果蔬為原料的碘時鐘實驗探究

王潔 龍琪 韓亞秀 徐海彪 吳簫

摘要： 碘時鐘實驗是著名的化學趣味表演實驗。為了讓這一經典實驗走進中小學生的生活世界，以水果和蔬菜為原料對其進行生活化設計。基于實驗原理提出實驗方案的相關假設，對實驗方案進行微量實驗探究和常量實驗驗證。最終發現紅辣椒是演示碘時鐘實驗的最佳原料。

關鍵詞： 碘時鐘實驗; 維生素C; 雙氧水; 實驗探究 ? 文章編號： 10056629（2019）6006605??????中圖分類號： G6338??????文獻標識碼： B

1886年，瑞士化學家蘭多爾特（Landolt）首次演示了碘時鐘實驗[1]。這個實驗瞬間變藍的奇妙現象打動了無數科學愛好者。雖然一百多年過去了，但是碘時鐘實驗至今還被用于化學動力學問題的教學[2， 3]。

經典碘時鐘實驗用到的藥品是碘酸鉀、亞硫酸氫鈉、淀粉和濃硫酸。它們全是化學試劑，遠離學生的生活世界。因此，有學者嘗試著用生活物品改進碘時鐘實驗。其中最常見的是采用維生素C藥片、醫用雙氧水、碘酊和淀粉做此實驗[4]。但有研究發現，用維生素C藥片做碘時鐘實驗的重復性不是很好[5]。因此，本研究采用富含還原性物質的水果和蔬菜來設計和演示碘時鐘實驗。

實驗探究階段試驗了十余種水果和蔬菜，發現能產生碘時鐘實驗類似現象的果蔬分別是紅辣椒、檸檬、獼猴桃、胡蘿卜、芒果、橙子、夏黑葡萄等。最終，綜合考慮實驗效果、原料成本、實驗安全性和學生參與度等因素，發現紅辣椒是演示生活化碘時鐘實驗的最佳原料。

用水果和蔬菜演示碘時鐘實驗具有多重意義。首先，水果蔬菜所含成分全是天然物質，沒有人工添加劑，有利于激發學生的好奇心，提高實驗的趣味性。其次，水果蔬菜是人體健康必需的營養物質，在日常生活中比維生素C藥片的認知度更高。用水果和蔬菜演示碘時鐘實驗更能展示“化學在身邊”的科學理念，有助于提高實驗的生活性，非常適宜給中小學生在課內外演示。因此，它在科學教育中具有較強的實用性。

1?實驗設計與方案篩選

在經典碘時鐘實驗中，溶液剛開始混合后的一段時間內沒有任何現象，稍等片刻后溶液突然變色。本研究將混合后沒有現象的那段時間稱為等待期，將變色瞬間所用時間稱為變色期。參照碘時鐘實驗的經典現象，本研究的探究目標是將等待期控制在5～20秒之間，變色期控制在2秒以內。

實驗原理及實驗假設

維生素C體系碘時鐘實驗的反應原理如下所示[6]：

反應（1）中，單質碘被過量維生素C還原，生成碘離子。此時溶液中的還原性物質為碘離子和過量維生素C。兩種溶液混合后，由于維生素C的還原性大于碘離子，所以在第（2）步反應中，雙氧水先與過量維生素C反應。這時，碘時鐘反應處于等待期。待維生素C全部被氧化后，發生反應（3），雙氧水將碘離子氧化成單質碘，使淀粉變藍，實驗中出現瞬間變藍的實驗現象。

由上述反應原理可知，混合溶液中的維生素C濃度越大，等待期越長。雙氧水濃度越大，等待期和變色期都會縮短。另外，酸性條件可以提高雙氧水的氧化性，并且單質碘在弱堿性條件下會發生歧化反應。因此，碘時鐘實驗必須在酸性條件下進行。

根據以上反應原理推導出以下果蔬碘時鐘實驗的假設方案： 用榨汁機獲取水果汁或者蔬菜汁原液，取清液于試管中。向清液中加入碘酊，得到溶液A。醫用過氧化氫消毒液中加入硫酸進行酸化，再加入淀粉溶液，得到溶液B。預期的實驗現象是： 將A、 B兩種溶液混合后，稍等片刻，溶液迅速變色。

實驗探究

碘時鐘實驗現象中的變色期和等待期對試劑濃度非常敏感。因此，實驗原料的選擇以及實驗試劑的用量及配比是本實驗的研究重點。

果蔬品種的選擇

果蔬品種的選擇是實驗探究的第一步。筆者嘗試了十余種富含維生素C等還原性物質的水果和蔬菜。發現可以出現碘時鐘實驗類似現象的果蔬分別是紅辣椒、檸檬、獼猴桃、胡蘿卜、芒果、橙子、夏黑葡萄。由于維生素C等還原性物質易被氧化，所以實驗中的果蔬汁要現用現配，不要隔夜使用。

淀粉品種的選擇

本研究發現，淀粉品種會影響碘時鐘實驗的顏色變化。有些淀粉遇碘并不立刻變藍，而是先變為粉紫色或紫褐色，然后才逐漸變成藍色。這種現象與碘時鐘實驗中“瞬間變藍”的現象差別較大。查閱文獻得知，淀粉可分為直鏈淀粉和支鏈淀粉兩種。支鏈淀粉遇碘呈紫紅色。直鏈淀粉與碘作用呈現藍色[7]。不同植物淀粉中直鏈淀粉和支鏈淀粉的比例不同。淀粉遇碘呈現的最終顏色取決于該淀粉中直鏈淀粉與支鏈淀粉的比例[8]。此外，天然淀粉中還含有油脂。碘溶于油脂中，會使溶液呈現紅色至橙紅色的顏色[9]。基于文獻查閱結果，本研究先后采用紅薯淀粉、玉米淀粉、小麥淀粉和馬鈴薯淀粉進行實驗。結果發現，只有馬鈴薯淀粉會使混合溶液瞬變為藍黑色，符合碘時鐘實驗的要求。

試劑用量及配比

根據反應機理，對果蔬碘時鐘實驗中的等待期和變色期進行調整，以達到預期的實驗現象。調整方法是： 增加果蔬汁體積延長等待期，反之亦然。增加雙氧水體積縮短等待期和變色期，反之亦然。加熱條件能同時縮短等待期和變色期。根據這種調整方法，經過數次嘗試，本研究得到了以下微量實驗方案。

[實驗原料]市售水果和蔬菜若干種、碘酊、純凈水、過氧化氫消毒液、馬鈴薯淀粉，3mol·L-1硫酸

[實驗器材]有刻度的塑料滴管、量筒、燒杯、玻璃棒、榨汁機、石棉網、三腳架、酒精燈

[實驗準備]

（1） 稀釋碘酊溶液： 將碘酊和純凈水按照1∶6的體積比稀釋，備用。

（2） 配制馬鈴薯淀粉溶液： 取10g馬鈴薯淀粉放入200mL冷水中攪拌均勻。加入300mL沸水攪拌均勻（如果將馬鈴薯淀粉直接倒入沸水后攪拌，粉末狀的馬鈴薯淀粉會凝結成塊狀，不利于淀粉溶液的形成）。冷卻后加入3mol·L-1硫酸溶液10mL。

（3） 制備果蔬汁： 將水果和蔬菜剝皮去核，用榨汁機榨取汁液，靜置，取清液備用。

（4） 貼標簽： 給燒杯和塑料滴管分別貼上相應標簽，防止混用。

[實驗步驟]

（1） 配制溶液A： 取10滴稀釋后的碘酊溶液，向其中逐滴加入果蔬原汁，邊加邊振蕩，直到碘酊溶液剛好褪色或者顏色突然變淺（果蔬汁的具體滴數詳見表1），得到溶液A，將其加熱至微沸。

（2） 配制溶液B： 取10滴過氧化氫消毒液，10滴3mol·L-1硫酸和2mL馬鈴薯淀粉溶液混合，得到溶液B，將其加熱至微沸。

（3） 將溶液B快速倒入溶液A，同時啟動秒表計時，觀察溶液變色時間及變色現象。

對實驗方案的初步篩選

微量實驗用于初步探究果蔬碘時鐘實驗中的試劑用量及其配比，不便于演示和表演。在微量實驗成功之后，本研究又將試劑擴大倍數，改為常量實驗。根據實驗原理對試劑用量做了微調。同時對溫度條件作了調整。在微量實驗階段，實驗次數非常多。為了簡化操作，實驗時將A、 B溶液加熱至微沸，從而省去使用溫度計的操作。但是，微沸條件下，有可能會發生一系列副反應，比如果蔬汁中的還原性成分被氧化或者分解，雙氧水發生分解，碘與淀粉變成的藍色消失等。因此，常量實驗方案的探究中，將加熱至微沸條件改為加熱至30℃左右。這一改變不僅可以減少副反應發生，而且使得該實驗在夏天演示效果更好。因為夏天溫度經常在30℃左右，正是水果蔬菜大量上市的季節。在夏天做此實驗，既可以省去加熱操作，也可以設計生動有趣富有生活氣息的實驗情景。

常量試驗發現，用紅辣椒、胡蘿卜、檸檬汁和獼猴桃做的演示效果較好。具體實驗方案為： 按照表2所示用量配制溶液A和溶液B。分別將兩種溶液加熱至30℃左右。將溶液B倒入溶液A，同時啟動秒表計時，觀察溶液變色時間及變色現象。紅辣椒和胡蘿卜的碘時鐘實驗現象是橙紅色溶液靜置一段時間后變為黑色。獼猴桃和檸檬的碘時鐘實驗現象是乳白色溶液靜置一段時間后變為藍色。

紅椒碘時鐘實驗最終方案

從實驗現象來看，表2所示的四種果蔬碘時鐘實驗均能取得理想的實驗效果。但是，一個好的趣味表演實驗，除了考慮實驗現象以外，還要考慮實驗原料的購買成本、購買渠道以及原料的安全性。原料成本低有助于擴大試劑用量，提升視覺效果。原料購買方便有利于擴大實驗的普及面。原料安全性高有利于提高觀眾的參與度。

表2所示的四種水果蔬菜中，紅辣椒和胡蘿卜具有汁液顏色鮮艷、原料成本低、安全性高、購買方便的優點。但是這兩個方案都要用到硫酸溶液。它是實驗室里的化學試劑，既不方便購買，也不安全。于是，本研究將淀粉溶液的酸化試劑由硫酸改為醋精（總酸含量≥30g/100mL）。結果發現紅辣椒碘時鐘實驗依然能取得理想的實驗效果。而胡蘿卜碘時鐘實驗換成醋精之后，變色過程為漸變，不是瞬變。

綜合多方面因素，本研究發現，紅辣椒是演示碘時鐘實驗的最佳原料。具體實驗方案如下所示：

[實驗原料]紅辣椒、碘酊（2%）、純凈水、醫用過氧化氫消毒液（2.7%～3.3%）、馬鈴薯淀粉、醋精（總酸含量≥30g/100mL）

[實驗器材]有刻度的塑料滴管、量筒、燒杯、玻璃棒、榨汁機、石棉網、三腳架、酒精燈、溫度計

[實驗準備]

（1） 稀釋碘酊溶液： 將碘酊和純凈水按照1∶ 6的體積比稀釋，備用。

（2） 配制馬鈴薯淀粉溶液： 取10g馬鈴薯淀粉放入200mL冷水中攪拌，再將其倒入300mL沸水中，攪拌均勻，得馬鈴薯淀粉澄清溶液。

（3） 制備紅椒汁： 將紅辣椒去籽去筋，用榨汁機榨取汁液，靜置，取清液備用。

（4） 貼標簽： 給溶液和塑料滴管貼上相應的標簽，防止混用。

[實驗步驟]

（1） 配制溶液A： 取30mL稀釋后的碘酊溶液，向其中加入40mL紅椒汁，攪拌均勻，得到溶液A。將其微熱至30℃左右。

（2） 配制溶液B： 取50mL醫用過氧化氫消毒液、30mL醋精、150mL馬鈴薯淀粉溶液混合均勻，得到溶液B，將其微熱至30℃左右。

（3） 將溶液B快速倒入溶液A中，同時啟動秒表計時，觀察溶液變色時間及變色現象。

[實驗現象]

紅椒碘時鐘實驗的等待期為12秒，變色期不到1秒。溶液顏色由橙紅色瞬變為黑色，實驗效果非常理想。

3?研究結論與展望

本研究基于經典碘時鐘實驗原理，對其進行生活化設計。先從微量實驗入手，尋找能夠達到較好效果的水果蔬菜和淀粉，探究各種試劑的用量和配比。微量實驗成功后，將試劑用量等比例放大，對常量實驗做了探究，并對微量實驗方案做了調整和優化。通過反復多次試驗，本研究發現以紅辣椒為原料的生活化碘時鐘實驗的最佳方案如下所示：

（1） 實驗準備： 按照V（碘酊）∶V（水）=1∶6的比例稀釋碘酊;取5g馬鈴薯淀粉放入100mL冷水中攪拌均勻，再將其倒入150mL沸水中攪拌均勻。紅辣椒去籽去皮，榨取紅椒汁。

（2） 配制溶液A： 取30mL稀釋后的碘酊溶液與40mL紅椒汁混合均勻，微熱至30℃左右。這時混合溶液A呈現紅椒汁的橙紅色（注：不同品牌碘酊的濃度略有差異。配制溶液A時，向碘酊稀溶液中逐漸加入紅椒汁，當碘酊顏色恰好消失時，再加入幾滴紅椒汁即可）。

（3） 配制溶液B： 將50mL醫用過氧化氫消毒液、30mL醋精、150mL馬鈴薯淀粉溶液混合均勻。微熱至30℃左右，這時混合溶液B為無色。

（4） 實驗表演： 將溶液B快速倒入溶液A中。剛開始混合時，溶液仍然為橙紅色，沒有任何現象。大約在混合后第12秒左右，橙紅色瞬變為黑色，這一顏色變化過程在1秒內迅速完成。

本方案中用到的紅辣椒為菜場和超市中常見的大紅椒。長約10～15厘米，頂部直徑約0～2厘米，根部直徑約4～6厘米。皮肉厚實，不規則，質感硬。口感較辣。配制溶液的純凈水為商品名稱中含有“純凈水”字樣的飲用水。

相比于經典碘時鐘實驗，本實驗具有以下優點： 實驗原料廉價易得，在菜場、超市和藥店中都能買到。實驗操作簡便安全、實驗現象明顯、密切聯系生活。能使學生感受到生活中處處有化學，從而激發化學學習興趣。

本文所述果蔬碘時鐘實驗還可引發很多后續研究。首先，從科學教育的視角進行教學設計，將果蔬碘時鐘實驗用于化學動力學問題的探究、中小學幼兒園的趣味實驗表演、面向公眾的科普宣傳活動等。其次，檸檬、獼猴桃、胡蘿卜、芒果、橙子、夏黑葡萄等水果也能產生碘時鐘實驗的類似現象，但實驗現象中的不足之處在于瞬變過程有待優化。最后，富含還原性物質的水果蔬菜品種繁多，本研究僅試驗了其中的十余種。其他水果和蔬菜在碘時鐘實驗中的探究設計留待學界同行深入研究。

參考文獻：

[1]?https：//en.wikipedia.org/wiki/Iodine_clock_reaction.

[2]?姜紹南， 耿志琴， 黃金蘭. “碘時鐘實驗”在中學化學教學中的應用初探[J]. 中小學實驗與裝備， 2017， （6）： 28～29.

[3][4]?Wright S.W.. The vitamin C clock reaction [J]. Journal of Chemical Education， 2002， 79（1）： 42.

[5][6]?朱思敏， 張偉娜. 維生素C的碘時鐘實驗探索[J]. 化學教學， 2008， （9）： 19～20.

[7]?張秀清. 淀粉與碘反應的顯色原理和條件[J].實驗教學與儀器， 2006， （12）： 27～28.

[8]?張前進. 淀粉遇碘不一定變藍[J]. 生物學通報， 2014， 49（1）： 53～54.

[9]?賈同全. 碘遇淀粉一定變藍色嗎[J]. 中學化學， 2014， （11）： 24.