電導率法探究碘在水中的溶解性

束金華

摘要： 針對用過量碘單質與水配成的碘水溶液顏色會逐漸變深的實驗現象，分析其實驗原理。設計相關的探究實驗，在17天內測定碘水溶液電導率的變化，并對電導率儀溫度補償原理進行說明。實驗結果表明，隨著時間的延長，碘水的電導率逐漸增大。測量溶液pH前后的變化，估算溶解碘的質量，證實碘在水中溶解度增大，碘水濃度增大。該探究實驗可以促進學生對碘單質在水中溶解本質的理解。

關鍵詞： 電導率;碘的溶解度估算;岐化反應;多碘離子;實驗探究

文章編號： 10056629（2018）3007003 中圖分類號： G633.8 文獻標識碼： B

1 問題的提出

碘是一種紫黑色晶體，在水中的溶解度很小，25℃時100g水中只能溶解0.030g碘 [1]。但如果水中含碘離子會使碘單質的溶解度增大，因為發生如下反應： I 2+I -I - 3 [2]。所以實驗室配制碘水，通常加入KI來促進I 2在水中的溶解。

因此有學生認為碘微溶于水，要配制較高濃度的碘水，光用碘單質和水是不行的，必須要加入KI。那么，在配制碘水時，是否僅用蒸餾水和碘單質就得不到較高濃度的碘水呢？對此，筆者曾多次做過這樣的實驗： 在室溫下（25℃），將過量的碘（0.7g）加入100mL蒸餾水中配制碘水（不加KI），振蕩溶解。實驗發現剛開始碘水的顏色較淺，為淺黃色。在試劑瓶中密封保存，放置17天，發現試劑瓶中碘水的顏色逐漸變深，呈棕褐色。我們根據顏色深淺推斷，似乎碘水的濃度變大了。那么，從淺黃色到棕褐色，碘水的顏色為什么會逐漸變深？這里面發生了什么反應？如何證實碘水的濃度變大了呢？我們考慮用測量碘水溶液電導率變化的方法進行驗證。

2 實驗部分

2.1 實驗器材

2.3 實驗內容

2.3.1 碘水的配制

我們將一張濾紙放置在電子天平上，清零。將少量碘倒在濾紙上，稱得其質量m 碘。將稱量好的碘倒入試劑瓶中，蓋上試劑瓶蓋，發現試劑瓶內出現紫紅色蒸氣。然后在試劑瓶中倒入100mL蒸餾水（25℃時，電導率28.3μS/cm， pH=6.91），振蕩使碘溶解，發現碘絕大部分沒有溶解，同時得到淺黃色溶液。

2.3.2 電導率的測量

我們采用DDS11A型電導率儀（手動溫度補償、電極常數0.989）進行電導率的測量。我們預測電導率σ與離子濃度c、溫度t和時間x相關： σ=f（c， t， x）;而離子濃度c與溫度t、時間x相關： c=g（t， x）。在某一時刻，電導率σ只跟濃度c、溫度t相關，即σ=F（c， t）;同時濃度c只隨溫度t而變，即c=G（t）。因此σ=F[G（t）， t]，或σ=H（t）。現有的電導率儀會將電導率σ統一換算到25℃下，以便于比較。這種換算其實綜合了溫度t和碘水濃度c兩個因素影響。從σ=H（t）， t=G -1（c），可以得出σ=H[G -1（c）]，或σ=S（c），說明電導率σ還可只跟濃度c相關。因此長時間多次所測的電導率σ變化其實也反映了25℃下濃度c的變化。因此需要進行手動測定碘水溫度，設定相應補償溫度，這樣儀器會把實際所測電導率換算為25℃時對應濃度下的電導率。換算依據為： σ 實際=σ 25[1+α（t 實際-25）]， α=2% [4]。首次打開DDS11A型電導率儀，需設定電極常數為0.989。測量時，儀器先預熱30分鐘后，用溫度計測量觀察當時碘水溫度并進行相應溫度補償設定，振蕩試劑瓶使溶液均勻，將電極置于碘水中測量剛配制的碘水的電導率（已換算為25℃時的值）并記錄。此后每過24小時即進行一次電導率的測量（測量前振蕩試劑瓶）。經過17天發現碘水電導率逐漸增大，從32.8μS/cm增加到50.8μS/cm。

為了驗證H +增多，可以測量實驗前后25℃時溶液的pH（因pH計無換算功能，需控制溫度）進行驗證。在剛配制好的碘水測量完電導率后，控制室溫于25℃（房間內空調控制），打開便攜式pH計，經過兩點校正后，將便攜式pH計置于碘水中，測量碘水pH并記錄;經過17天，在測量完電導率后，同樣控制室溫于25℃，將pH計置于碘水中測量碘水pH并記錄。

2.3.3 溶解度的估算

為了估算100mL水中溶解了多少碘，我們可以稱量實驗前后碘單質質量，然后求差值，從而估算出溶解于水中的碘單質質量。濃度c與溫度t、時間x相關，c=g（t， x），而某一時刻濃度c只隨溫度t而變，即c=G（t）。最后控制室溫于25℃（消除溫度對溶解度的影響，便于比較），將碘水中的水緩慢倒入燒杯中，瀝干。將未溶解碘取出，迅速置于濾紙上，濾紙有吸水作用，水分在濾紙上擴散。再取另一張濾紙，在碘顆粒上擦拭吸干碘顆粒上的水分。干燥后，在電子天平上放置一張濾紙，清零，將剩余的碘顆粒轉移到濾紙上稱其質量m 剩余碘。根據m 溶解碘=m 碘-m 剩余碘可估算出溶解于水中碘的質量。

2.4 原始數據記錄

2.4.1 電導率值

注意： 每天不同溫度下測得的電導率已經過儀器的手動溫度補償處理，儀器自動換算到25℃的電導率值，見表1。

根據電導率σ（已換算為25℃時的值）與溶液配制時間x的實驗數據作關系圖，得到電導率（已換算為25℃時的值）σ與配制時間x大致呈線性關系，σ=1.029x+34.792，說明碘水電導率（已換算為25℃時的值）隨著配制時間增大而增大，證明碘水的濃度增大了。電導率與時間關系見圖1。

圖1 碘水電導率與配制時間關系圖

2.4.2 溶液pH（25℃）記錄

注意： 前后兩次都是在25℃下測定。

剛配制好時溶液pH： 6.55。

17天后溶液pH： 5.08。

溶液的pH變小，溶液的酸性有所增強。H +增多，也說明有碘單質逐漸發生反應I 2+H 2OH ++I -+HIO而溶解。碘水濃度增大。

2.4.3 碘的溶解度（25℃）

稱量所得碘的質量m 碘： 0.7g。

剩余碘的質量m 剩余碘： 0.5g。

溶解碘的質量m 溶解碘=m 碘-m 剩余碘=

0.7g-0.5g=0.2g。

經過17天，室溫25℃下，估算出100mL水（100g）中能溶解0.2g碘單質，可見碘單質溶解度增大了，說明碘水濃度變大了。

2.5 實驗現象解釋

溶液剛配制時顏色較淺，得不到較高濃度的碘水，是因為剛開始碘單質微溶于水，而反應I 2+H 2OH ++I -+HIO， I 2+I -I - 3緩慢，更多的碘單質溶解需要一定時間;剛剛配制時溶液pH為6.55，17天后為5.08，溶液酸性增強，是因為碘單質與水反應生成氫碘酸和次碘酸，氫碘酸完全解離成H +，導致溶液越來越呈酸性;碘水電導率增大是因為在I -作用下使得碘單質產生誘導偶極，I 2又和I -生成I - 3，碘水中導電離子逐漸增多（主要為H +、 I -、 I - 3）。所以不加KI也能得到濃度較高的碘水，其原理與加KI原理是一致的，兩者共同原因都有I 2+I -I - 3的作用。

3 結語

實驗證明，僅用蒸餾水與碘配制碘水，經過較長時間放置，濃度逐漸增大，是可以得到較高濃度的碘水的。但現有的多數中學化學教科書中，并未提及上述實驗事實。在碘單質的性質教學過程中，我們可以把這個探究實驗制作成微課，作為間接化學實驗事實 [5]，供中學化學教學參考，也可以供中學生拓展學習，有助于他們消除關于碘單質溶解性的一些不準確的前概念 [6]，促進學生對碘在水中溶解本質的理解，培養學生的實驗探究精神。

參考文獻：

[1]嚴宣申，王長富.普通無機化學（第2版）[M].北京： 北京大學出版社，1999： 25.

[2]北京師范大學等.無機化學（下冊）（第4版）[M].北京： 高等教育出版社，2001： 470.

[3]武漢大學等.無機化學（下冊）（第3版）[M].北京： 高等教育出版社，1994： 523.

[4]張國城.電導率儀溫度補償兩套公式的根源及其優劣[J].中國計量，2010，（8）： 87.

[5]劉知新.化學教學論（第4版）[M].北京： 高等教育出版社，2009： 205.

[6]王祖浩等.化學教育心理學[M].南寧： 廣西教育出版社，2007： 387，405～406.