對于稍微具備一些化學知識的人來說(即使是只學過初等化學),“指示劑”這種物質(zhì)幾乎是人所共知的。無論是學校、科研機構(gòu),還是工廠的化學實驗室,像酚酞、甲基橙等多種多樣的指示劑,以及石蕊試紙和pH 值試紙等各種各樣的試紙都是這些實驗室所必備的和常用的。有很多人在學生時代第一次接觸化學實驗時,可能就是觀察石蕊試紙是怎樣改變顏色的。
我們想要了解指示劑發(fā)展的歷史,就要追溯到17 世紀。這種物質(zhì)在那個古老的年代就已經(jīng)有許多搞實際工作的化學家在運用了,他們在實驗過程中將植物的汁液(即指示劑)浸醫(yī)`學教育網(wǎng)搜集整理漬在一小片紙上,然后再在這種試紙上滴一滴他們所研究的溶液,以此來判斷他們所研究的化學反應的某些性質(zhì)。就現(xiàn)今已有的記載看,波義耳是第一個把各種天然植物的汁液用作指示劑的科學家,在這些指示劑中,有的被配成溶液,有的做成試紙,幾乎和我們現(xiàn)在所用的方法完全一樣。
波義耳,1627 年生于愛爾蘭的利茲莫爾堡,1691 年死于倫敦。他的父親是伯爵考克一世。開始波義耳在伊頓求學,其后游學歐洲大陸,1644年回國,父親死去后,他過著十分簡樸的生活。1654 年移居牛津,在高街與大學學院相鄰的住宅里,同助手進行了一段時期的抽氣機及燃燒等實驗工作。1668 年,他移居倫敦。他是最早的皇家學會會員之一。1680年波義耳被選為英國皇家學會主席,但他謝絕了這個職務。波義耳是一位出色的實驗家,很善于觀察事物的一些細微變化。在16 世紀或者更早一點,人們就已經(jīng)認識到某些植物的汁液具有著色劑的功效,在那個時候,法國人就已經(jīng)用這些植物的汁液來染絲織品。也有一些人觀察到許多植醫(yī)`學教育網(wǎng)搜集整理物汁液在某種物質(zhì)的作用下可改變它們的顏色,例如有人觀察到酸能使某些汁液轉(zhuǎn)變成紅色,而堿則能夠把它們變成綠色和藍色。但是,因為在那個時候還沒有任何人對酸和堿的概念下過確切的定義,所以這些酸和堿能夠改變汁液的顏色的化學現(xiàn)象并未受到人們的注意和重視。
一直到了17 世紀,科學家才真正開始闡述一些基本的化學概念,其中一個非常重要的概念就是把化合物劃分成為酸、堿、鹽三大類別,最早和最明確的有關(guān)酸的定義便是波義耳作出的。
他所描繪的酸的各種特性中,有一條就是酸能夠改變某些植物的汁液的顏色,這也就是人類對指示劑這種物質(zhì)的最原始的認識。波義耳在他的“顏色的試驗”一書中曾描寫了怎樣用植物的汁液來做指示劑。他曾經(jīng)使用過的植物的種類很多,其中有紫羅蘭、玉米花、玫瑰花、雪米、蘇木(即巴西木)、櫻草、洋紅和石蕊。在書中還介紹了用指示劑制作試紙的方法,以及怎樣使用這些試紙:“采用上好的紫羅蘭的漿汁(即由這種花里浸漬出來的染料),把這種漿汁滴在一張白紙上,然后再在汁液上醫(yī)`學教育網(wǎng)搜集整理滴上2~3 滴酒精,以后,當醋或者幾乎所有的其他的帶酸性溶液(當時已經(jīng)制出的酸并不多)滴在這種浸有植物的漿汁和酒精的混合物的紙上時,你就會發(fā)現(xiàn)浸有植物漿汁的紙立即由藍色轉(zhuǎn)變成紅色。使用這種方法的好處是,在進行實驗時出的是,這種發(fā)明的生命力是如此的長久,直到今天我們的實驗室還仍然在經(jīng)常性的使用這種原始的方法。
在波義耳之后,很多化學家都陸續(xù)發(fā)表了不少報告,報告都是描述如何把植物的漿汁作為指示劑。
像布爾哈夫(1668 年~1738 年)在他的報告中敘述了怎樣利用指示劑來鑒別堿性化合物,他最常使用的指示劑便是紫羅蘭和石蕊的汁液。隨著指示劑使用的日趨廣泛,大家對它的研究更加深入,例如在18 世紀,許多人發(fā)現(xiàn),各種酸并不能使這些指示劑精確地顯示出相同的顏色變化。也就是說,各種指示劑的靈敏度不一樣,顏色的變化范圍不同,各種酸的強度也不相同,因此才造成這種情況。
1775 年瑞典的貝格曼(1735 年~1784 年)就曾經(jīng)指出:“藍色植物的汁液的變色對各種酸的靈敏程度是不同的,硝酸能使某種藍色的試紙變成紅色;而醋則不能使同一種試紙變色。有的酸能夠使藍色的石蕊汁液變紅色,卻不能將紫羅蘭的汁液轉(zhuǎn)變成紅色。由此可以知道,必須對所有的植物汁液(可以用作指示劑的)的靈敏性進行鑒定,然后才可找到一系列合適的指示劑來測定各種酸的相對濃度。”從這一段敘述我們可以看到,當時對指示劑的研究已經(jīng)到相當深入和細致的階段了。指示劑的另一種重要的運用領(lǐng)域便是酸堿滴定。
在歷史上,最早利用滴定的方法來研究酸堿中和反應的化學家并沒有使用指示劑。例如,1659 年荷蘭化學家格勞貝爾在用硝酸和碳酸鉀制作硝酸鉀的過程中,需要知道應該用多少硝酸來中和碳酸鉀的定量數(shù)據(jù),為此,他把硝酸一滴一滴地加到碳酸鉀溶液中去,在開始時,溶液里產(chǎn)生氣泡(即生成了二氧化碳),一直滴到加入硝酸后溶液不會發(fā)生氣泡時為止,這時溶液里的碳酸鉀就被硝酸中和了,因而格勞貝爾所需要的實驗數(shù)據(jù)也就通過這種原始的滴定方法得到了。他在形容這時候的情況說,是硝酸和碳酸鉀兩種物質(zhì)都失去了它們的本性,酸和堿都互相被“殺死”了,即被中和了。
1729 年法國化學家日夫魯瓦也曾利用酸堿滴定的方法來測定酸的濃度,例如醋的濃度。他先稱出一定重量的碳酸鉀固體,然后把它溶解在水中,接著把醋酸一滴一滴地加到碳酸鉀溶液中,一直加到不發(fā)生氣泡為止。從消耗掉的碳酸鉀的數(shù)量,便可以計算出各種醋的相對濃度??梢钥闯?,格勞貝爾和日夫魯瓦都是利用發(fā)泡的現(xiàn)象來指示酸堿中和反應的終點。
1767 年路易斯曾經(jīng)假定酸堿中和反應的終點能夠運用植物的汁液來顯示和標記出來,他在《對美洲草木灰的試驗和觀察》一書中描述了這樣一種簡單的測定方法:“在酸堿中和的反應過程中,中和堿液所需要的酸可以一滴一滴地加進去,過去一直是利用發(fā)泡現(xiàn)象來觀察反應的終點,但是這種方法最終還是存在著一定的缺陷,這種方法不但觀察起來很困難,而且也達不到相當高的精確性。如果我們能利用植物的漿汁或者被這些漿汁著色的紙所發(fā)生的顏色變化來指示酸堿中和反應的終點,那么就能得到比較明顯的結(jié)果,這就代替了那種含糊不清的現(xiàn)象(指發(fā)泡現(xiàn)象)。”路易斯緊接著介紹了具體的使用方法:“我主要使用的方法是一種十分敏銳的方法。利用一張厚的寫字紙,在紙的一端浸漬上石蕊的漿汁,使它沾上藍色;在紙的另一端又浸漬了石蕊的漿汁和鹽酸的混合溶液,正好變成了紅色。這時,如果將某些酸一滴一滴地加到堿溶液中去,每加一滴以后就用玻璃棒將溶液攪拌均勻,并用上那種著了顏色的試紙進行檢測。如果這種溶液使試紙的紅色的一端變成藍色,那么便說明溶液此時還是呈堿性的,因此需要繼續(xù)加酸液。
如果它剛好能夠使試紙的藍色的一端變成紅色,則說明酸液已經(jīng)加夠了。“很顯然,路易斯所描繪的滴定方法與我們現(xiàn)在所用的方法是基本一致的,只是當時還沒有滴定管和移液管這些精確的儀器而已。以后的一百多年內(nèi),化學家在酸堿滴定中能使用的天然植物的漿汁的種類不多,并且他們常常認為這些漿汁(例如紫羅蘭和石蕊的漿汁)的顏色變化不夠清晰和靈敏。因此很多人都想改變這種狀況,并且為此而進行了不懈的努力,最后導致了合成指示劑的產(chǎn)生和發(fā)展。
在19 世紀后半期,有機合成化學以驚人的速度發(fā)展起來,其中尤以合成染料工業(yè)的興起最為引人注目。在這些合成染料中,很多化合物都能夠起到指示劑的作用。第一個可供實用并且真正獲得成功的合成指示劑便是酚酞,1877 年呂克首先提出在酸堿中和反應過程中可以使用酚酞做指示劑,第二年倫奇又提出在酸堿滴定中使用甲基橙。
到了1893 年,有論文記載的合成指示劑已經(jīng)增加到了十四種之多,隨著這些合成劑的數(shù)量和品種的增加,以及它們所具備的各種各樣的功能,為進一步擴大
指示劑的應用范圍和發(fā)展其理論打下了良好的基礎(chǔ)。只需要使用很少量的植物漿汁,就能使顏色的變化非常顯著。“