酸碱指示剂是用于鉴别物质酸碱性的化学实验试剂，可分为合成指示剂和天然指示剂两种。在中学化学实验中，常用的石蕊、甲基橙和酚酞等酸碱指示剂属于合成指示剂，有一定毒性且污染环境。目前，已经有一些关于制备天然酸碱指示剂的研究和应用案例，如利用玫瑰花、黑枸杞和紫甘蓝等富含色素的植物制备天然无毒的酸碱指示剂
［1］；在小学科学课堂上，可利用酸碱指示剂的变色现象制备七色花
［2］；制备的酸碱指示剂，可应用于中学酸碱滴定实验
［3］；等等。然而，已有的大多数实验只涉及对天然植物色素的提取和借助酸碱指示剂的颜色证明物质的酸碱性，其实验过程不够细致和全面。
笔者选取常见的紫甘蓝为原材料来弥补学习酸碱指示剂这部分内容的不足，通过“自制紫甘蓝酸碱指示剂→配制并标定pH为1～14的溶液→制作彩虹色阶→制作紫甘蓝pH试纸和试纸比色卡”等实验环节，让学生直观地观察到紫甘蓝酸碱指示剂和紫甘蓝试纸的颜色变化与对应pH的定量关系，借此形成感性认识，同时所得到的紫甘蓝酸碱指示剂和试纸可用于一些趣味实验和生活中常见物质的检测。
1 实验方案
1.1 紫甘蓝色素的变色原理
紫甘蓝色素在化学结构上属于花色苷类，是让紫甘蓝酸碱指示剂具有丰富颜色变化的主要物质。花色苷是18种天然存在的花色素的糖苷化合物，紫甘蓝花色苷的主要成分是矢车菊花色苷的糖苷及酰化物。
紫甘蓝花色苷变色机理和内部结构较为复杂，研究表明，在一定pH下，紫甘蓝花色苷存在如下平衡：当pH＜3时，花色苷主要以红色的黄烊盐离子存在；当3＜pH＜7时，黄烊盐离子生成蓝色的醌型碱；当7＜pH＜11时，蓝色的醌型碱与其他黄色类黄酮共存，呈无色；当pH＞11时，黄烊盐离子、无色的醇型假碱、蓝色的醌型碱都转化为查尔酮，花色苷平衡移向查尔酮后，由其他类黄酮物质在碱性溶液中呈现黄绿色
［4-5］。其具体颜色与结构变化如
图1所示。
该实验主要探究pH与紫甘蓝酸碱指示剂的颜色变化的定量关系，且颜色变化涉及化学平衡和可逆反应等相关知识点。为便于学生理解，可把其颜色变化的平衡过程简化为如
图2所示的颜色变化关系，学生即可清楚地认识到：在不同pH下，紫甘蓝花色苷的结构会发生变化，进而颜色发生改变。
1.2 实验用品
【原料】新鲜紫甘蓝。
【药品】浓盐酸（12 mol/L，分析纯），氢氧化钠（分析纯）。
【器材】250 mL容量瓶、500 mL大烧杯、10 mL量筒、小试管、酒精灯、铁架台、剪刀、研钵、玻璃棒、滤纸、pH传感器或pH计、智能手机、平板电脑。
1.3 紫甘蓝酸碱指示剂的制备
要想制备紫甘蓝酸碱指示剂，首先需要把紫甘蓝色素从叶片中提取出来。其制备方法可简化为煮沸法和研磨法，两者都可以得到紫甘蓝色素溶液。实验中的紫甘蓝用量可根据需要进行相应调整，得到的紫甘蓝色素溶液即为紫甘蓝酸碱指示剂。
（1） 煮沸法：称取50 g新鲜的紫甘蓝叶片，用剪刀将其剪成指甲盖大小的碎片，并置于500 mL烧杯中；向烧杯中加入300 mL水，然后加热此混合物至微沸；观察到液体颜色变紫且紫甘蓝叶片变白后，停止加热，冷却至室温，过滤，即可得到紫甘蓝酸碱指示剂。
（2） 研磨法：称取50 g紫甘蓝，用剪刀将其剪成指甲盖大小的碎片，分10次（根据紫甘蓝碎片用量，次数可灵活变化）置于研钵中；接着，往研钵中加少量水，再将紫甘蓝碎片研磨成汁，过滤，即可得到紫甘蓝酸碱指示剂。
1.4 配制并标定pH为1～14的溶液
（1） 用量筒量取2.1 mL浓盐酸（12 mol/L，分析纯）并将其溶解于小烧杯中，再用250 mL容量瓶稀释，即得到0.1 mol/L的盐酸溶液；接着，取刚配制的0.1 mol/L的盐酸溶液25 mL，同样用250 mL容量瓶稀释，就得到0.01 mol/L的盐酸溶液；以此类推，可制得pH为1～6的盐酸溶液。
（2） 同理，取氢氧化钠10 g并将其溶解于小烧杯中，再用250 mL容量瓶稀释，即制得1 mol/L的氢氧化钠溶液，经逐级稀释，就制得pH为8～14的氢氧化钠溶液。
在配制过程中，可通过煮沸蒸馏水（除去溶于蒸馏水中的二氧化碳）等操作减小误差，同时配制好的溶液需用pH传感器或者pH计标定准确的pH并做好记录，以确保后续实验开展过程中数值的准确性。再者，用容量瓶配制溶液是中学化学必备的实验技能，故在该实验中务必严格按照配制步骤操作，以确保实验的准确性。
1.5 制作紫甘蓝酸碱指示剂的彩虹色阶
（1） 取14支规格相同的小试管，向其中分别加入2 mL配制好的pH为1～14的溶液，再将这些试管置于试管架上，并按pH由低到高的排列顺序摆放好。
（2） 往每支试管中依次滴加3滴紫甘蓝酸碱指示剂，摇匀，此时在不同试管中会发生五彩缤纷的颜色变化，彩虹色阶就此制作完成。彩虹色阶表现出来的颜色为：在pH小于3时为粉红色，且粉红色随着pH的减小逐渐变淡；在pH为4到7之间时是紫色，但是越靠近7紫色越深，且在pH为7时是紫甘蓝酸碱指示剂本身的颜色；在pH为8到10时是无色的，尤其是pH为10时，几乎没有颜色；在pH大于11时是黄绿色，此时pH越大，黄色越明显。拍照记录实验效果，据此得到紫甘蓝彩虹色阶图表。
由实验结果可知：在检测其他物质酸碱性时，可通过滴加紫甘蓝酸碱指示剂并根据其颜色变化来确定pH。
1.6 制作紫甘蓝pH试纸和试纸比色卡
紫甘蓝酸碱指示剂虽可用于检测物质酸碱性，但溶液不好存储和携带；改用紫甘蓝酸碱指示剂制备pH试纸和试纸比色卡，可轻松解决这一问题。
（1） 将滤纸剪成细条并浸没于紫甘蓝酸碱指示剂中，浸泡30 min左右直至可以观察到滤纸条显紫色；接着，将浸泡好的滤纸条取出，置于干燥环境中晾干，即制得简易的紫甘蓝pH试纸。
（2） 用玻璃棒分别蘸取pH为1～14的溶液于紫甘蓝pH试纸上，可发现不同pH的溶液在紫甘蓝试纸上的颜色不同；此时，用手机拍照记录颜色，随即用绘图软件制成比色卡，比色卡效果如图3所示，紫甘蓝pH试纸在pH≤3时，呈现粉红色；pH在4～6之间时，呈现浅紫色；pH=7时，呈现紫色；pH在8～10之间时，呈现浅绿色；pH=11时，呈现绿色；pH在12～14之间时，呈现黄绿色。
2 紫甘蓝pH试纸和试纸比色卡的应用
2.1 隐形墨水的制备
用棉签蘸取0.1 mol/L氢氧化钠溶液，然后用蘸有氢氧化钠溶液的棉签在滤纸上书写字母或者绘制图形，将写好的滤纸晾干后字迹会消失不见；接着，取紫甘蓝酸碱指示剂并将其置于表面皿中，将写有字迹的滤纸浸入装有紫甘蓝酸碱指示剂的表面皿中，就会发现原写在滤纸上的字迹显现出来了，如
图4所示。该实验采用浓度大于0.01 mol/L的碱溶液书写，经多次测试，均获得良好的效果。如果用盐酸溶液书写，则因盐酸挥发的缘故，其字迹不如碱溶液清楚
［6］。
2.2 日常物质酸碱性的检测
使用紫甘蓝pH试纸和试纸比色卡，可以轻松地检测雪碧、白醋等食品的pH。在实验过程中，只要蘸取少量雪碧和白醋书写于紫甘蓝pH试纸上，会显粉色；再将其与试纸比色卡进行对照，就能发现雪碧和白醋溶液的pH均大于3。除了可用于检测食品外，紫甘蓝pH试纸在其他方面也大有作用。以护肤品酸碱性的检测为例，根据检测结果，可以更好地选择适合肤质的化妆品，确保皮肤得到适当的保护。也可以用于土壤酸碱性的检测，确保合理施肥，从而促进农作物健康生长等。
该实验探究给中学的酸碱教学提供了一个新的思路，即在需要使用指示剂和pH试纸的实验中，除了使用实验室购买的合成pH试纸外，也可以直接将制得的紫甘蓝pH试纸用于教学。在实验过程中，教师可以鼓励学生勤于思考，举一反三，将所学知识与技能灵活地应用于实践中，必然有所收获、有所成就。
3 结语与展望
该实验通过紫甘蓝酸碱指示剂的制备和紫甘蓝pH试纸及试纸比色卡的制作，使学生不再机械地记忆指示剂的颜色和遇酸碱后的颜色变化，而是通过实践操作来深刻理解指示剂的颜色与溶液pH之间的定量关系，效果颇佳。该实验可作为中学化学酸碱指示剂知识部分的补充实践内容，学生能够从中更全面地了解和掌握天然酸碱指示剂的制备和应用。在实验过程中，学生需要使用容量瓶、pH传感器等实验器材，这些操作有助于提高学生的实验操作能力和科学素养。例如，在实验过程中，学生需要精确地进行测量和操作，以确保实验结果的准确性和可靠性。
紫甘蓝pH试纸及试纸比色卡具有实用价值，方便携带，适用于日常物质pH的检测。这一实验成果不仅可以帮助学生更好地理解酸碱指示剂的原理和应用，还可以提高他们的实验技能和科学素养，具有一定的推广价值。
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