杨静 徐孝文

摘要：纤维在浓碱中会收缩，探究了用pH试纸和滤纸在不同浓度的浓碱溶液中的收缩率来判断浓碱浓度的一种新方法。实验发现，在浓度小于10%的NaOH溶液中，pH试纸和滤纸不会收缩；在浓度为10%～25% NaOH溶液中，pH试纸和滤纸收缩率变化最大。此后，随着碱液浓度升高，pH试纸和滤纸收缩率开始下降，当碱液浓度超过60%时，收缩率不变。探索出测量浓碱浓度的一种快捷简易的新方法，延伸了pH试纸和滤纸的使用范围。

关键词：pH试纸；实验滤纸；浓碱浓度；收缩率；实验探究

文章编号：1005–6629（2016）10–0048–03 中图分类号：G633.8 文献标识码：B

检验溶液酸碱度常用“广泛pH试纸”，在广泛pH试纸中通常含有甲基红、溴甲酚绿、百里酚蓝三种指示剂，在不同的pH溶液中均会按一定的规律变色[1，2]，其测量pH的范围为1～14。这市售的试纸，使用时撕下一条剪成若干小块，放在干净的表面皿上，用一支洁净干燥的玻璃棒从溶液容器中蘸取一滴溶液点在试纸上，从试纸的颜色变化就可以知道溶液的酸碱性。但是，如果碱液浓度超过1 mol·dm-3（pH大于14），超出pH试纸的变色范围时，这种pH试纸就无能为力了。这里我们根据纤维在强碱溶液中长度产生收缩的现象，利用pH试纸和滤纸在浓的NaOH溶液中不同的收缩率来判断浓碱的浓度，开发出一种直观、快捷、简易、有趣的测量浓碱浓度的新方法。

1 实验部分

NaOH溶液的配制：分别称取一定量的NaOH（上海试剂总厂，分析纯）于100mL干净的小烧杯中，分别溶解并配成质量浓度为5%、10%、15%、20%、25%、30%、35%、40%、50%、60%和70%的NaOH溶液，冷却后备用。

pH试纸和滤纸收缩率测定：用上海三爱思试剂有限公司生产的广泛pH试纸作为实验试纸，杭州沃华滤纸有限公司生产的双圈牌定性滤纸（中速）作为实验滤纸，将pH试纸一条条揭下来，滤纸裁剪成6.0×1.0cm纸条，放到铺展平整的塑料薄膜上，分别用塑料吸管吸取不同浓度的NaOH溶液均匀地滴在pH试纸或滤纸上，观察到广泛pH试纸和滤纸瞬间收缩，变化时间不大于2秒，其后长度不变，用直尺测量其长度，计算收缩率，绘制收缩率与碱浓度标准曲线，整个实验温度控制在20℃。收缩率根据下列公式计算：

收缩率=[（原来的pH试纸或滤纸长度-收缩后pH试纸或滤纸长度）/原来pH试纸或滤纸长度]×100%

2 结果与讨论

将碱液用塑料吸管滴加到pH试纸的瞬间，观察到pH试纸收缩，收缩时间不超过2秒，同时看到pH试纸变成深紫色，这是广泛pH试纸中甲基红、溴甲酚绿、百里酚蓝三种指示剂在碱液中的变色结果。从表1可以看出，在碱浓度小于10%时广泛pH试纸基本不收缩，在10%～25%区间收缩率变化明显，浓度在25%收缩率最大，此后，随着碱液浓度升高，pH试纸收缩率开始下降，碱液浓度超过60%时，收缩率不变。

图1为pH试纸在不同浓度碱液中收缩率曲线（数据见表1），可以根据pH试纸在不同浓度碱液中收缩率来测定碱液浓度，在碱液浓度为10%～25%区间基本符合线性关系，在25%～60%区间也基本符合线性关系。如果不清楚某碱液浓度是在10%～25%区间或25%～60%区间，可以通过将溶液稀释的方法来解决，例如一个碱液的浓度为20%，稀释一半浓度为10%，稀释后pH试纸在其溶液中基本不收缩，而一个浓度为30%的碱液，稀释后的溶液浓度为15%，pH试纸在其溶液中收缩率达10%，可以清楚区别出收缩率几乎相同的浓度为20%和30%的碱液。由此可见，利用pH试纸在不同浓度碱液中收缩率和稀释溶液方法，就可以测量出浓度在10%～60%的碱液。

同样，用滤纸来代替pH试纸，得到的结果与pH试纸结果一致。将不同浓度碱液滴在滤纸上，滤纸瞬间收缩，变化时间不大于2秒。表2为滤纸在不同浓度碱液中的收缩率数据，滤纸在浓碱中最大收缩率也出现在碱液浓度为25%的碱液中，在碱液浓度小于10%时滤纸不收缩，收缩率变化最大出现在碱浓度在10%～25%区间。在碱液浓度为10%～25%区间基本符合线性关系，在25%～40%区间也基本符合线性关系，碱液浓度超过40%收缩率基本不变，与pH试纸测试结果基本一致，说明用纤维素纸在强碱中的收缩现象来测定浓碱的选用材料具有广泛性。

为了考察温度对滤纸和pH试纸在浓碱中收缩率的影响，我们选用对滤纸和pH试纸的收缩率最大的25%碱液为实验碱液，将25%碱液分别置于水浴恒温控制碱液温度为25℃、30℃、40℃、50℃、60℃、70℃和80℃的100mL烧杯中，然后将不同温度碱液滴在滤纸和pH试纸上，观察收缩情况并测量滤纸和pH试纸收缩后的长度。实验结果表明：滤纸和pH试纸在这些不同的温度下收缩率不变，说明温度对本方法测定浓碱的浓度影响不大。

纤维素是由许多D-吡喃葡萄糖基以糖苷键连接而成的线性高分子。这些线性排列的分子链之间会形成氢键，使纤维素中存在强大的氢键网络，从而具有很强的微晶体结构，即由无数微晶体与非晶区交织在一起[3]。当碱液作用于纤维素时，除了碱与纤维素生成碱纤维素外，还发生碱及其水合分子渗透到纤维素的微细结构中，使纤维素剧烈溶胀，导致纤维收缩。而纤维素的溶胀，开始时随着碱液浓度的增加而增加，在达到最大值后，随着碱液浓度的增加，其溶胀度下降，A. T.谢尔柯夫认为这一点是难以解释的[4]。王德骥[5]认为：这种现象归因于碱液水合离子对的类型和动力学直径的大小，影响着纤维素发生溶胀作用的能力。在浓度为6%～9%的氢氧化钠溶液中，碱液中存在的主要是解离水化离子对，直径较大（1～1.5nm），不容易渗入到纤维素的大分子结构中去。随着浓度的增加，形成水合物的有效水分子数量减少，形成水化离子对和偶极水化物，其直径较小（0.6nm），不仅能渗透到纤维的无定形区，而且能渗透到纤维的准结晶区和结晶区，与纤维素分子形成氢键，导致纤维溶胀和收缩。当碱液浓度超过某一界限后，虽然溶液中Na+数量继续增加，形成偶极水化物中的水分子数量减少，如：氢氧化钠浓度为22.8%～24.1%时，偶极水化物分子式为NaOH·7H2O；氢氧化钠浓度为34.8%～35%时，偶极水化物分子式为NaOH·4H2O；氢氧化钠浓度为52.6%时，偶极水化物分子式为NaOH·2H2O。由于偶极水化物中的水分子数量减少，从而使纤维素溶胀度反而下降[6]。还有不少文献也提到了纤维素（滤纸）遇酸、遇碱发生收缩、变形的原因[7，8]。

3 结论

在浓度小于10%的NaOH溶液中，pH试纸和滤纸不收缩，在浓度为10%～25%的NaOH溶液中收缩率变化明显，其中在25%的NaOH溶液中，pH试纸和滤纸收缩率最大，达到16.7%。此后，随着碱液浓度升高，pH试纸和滤纸收缩率开始下降，通过测量pH试纸或滤纸收缩率可直观、快捷、简易、有趣地判断出浓碱的大致浓度，由此可开发出测量浓碱浓度的一种新方法，同时也延伸了pH试纸和滤纸的使用范围。

参考文献：

[1]武汉大学.分析化学（第5版）[M].北京：高等教育出版社，2006：137～138.

[2]华中师范大学，东北师范大学，陕西师范大学，北京师范大学.分析化学（第4版）[M].北京：高等教育出版社，2001：119～122.

[3]蔡杰，吕昂，周金平等.纤维素科学与材料（第1版）[M].北京：化学工业出版社，2015：70～98.

[4][苏] A. T.谢尔柯夫.王庆瑞译.粘胶纤维[M].北京：纺织工业出版社，1985：23～46.

[5][6]王德骥.碱液处理纤维素的最大溶胀现象與“体积效应”机理[J].人造纤维，1999，（4）：1～5.

[7]王子亮.利用滤纸做创新实验[J].化学教学，2006，（9）：5～6.

[8]叶燕珠，吴新建等.初中化学趣味实验及相关探究课题[J].化学教学，2015，（1）：52～54.