探究式学习培养初中生化学核心素养*——以花瓣色素制取植物酸碱指示剂为例

七林竹玛，李曼弯，杨艳华**，李艳妮，王颖臻

(1.昆明学院化学化工学院，云南 昆明 650214；2.蒙自市第一高级中学，云南 红河 661100)

作为学习方式的科学探究活动和过程称为探究性学习[1]。探究式学习有利于在三维目标上培养学生的科学素养[2]。通过设计探究式实验，使学生在已有基础上主动构建知识体系，不仅有利于学生学习能力和方法的培养与训练[3]，而且还能激发和满足学生的好奇心，促使学生主动发现问题和分析问题[4]，培养学生实验探究与创新意识的学科核心素养。初中化学课本中，有关于自制酸碱指示剂的探究活动，主要使用牵牛花、月季花和紫甘蓝等植物的花瓣或果实进行探究[5]，在实际教学中，教师可充分利用学校的学习环境，发掘日常生活和生产中的学习素材，编制学生实验和科学探究活动[6]，提供多样化的中学化学实验教学内容。本文通过提取昆明学院洋浦校区绿化种植的格桑花、黄槐和三角梅等植物的花瓣色素，探究其作为酸碱指示剂的可能性，不仅可以为后续教育实习和实验教学的开展提供素材，而且也可以通过探究式学习进一步培养学生的化学学科核心素养。

1 材料与方法

1.1 药品与试剂

粉色、白色格桑花采集于本校洋浦校区博识楼明德路旁，三角梅和黄槐花采集于听心湖畔立德路旁，如图1所示。乙醇(95%)、氨水(25%～28%)、氢氧化钠(97%)、盐酸(37%)和冰醋酸，均为分析纯，购自上海麦克林生化科技有限公司。蒸馏水为实验室自制。

(a)粉色格桑花；(b)白色格桑花；(c)黄槐和；(d)三角梅。

1.2 仪器

精宏电热恒温鼓风干燥箱、烧杯、胶头滴管、玻璃棒、托盘天平(带砝码)、研钵、样品瓶、量筒。

1.3 实验方法

1.3.1 提取花瓣色素

采集所需的4种新鲜植物花瓣，蒸馏水洗净表面尘灰后烘干。称取 3.0 g 烘干后的花瓣于研钵中捣碎，再加入10 mL乙醇研磨5 min，静置30 min后，取上层清液，记录不同植物提取液的颜色，并进行编号，如图2所示。

图2 4种色素提取液及颜色

1.3.2 植物酸碱指示剂可行性测试

以装有20滴HCl溶液(pH=2)和20滴NaOH溶液(pH=12)的两个样品瓶为一组，进行分组实验。向每组实验样品中滴加6滴植物提取液，观察其颜色变化，并与原颜色对比，记录变色色差程度。所有植物色素提取液均按照上述步骤进行处理，根据色素提取液变色色差程度，挑选可行性较好的几种提取液，进一步探究。

1.3.3 具体探究

用初始浓度均为 1 mol/L 的NaOH、NH3·H2O、CH3COOH、HCl、H2O配制pH值分别为1～14、溶液体积为 20.0 mL 的系列溶液[7]，配制方法如图表1所示。配制完成后，各取 5 mL 放置于编号为1～14个样品瓶中，向样品瓶各滴3滴经可行性测试挑选出的色素提取液。观察色素提取液在酸性溶液和碱性溶液中的颜色变化，判断相应植物是否可以用来制作酸碱指示剂。

表1 pH值为1～14的溶液配制方法

2 结果与分析

2.1 实验结果

2.1.1 植物酸碱指示剂可行性测试

植物酸碱指示剂可行性测试结果如表2所示。实验结果显示，植物色素在酸性溶液和碱性溶液中会显现不同的颜色。其中，粉色格桑花的粉红色提取液(编号①)在酸性溶液中表现为红色、碱性溶液表现为绿色，如图3所示。三角梅的紫色提取液(编号④)在酸性溶液表现为紫色、碱性溶液表现为绿色。两种色素提取液本身的颜色与在酸碱溶液中的颜色色差比较明显，相较之下更符合酸碱指示剂的要求。因此，选择编号①④素色提取液在不同pH溶液中的显色情况进行具体探究。

表2 色素提取液在酸性和碱性溶液中的显色情况

图3 不同色素提取液在酸碱溶液中的显色情况

2.1.2 具体实验

在编号①和④的色素提取液中，分别滴加3滴pH不同的溶液，摇匀，使色素提取液与酸碱溶液充分混合，静置 30 s，观察显色情况，实验结果如图4和图5所示。

图4 粉色格桑花提取液(编号①)在pH值从1～14的溶液中的显色情况

图5 三角梅提取液(编号④)在pH值从1～14的溶液中的显色情况

由图4可知，粉色格桑花色素提取液在pH值为1～14的溶液内变色明显，变色范围大约为pH为1～2(玫红色)、3～6(粉红色)、7(粉红色)、8～9(黄绿色)及10～14(黄色)间，颜色变化较为明显。同时，变色范围也较窄，在不同pH值的溶液下可以起到很好的酸碱指示效果，因此，可用作酸碱两性指示剂。

由图5可知，紫色三角梅色素提取液在pH值为1～7的溶液中显紫色，颜色随酸性减弱而变浅，但没有明显的变色范围；在pH为8～9的溶液中显黄绿色，而在pH值为9～14的溶液中显黄色。紫色三角梅色素提取液在酸碱溶液中颜色突变明显，可以很好的指示酸性溶液和碱性溶液，但变色范围较宽，无法精细指示不同pH的溶液，因此，可用作广泛的碱性指示剂。

2.1.3 说明

可行性测试中取6滴植物提取液滴定盐酸和氢氧化钠，具体实验则取3滴提取液加入到 5 mL 不同pH的溶液中，可行性测试所加的植物提取液含量较多，因此颜色变化较深。粉色格桑花提取液(编号①)、紫色三角梅提取液(编号④)在可行性测试中显绿色和黄绿色，而在具体实验中则表现为黄色。

2.2 实验分析

2.2.1 实验可行性分析

酸碱指示剂的发现是科学家善于观察，勤于思考，勇于探索的结果。300多年前，英国科学家波义耳误将盐酸洒在紫罗兰花瓣上发现颜色发生变化，从这一细节出发经过不断探究最终发现了指示剂原理。今天，我们所使用的石蕊、酚酞、pH试纸，就是根据波义耳的发现原理研制而成的。其本质就是一类结构较为复杂的有机弱酸或有机弱碱，它们在溶液中能部分电离出指示剂离子和H+(或OH-)。由于结构上的变化，它们的分子和离子具有不同的颜色，在不同的pH中呈现的颜色不同，因此可以指示酸碱性。以石蕊为例，石蕊是一种蓝紫色粉末，可从地衣类植物中提取得到，溶于水后显紫色，是一种有机弱酸。石蕊(主要成分用HIn表示)在水溶液中能发生如下电离：

在酸性溶液中，石蕊主要以分子形式存在，溶液显红色；在碱性溶液中，OH-与H+结合，促使电离平衡正向移动，In-浓度增大，成为溶液中主要存在形式，溶液显蓝色。中性溶液中，红色分子与蓝色离子共存，且含量相当，又因为红色与蓝色混合显紫色，故溶液呈紫色。进而有了我们现在总结的石蕊变色范围：当pH小于5.0时，显红色；当pH大于8.0时，显蓝色[8]。

许多植物的花果茎叶中有都含有色素，这些色素在酸性溶液或碱性溶液中显示不同的颜色，因此可以用来制作酸碱指示剂。在可行性测试中，可以看出，植物提取液在酸性条件(或碱性条件)都一定程度的发生了颜色的改变，只是有些不太明显，不利于观察。例如，黄槐花瓣提取液本身是黄色，在碱性溶液中颜色加深变为深黄色，这与它本身颜色相近，不适合用来制作酸碱指示剂。粉色格桑花和紫色三角梅相较就更符合酸碱指示剂的要求。

2.2.2 实验结果分析

色素提取液在不同pH值的溶液中都有一定的变色范围，其大致规律为：

酸性 中性 碱性

(红色，紫色) (绿色，黄色)

原因：花色素是一类重要的水溶性植物色素，属于类黄酮，其基本结构由一个吡喃酮和两个苯环组成，如图6所示。其与酸反应，生成稳定的盐而显红色；在碱存在的情况下，取代吡喃酮右边的苯环的R4部分生成醌型结构，颜色显蓝。花色素在碱性条件下不稳定，容易变色，有些不会变蓝，反而显黄色或绿色，这可能是植物体中除含有花色素外，还含有其他黄酮类物质(酸性无色、碱性呈黄色)，在碱性条件下显绿色，这是花色素的蓝色和黄酮类的黄色混合后的结果[9]。

(a)类黄酮结构、(b)醌型结构(取代基R1和R2为H、OH或OCH3,R3为H或糖基，R4为OH或糖基)

3 结论

以花瓣色素制取植物酸碱指示剂实验中，提取的粉色格桑花色素及紫色三角梅色素在酸性、碱性溶液中变色明显且易于观察，可用于制作酸碱指示剂。通过这一结论，表明探究植物提取液制作酸碱指示剂的实验设计在教学实践是可行的，它具有原料易得、操作简单、安全不污染环境、培养学生实验探究与创新意识等优点。

探究学习能够激发学习的化学学习兴趣，是创设生动活泼的的化学教学情境的重要形式，是转变学生学习方式和发展实验探究能力的重要途径，是落实情感态度与价值观目标的重要手段。教师用学校中的植物带领学生进行自制植物酸碱指示实验，不仅能培养学生的实验探究和创新意识的科学素养，还能将化学学习与实际生活密切联系，增加学生学习化学的兴趣。