淀粉與碘水自然擴散顯色反應過程的研究

楊興+張恒強+吳瓊

摘要：用液膜自然擴散微型實驗方法，研究淀粉與碘的呈色反應。使用了自制的點滴皿，每次實驗取用滴量的淀粉溶液和碘水，使反應物的溶液滴形成互相擴散的膜，從而提高透視度和分辨率。物質在液膜內自然擴散反應過程中，隨著物質的量的規律性的變化，形成從反應物經中間物到生成物自然連續變化的對比現象。此方法能充分反映“不同淀粉與碘水自然擴散過程中的呈色現象規律”，便于觀察，有利于直接投影演示實驗教學，也便于直接拍攝記錄實驗過程中的規律現象，作為教學插圖和研究資料。此實驗減少了淀粉與碘的用量，減輕了對環境的污染，提高了綜合實驗效果。

關鍵詞：點滴皿；液膜自然擴散；微型實驗；淀粉；碘水

文章編號：1005–6629（2015）10–0059–06 中圖分類號：G633.8 文獻標識碼：B

淀粉和碘是人們日常生活中經常用到的物質，淀粉溶液遇碘呈現特征顏色的性質，經常應用在實驗教學中，有關淀粉與碘顯色反應的研究也層出不窮[1～4]。多年來，我們在綠色化學理念下，根據實驗教學需要，不斷吸取各方面的實驗經驗[5，6]，在研究使用傳統實驗儀器和方法的同時，逐漸探索實施每次實驗既用少量（一般0.05～0.15mL）的化學試劑，又能突出實驗效果的“液膜自然擴散微型實驗方法”，結合實驗方法研制出新儀器——“微型化學實驗反應器皿”（簡稱“點滴皿”，已經申報并獲得國家專利[7]），并將其應用于淀粉與碘水顯色反應過程的研究。首先用“液膜自然擴散實驗方法”探討了常見的淀粉（玉米淀粉、馬鈴薯淀粉、甘薯淀粉等）與碘的顯色性能，同時為了避免選用淀粉的品種少、認識不夠全面，我們結合化學實驗教學有目的地選取多種淀粉原料，逐漸試驗摸索出一種簡單提取淀粉的方法，為研究淀粉與碘的顯色規律提供了研究方法、新的儀器和可靠試劑。

1 實驗試劑的配制

1.1 簡單提取植物淀粉的方法

首先把選用的植物（如谷物、豆類、薯類等）淀粉原料脫皮，取適量放在燒杯中，加蒸餾水浸沒原料2～3cm，泡12～24h（鮮薯類不用浸泡），用打漿機打漿（或研磨至細漿），加適量水攪拌調解成有利于過濾的漿液，用雙層紗布過濾，濾液（淀粉漿）靜置沉淀后傾去上層液，將粗淀粉用傾瀉法反復清洗干凈，脫水干燥備用。

1.2 淀粉溶液的配制

配制0.5%的淀粉溶液100mL：稱取0.5g淀粉放入100mL的小燒杯中，加入少量（約5mL）水調成糊狀，邊攪拌倒入95mL沸水，煮沸后冷卻至室溫即可用。

1.3 碘水的配制

1.3.1 純碘水的配制

在250mL的碘量瓶中注入180mL的蒸餾水，然后加入0.5g研細的碘，蓋好瓶塞。在室溫（20℃）下振蕩或用攪拌器攪拌30min溶解。碘在水中的溶解度比較小，所配制碘水的濃度經測定為：

c（I2）=8.0×10-4 mol/L

1.3.2 配制0.01 mol/L的碘（KI）溶液

稱取5.0g KI和1.3g碘加入200mL水中溶解，稀釋至1.0L。

1.4 實驗常用“點滴皿”的簡單制作方法

選用2～3mm厚的普通玻璃或下角料，用玻璃刀裁成10×10cm2大小，用砂布磨去四邊鋒刃，洗凈即可備用。

2 淀粉與碘水自然擴散過程中的呈色反應現象

用液膜自然擴散實驗能清晰觀察到淀粉與碘顯色反應過程的現象變化，從而掌握各種淀粉與碘顯色反應的特點和變化規律。

2.1 幾種典型谷物淀粉與碘水自然擴散過程中的呈色現象

2.1.1 淀粉與碘水自然擴散實驗的常用方法

在點滴皿上，相距約1.5cm處滴加1～2滴淀粉溶液和1～2滴碘水，用尖頭玻璃棒引導兩種液滴形成相鄰溶液膜，并互相靠近至自然擴散呈色反應。

2.1.2 大米淀粉與碘水自然擴散過程

圖1、圖2是0.5%的大米淀粉溶液與純碘水、碘（KI）水自然擴散呈色反應現象的照片。在點滴皿上，大米淀粉溶液與純碘水液膜相向擴散反應呈現藍色；用相同大米淀粉溶液與0.01 mol/L碘（KI）水自然擴散反應，從左到右隨著淀粉溶液濃度逐漸減小，碘的濃度逐漸增加，溶液膜呈現五階對比色帶，如下“大米淀粉-I2（KI）水”示意圖：

普通玉米淀粉、蕎麥淀粉、小麥淀粉、高粱米淀粉溶液和碘水自然擴散反應與大米淀粉和碘水的呈色現象相似。

2.1.3 糯米淀粉與碘水的自然擴散過程

圖3和圖4是0.5%的糯米淀粉溶液與兩種碘水自然擴散現象的照片。糯米淀粉溶液與純碘水自然擴散呈現紫色；相同糯米淀粉溶液與碘（KI）水擴散顯色反應，隨著溶液膜中從左到右碘濃度逐漸增大的呈色現象，如“糯米淀粉-I2（KI）水”的示意圖：

大黃米、糯玉米、糯高粱和糯米淀粉溶液與碘水自然擴散呈色現象相似。

2.2 常見豆類淀粉與碘水自然擴散呈色現象

2.2.1 豌豆淀粉與碘水的自然擴散呈色過程

圖5、圖6是豌豆淀粉與兩種碘水自然擴散現象的照片，無色0.5%的豌豆淀粉溶液與純碘水自然擴散反應呈現艷藍色，用相同豌豆淀粉溶液與較高濃度（0.01 mol/L）碘（KI）水，從左至右自然擴散過程的呈色現象如“豌豆淀粉-I2（KI）水”的示意圖：

豌豆淀粉與碘的顯色反應，靈敏度高，現象明顯。紅蕓豆淀粉和豌豆淀粉與碘顯色現象相似。

2.2.2 綠豆淀粉與碘水的自然擴散過程

圖7是綠豆淀粉溶液與碘（KI）水自然擴散現象的照片。在點滴皿上，濃度為0.5%的綠豆淀粉溶液從左向右自然擴散濃度逐漸減小，I2（KI）水濃度逐漸增加的溶液膜顯色現象，如“綠豆淀粉-I2（KI）水”示意圖：

通過實驗常見豆類淀粉與碘水的擴散反應顯示各異的藍色，擴散反應隨著淀粉濃度增大藍色加深，隨著碘的濃度增大顏色加深。

2.3 常見薯類淀粉與碘水的自然擴散現象

2.3.1 紅薯淀粉溶液與碘水的自然擴散過程

圖8用0.5%紅薯淀粉溶液與純碘水自然擴散液膜呈現藍色。圖9是紅薯淀粉溶液從左到右與碘（KI）水膜自然擴散現象的照片，其中圖9下圖碘（KI）水層相對薄（呈棕黃色），從左到右隨著碘濃度的增大，淀粉遇碘擴散的液膜由藍色漸變為藍黑色；圖9上圖碘（KI）水膜相對偏厚（呈棕紅色），擴散呈色現象，如“紅薯淀粉-I2（KI）水”的液膜示意圖：

在相同條件下，擴散現象與顯色溶液膜的厚度有關，如果有色溶液膜增厚，透光度降低，液膜顏色加深。

2.3.2 馬鈴薯淀粉溶液與碘（KI）水的自然擴散過程

圖10為0.5%的馬鈴薯淀粉溶液與純碘水自然擴散現象的照片，兩種溶液相向擴散液膜變藍。圖11是相同濃度的馬鈴薯淀粉溶液與0.01 mol/L的碘（KI）水自然擴散過程的顯色反應現象，如“馬鈴薯淀粉-I2（KI）水”的示意圖：

馬鈴薯淀粉溶液的特點：與其他同質量分數濃度的淀粉溶液相比較，它的稠度大，溶液互相擴散的速度慢，擴散的液膜顏色變化的界面清晰濃重。

上述幾例天然植物淀粉與碘水自然擴散顯色實驗中，用0.5%淀粉溶液與8.0×10-4 mol/L純碘水的顯色反應現象作為參照。因為不同植物淀粉與碘（KI）水自然擴散的溶液膜呈色現象各有特點和規律，在生產實踐中可以利用它們的這種呈色規律特點，分別鑒別不同的淀粉或淀粉原料，也可以用此方法，把不同的淀粉分類。

淀粉與碘的呈色現象與溶液的濃度等條件有關系，但淀粉的組成結構決定了它們的顯色性。直鏈淀粉與支鏈淀粉對碘的吸附能力不同。呈螺旋結構的直鏈淀粉分子能夠吸附碘形成絡合物，每6個葡萄糖殘基形成一個螺旋圈，恰好可容納1個碘分子[8-9]。每1g純直鏈淀粉能吸附約200mg碘，即重量的20%。當直鏈淀粉和支鏈淀粉同時存在時，若碘的濃度很低，碘只能被支鏈淀粉吸附，當碘濃度升至10-4mol/L時，支鏈淀粉才開始吸附碘。而且支鏈淀粉吸附碘的量很少，不到1%。支鏈淀粉與碘結合后呈現的顏色與分子分支化度和外鏈的鏈長有關，隨著分支化度的提高和外鏈鏈長的變短，與碘結合的顏色由紫紅色轉為紅色最后呈碘本色（棕色）[10]。常見植物淀粉中直鏈淀粉含量與碘（KI）水擴散顯色規律歸納總結于表1。

通過實驗可知，相同條件、不同植物淀粉含直鏈淀粉與支鏈淀粉的量不同與碘的顯色現象不同，同種植物淀粉溶液與不同濃度的碘水擴散顯色現象不同。但不同植物中直鏈淀粉與支鏈淀粉的含量相近，相同濃度的淀粉溶液與相同濃度的碘水擴散反應顯色規律相同。

3 淀粉與碘水自然擴散呈色過程中的干化變化現象

3.1 淀粉與純碘水自然擴散過程中的干化變化

圖12和圖13是玉米淀粉溶液與飽和純碘水自然擴散過程中的同一個實驗不同時間的照片。此實驗是在點滴皿上滴加2滴0.5%玉米淀粉溶液滴，形成圓形液膜的中心處，滴加2滴純碘水，碘從圓心向外擴散與外圓淀粉溶液自然擴散反應的對比現象，示意圖如下：

圖13是圖12實驗的繼續，在點滴皿上實驗（圖13）現象隨著時間的延長，溶液中水不斷自然蒸發、I2升華，10分鐘后反應液逐漸干化，呈色也隨之失去，留下淡淡的水痕跡。如果再滴加適量的水，不能恢復原顏色，這是淀粉溶液與純碘水顯色變化過程的不可逆現象。

通過淀粉與純碘水自然擴散的干化現象說明，淀粉遇碘的顯色反應，不是化學反應，而是物理吸附作用。

3.2 淀粉與碘（KI）水自然擴散過程中的干化變化

圖14是0.5%木薯淀粉溶液與0.01 mol/L不同厚度（上圖厚、下圖薄）碘（KI）水自然擴散的顯色現象。

圖15是與圖14同一實驗溶液膜隨時間延長、水蒸發的干化現象，從左至右未反應的淀粉溶液干化至淺白色，擴散液中靠近淀粉溶液部分，淀粉含量相對偏高，干化膜顯藍黑或黑色，隨著擴散反應的進行，淀粉含量逐漸降低，碘含量逐漸升高，擴散顯色溶液膜干化后的現象示意圖如下：

碘（KI）水膜干化形成的微晶粒呈棕黃或黃色。說明晶體中依然含有單質碘，由于I2和I-發生反應：

3.3 淀粉與兩種碘水自然擴散過程干化現象的對比

上述例舉了淀粉溶液分別與純碘水、碘（KI）水自然擴散實驗，同時通過照片記錄了淀粉溶液與兩種碘水自然擴散過程中溶液濃度變化而顯色現象的變化。由于液膜擴散實驗取用試劑量少（一般0.05～0.15mL），而且形成液膜易于觀察，有利于水蒸發、I2升華。此實驗方法不但展示了擴散過程連續顯色現象規律，還展現了液膜自然干化過程的現象變化，綜合于表2。

4 淀粉水解過程中的物質遇碘水呈色變化規律

淀粉自然水解比較慢，用時長，通常在水解酶作用或調解淀粉溶液酸堿性來加快淀粉的水解速度。為了研究方便又不影響淀粉與碘水的反應效果，所以此實驗選用酸性條件下的淀粉水解過程。

4.1 酸性條件下淀粉與碘水的自然擴散過程

圖16是在常溫條件下，新配制酸性（10mL 0.5%的馬鈴薯淀粉溶液加2mL 6 mol/L硫酸）淀粉溶液與純碘水、碘（KI）水的自然擴散現象。圖16與馬鈴薯淀粉和碘水自然擴散過程的顏色現象相同（見圖10、圖11），說明適度調解溶液酸性對淀粉與碘的呈色反應影響不大。

4.2 淀粉水解過程中的產物與碘水自然擴散呈色現象

圖17是取用與圖16相同的酸性馬鈴薯淀粉溶液，在水解反應過程（煮沸2分鐘）中，取適量水解反應液冷卻至常溫（20℃），在同一塊點滴皿上，與純碘水擴散反應顯淡紫色（圖17上）；與碘（KI）水自然擴散呈色（圖17下）現象的示意圖如下：馬鈴薯淀粉︱淀粉水解液-I2絡合物︱I2（KI）水

無色 紫色 棕紅 棕色 棕黃色

當對馬鈴薯淀粉酸性溶液煮沸水解4分鐘，冷卻至常溫，同樣做碘的自然擴散呈色實驗，無顯色現象（照片略）。

馬鈴薯淀粉水解過程中的產物與碘水顯色變化規律：藍色→紫色→棕紅→棕色→無色。驗證了馬鈴薯淀粉隨著水解反應的進行分子鏈逐漸變短，聚合度隨著水解逐漸減小，吸附碘的直連淀粉分子隨著聚合度的不同呈現不同的顏色反應，聚合度45以上呈藍色、35～40呈紫色、20～30呈紅色、12～15呈棕色、聚合度12以下的短鏈遇碘不呈現顏色變化。

5 用液膜自然擴散法研究淀粉與碘水顯色規律的應用小結

上述用液膜自然擴散實驗探究了淀粉溶液與碘水反應過程的顯色規律。每個實驗取用滴量的淀粉溶液和碘水，在點滴皿上，一般在1min內自然擴散反應形成規律的對比現象，有利于中學教師直接投影演示實驗教學。此實驗用于學生實驗，有助于觀察、分析和理解；有利于拍照、攝錄實驗中物質變化過程中的現象，作為系列實驗現象影像，是珍貴的教學插圖和研究資料。液膜自然擴散實驗減少了藥品的用量，節省了實驗經費，減輕了對環境的污染，有利于化學實驗的普及，提高了化學實驗的綜合效果，倡導了綠色化學理念。

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