察其用于实时监测瘦猪肉新鲜度的可行性。若TVB-N值升高证明肉产品变质，因此，TVB-N已经被作为食品品质的常规检测指标，用于食品理化检测。由于挥发性含氮化合物一般呈碱性，对 pH影响较大，因此也可选择采用 pH指示剂来检测食品中的挥发性含氮化合物。

图4. 食品指示标签来监测其品质（图源自网络）

由此可见，科学史上很多的发明都是从普通现象中发展得来，这也是人们不断观察与研究的结果。随着科学技术的发展，那些看似简单的原理被应用在越来越多的领域，为社会生产力发展和人类的文明开辟出更为广阔的空间。