浓硝酸与紫色石蕊现象 [浓硝酸与石蕊试液反应机理的探究]
时间：2019-02-05 03:31:26 来源：雅意学习网 本文已影响 人 
文章编号：1005－6629(2010)11－0008－03 中图分类号：G633.8 文献标识码：C 1问题的引出 以硝酸为背景的问题，是化学高考题的热点之一。例如，硝酸的酸性与强氧化性的并存题：在浓硝酸、稀硝酸中滴入少量石蕊试液，发生的现象是()。
Ａ. 石蕊试液都变红色
Ｂ. 石蕊试液都褪色
Ｃ. 在浓硝酸中变红色，在稀硝酸中褪色
Ｄ. 在稀硝酸中变红色，在浓硝酸中褪色
正确解析：稀硝酸具有酸性使石蕊变红，稀硝酸虽有氧化性，但不能将石蕊氧化。浓硝酸既有酸性又有强氧化性，故使石蕊先变红后褪色。答案：Ｄ。
这类题旨在考查学生对中学化学基础知识的掌握程度，从不同角度考查学生灵活应用化学知识解决实际问题。但实际上，硝酸与石蕊试液的作用情况远远复杂于此。
《化学教育》2006年第1期第61页，刊有“硝酸与石蕊试液反应本质的质疑”一文提到：将紫色石蕊试液滴入稀硝酸中，溶液立即变为红色；而室温下将紫色石蕊试液滴入浓硝酸中，溶液的颜色会由红色变为橙色，最后变为黄绿色，并有大量红棕色气体逸出，同时伴随有大量热产生。作者把这种现象解释为：“浓硝酸与石蕊试液作用时，首先是Ｈ+起作用，发生酸色反应，使紫色石蕊试液变为红色。然后发生的是硝化反应，硝化反应放出大量的热，促使未反应完的浓硝酸分解，产生了红棕色的二氧化氮气体。稀硝酸与石蕊试液作用时，只能发生酸色反应”。作者还进一步分析：“石蕊是一种弱的有机酸……浓硝酸具有使有机物硝化的能力，在硝化反应中，硝�离子ＮＯ2+作为亲电试剂进攻苯环”。
但是，《化学教育》2007年第5期第55-56页，“对〈硝酸与石蕊试液反应本质的质疑〉的实证探索”一文的作者并没有重复出“黄绿色物质”、“大量的红棕色气体”及“溶液沸腾”等重要实验现象；作者认为， “硝�离子(ＮＯ2+)发生硝化反应的对象几乎仅适合于单环芳烃”； 因此，“石蕊被浓硝酸硝化还缺乏文献依据和严谨的理论支撑”。过去认为浓硝酸与石蕊的褪色反应本质是石蕊被浓硝酸氧化。作者认为，至今还没有确凿的事实可以否定这种传统认识的正确性。
是什么原因导致实验现象的迥异呢？浓硝酸导致石蕊试液褪色的真正原因是什么？带着这个疑问，本人做了以下的实验。
2实验设计
本实验关键的实验用品是浓硝酸和紫色石蕊试液。浓硝酸采用新开封的分析纯65%~68%的浓硝酸。目前紫色石蕊试液的配制方法主要有两种：水溶解法和酒精溶解法。
3实验准备
3.1实验药品
浓硝酸（分析纯， 65 %~68 %）， 石蕊粉末，酒精（95 %）， 无水乙醇（分析纯），蒸馏水
3.2实验用品
试管（10 mm×100 mm）5支，试管架，带铁圈的铁架台，胶头滴管5支，玻璃棒，温度计（100 ℃）， 烧杯（250 mL）， 烧杯（100 mL）， 试剂瓶（150 mL）2个， 量筒（10 mL）， pH试纸若干，火柴，酒精灯，石棉网，空白标签若干
3.3石蕊试液的配制
3.3.1水溶解法
在250 mL烧杯中注入150 mL左右的蒸馏水，加入1.5 g石蕊粉末，微热至50 ℃~60 ℃，搅动加速溶解成深蓝紫色石蕊溶液(原液)，备用。在不断振荡的条件下，在蓝紫色石蕊原液中逐滴加入极稀的H3PO4溶液，直至溶液由蓝紫色变成纯正的紫色，即成质量分数约为0.5 %～1 %的紫色石蕊水试液。
3.3.2酒精溶解法
在100 mL烧杯中，加入10 mL 95 %酒精和40 mL蒸馏水，混匀后加入0.5 g石蕊粉末，在水浴上搅拌加热半小时后，冷却过滤，得到蓝紫色溶液。用pH=2的稀硫酸将所得溶液的pH调制到7~8，即可制得质量分数约为0.5 %~1 %的紫色石蕊酒精试液。
4实验过程
4.1浓硝酸与石蕊试液的反应
实验现象：
①溶液由红色→橙色→亮黄色，并有红棕色气体逸出。
②溶液变红，1 h后红色稍变浅。
③加石蕊试液后溶液变红，再加入无水乙醇2 min后，溶液开始剧烈沸腾，由红色→绿色，并放出大量热和红棕色气体，反应过程中伴随周期性爆沸现象，直至反应结束。
④加石蕊试液后溶液变红，再加入无水乙醇2 min后，溶液开始剧烈沸腾，由红色→黄色→浅绿色→几近无色，并放出大量热和红棕色气体，反应过程中伴随周期性爆沸现象，直至反应结束。
4.2浓硝酸与无水乙醇的反应
取一洁净试管，加入浓硝酸3.0 mL，再量取1.5 mL无水乙醇加入试管，2 min后，溶液开始剧烈沸腾，并放出大量热和红棕色气体，反应过程中伴随周期性爆沸现象，直至反应结束。
5实验结论
实验现象①与②说明由于乙醇参与反应导致溶液由红色→橙色→亮黄色，并有大量红棕色气体逸出。
实验现象③与④的差别说明混合反应的产物与反应物浓硝酸与乙醇的投料比有关。
浓硝酸与石蕊试液的剧烈反应可能是浓硝酸与石蕊试液混有的乙醇反应所致，而不是浓硝酸与石蕊的反应。
6结果与讨论
由以上实验可知，造成文献中两位实验者所得现象截然不同的原因可能是二者实验所用的石蕊试液配制方法不同，导致成分有所差异：前者石蕊试液含有乙醇，而后者所用的石蕊试液是用水溶法制得，不含乙醇。
在室温下，将浓硝酸与乙醇等体积混合，很快就发生剧烈的氧化反应，放出红棕色的二氧化氮气体，若在混合物中滴加数滴浓硫酸，反应进行得更快、更剧烈。浓硝酸与乙醇还可以发生酯化反应，但此反应的进行是有条件的。在浓硝酸中先加入适量尿素，然后再加入乙醇，反应即可平稳进行。
因此，选用水溶解法配制的石蕊试液作为指示剂滴加浓硝酸，则只有酸色反应，长时间放置才略有褪色；如果选用酒精溶解配制的石蕊试液滴加到浓硝酸中，产生的剧烈反应实质应该是硝酸和乙醇的氧化还原反应，而非二者的酯化反应。反应过程中石蕊颜色变化的原因则要从石蕊的结构分析：
石蕊的结构复杂，实验式为： C106H79O26N4
其次浓硝酸与乙醇发生剧烈的氧化还原反应，释放出大量的热和二氧化氮气体，石蕊分子中的助色团（-OH）在此过程中被破坏，颜色变浅（由红色→橙色→黄色），随着乙醇所占比例的加大，石蕊分子中的主要发色团（ ）被破坏，颜色就几乎褪成无色。石蕊结构复杂，有多个发色中心，因此伴随着一定配比的浓硝酸与乙酸的剧烈反应，红色的石蕊还可能变为绿色（如表1中的步骤③）。
参考文献：
[1]葛继瑞编.中学化学实验问答[M].北京：北京师范大学出版社，1984：102.
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[3]武汉大学主编.分析化学.第4版[M].北京：高等教育出版，2002：221～222.
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[5]赵秋玲，李颖. 对《硝酸与石蕊试液反应本质的质疑》的实证探索[J].化学教育，2007(5)：55～56.
[6]Von Dr.H.BEECKEN. Orcein und Lackmus[J]. Angewandte Chemie，1961，73( 20)：665～673.
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