數(shù)字化實(shí)驗(yàn)探究酸性KI溶液被空氣中O₂氧化

葉晟瑜 王菲菲 喻家香 蔡雪

摘要：利用數(shù)字化實(shí)驗(yàn)手段研究了不同濃度Kl在酸性條件下被空氣中的O2氧化的情況，得到不同濃度KI溶液在適宜條件下的O2消耗量隨時(shí)間變化的圖像，并由此判斷數(shù)字化實(shí)驗(yàn)演示最佳條件。引入數(shù)字化實(shí)驗(yàn)技術(shù)，可以通過O2的消耗直觀顯示反應(yīng)的發(fā)生，幫助學(xué)生加深對于“反應(yīng)物濃度影響反應(yīng)速率”的理解。

關(guān)鍵詞：KI溶液；淀粉溶液；氧氣傳感器；色度傳感器

文章編號：1008-0546（2022）12x-0076-03

中圖分類號：G632.41

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

doi： 10.3969/j .issn.1008-0546.2022.12x.018

一、問題的提出

KI在酸性條件下被空氣中的O2氧化，實(shí)驗(yàn)反應(yīng)原理為4H++41-+02=2I2+2H2O。通過對反應(yīng)物濃度的研究，可以幫助學(xué)生從定量的角度理解“反應(yīng)物濃度影響反應(yīng)速率”。通過文獻(xiàn)查閱，發(fā)現(xiàn)目前已有的對該反應(yīng)的研究中，大多通過顯色時(shí)間判斷反應(yīng)速率的快慢。[1]然而，在重復(fù)實(shí)驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)僅憑肉眼觀察顏色變化不太可靠，不同人眼睛的辨色能力有差異，同一個(gè)人看不同樣品也不能做到完全一致。因此，考慮引入數(shù)字化實(shí)驗(yàn)技術(shù)探究實(shí)驗(yàn)演示最佳條件。

二、實(shí)驗(yàn)條件的探究

1．實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

（1）設(shè)計(jì)思路

由于利用氧氣傳感器的實(shí)驗(yàn)需要在密閉的氣體取樣瓶中進(jìn)行，若藥品用量過大，反應(yīng)消耗O2較多，氣體取樣瓶中氣壓降低阻止反應(yīng)順利進(jìn)行；若溶液濃度過大，變色過快，則不利于數(shù)據(jù)采集與課堂演示。因此，在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)之前需要探究變色時(shí)間可控、O2消耗量適當(dāng)?shù)膶?shí)驗(yàn)條件。

該實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的影響因素主要有KI溶液濃度、各試劑用量、新制KI溶液放置時(shí)間。本實(shí)驗(yàn)對于以上三因素分別選取了多個(gè)水平，進(jìn)行了正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)（見表1）。通過文獻(xiàn)查閱發(fā)現(xiàn)，目前常采用新制1.0 mol/L KI溶液與0.1 mol/L稀硫酸以硫酸過量的形式進(jìn)行反應(yīng)。[2]然而，在進(jìn)行預(yù)實(shí)驗(yàn)過程中，發(fā)現(xiàn)直接利用新制KI溶液進(jìn)行實(shí)驗(yàn)顯色時(shí)間過長，現(xiàn)象不易觀察，不適合課堂演示。[3]據(jù)此，進(jìn)行了如下的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)。

由于氣體取樣瓶體積為250 mL，因此，選用生活中常見的塑料瓶為實(shí)驗(yàn)器材進(jìn)行探究。本實(shí)驗(yàn)選用八個(gè)容量為300 mL的飲料瓶將其平分為A、B兩組，見圖1。A組四個(gè)瓶分別加入0.1 mol/L、0.5 mol/L、1.0 mol/L、1.5 mol/L的KI溶液，KI溶液與稀硫酸的添加體積比為I：1;B組四個(gè)瓶分別加入0.1 mol/L、0.5 mol/L、1.0 mol/L、1.5 mol/L的KI溶液，KI溶液與稀硫酸的添加體積比為1：2，稀硫酸過量。重復(fù)試驗(yàn)，通過顯色速度對比選出最佳反應(yīng)條件。

（2）實(shí)驗(yàn)儀器與藥品

儀器：300 mL塑料瓶8個(gè)（見圖1）、分析天平、燒杯（50 mL 4個(gè)、250 mL 2個(gè)）、玻璃棒、膠頭滴管、量筒等

藥品：KI粉末、飽和淀粉溶液、98%濃硫酸

2．實(shí)驗(yàn)步驟與現(xiàn)象

（1）探究最佳反應(yīng)濃度與反應(yīng)時(shí)間

第一步：配制溶液。用KI粉末分別配制0.1 mol/L、0.5 mol/L、1.0 mol/L、1.5 moI/L的KI溶液各50 mL；用98%濃硫酸配制0.1 mol/L稀硫酸200 mL；用淀粉配制100 mL飽和淀粉溶液。將配制好的KI溶液靜置th。

第二步：先分別向八個(gè)塑料瓶中加入2 mL飽和淀粉溶液，再分別向八個(gè)塑料瓶中加入4 mL 0.1 mol/L稀硫酸。

第三步：分別向A組四個(gè)塑料瓶中加入4 mL 0.1 mol/L、0.5 mol/L、1.0 mol/L、1.5 mol/L的KI溶液，向B組四個(gè)塑料瓶中加人2 mL 0.1 mol/L、0.5 mol/L、1.0 mol/L、1.5 mol/L的KI溶液，迅速擰緊瓶蓋。觀察并記錄出現(xiàn)顏色變化的時(shí)間。

第四步：分別在1.5 h、2h、2.5 h、3h重復(fù)第二、三步操作，觀察記錄五組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，繪成表格。

（2）探究最佳藥品添加順序

第一步：基于探究出的最佳濃度與最佳靜置時(shí)間，繼續(xù)探究藥品添加順序的影響。以淀粉一硫酸-KI溶液、淀粉-KI溶液一硫酸、硫酸一淀粉-KI溶液、KI溶液一淀粉一硫酸四種順序向塑料瓶中添加藥品。第二步：觀察對比四組實(shí)驗(yàn)的顯色時(shí)間。

3．實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與結(jié)論

經(jīng)過五次重復(fù)實(shí)驗(yàn)，歸納整理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，得到如下表格。

通過對于表2中變色時(shí)間的分析，將新制濃度為0.5-1.5 mol/L的KI溶液在空氣中靜置1.5 h-2 h后，以1：1的比例加入KI溶液和稀硫酸進(jìn)行反應(yīng)，變色時(shí)間適當(dāng)，顏色較明顯，現(xiàn)象較理想。

通過對于表3中顯色速度的分析，發(fā)現(xiàn)以硫酸一淀粉-KI溶液的順序添加試劑顯色最快。

至此，得到該反應(yīng)在300 mL塑料瓶中的最佳反應(yīng)條件，將濃度為0.5 - 1.5 mol/L的新制KI溶液在空氣中靜置1.5 h-2 h，先向瓶中添加4 mL 0.1 mol/L稀硫酸，再加入2 mL飽和淀粉溶液，最后加入4 mL1 mol/L KI溶液。該條件可以遷移應(yīng)用到氣體取樣瓶中。

三、數(shù)字化實(shí)驗(yàn)

1．實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

根據(jù)條件探究實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)KI溶液濃度在0.5-1.5 mol/L時(shí)現(xiàn)象較明顯，因此設(shè)計(jì)濃度梯度為0.6 mol/L、0.8 mol/L、1.0 mol/L、1.2 mol/L的KI溶液進(jìn)行數(shù)字化實(shí)驗(yàn)。另外，新制KI溶液在空氣中靜置1.5 h-2h后較適合實(shí)驗(yàn)，為預(yù)留操作時(shí)間，設(shè)計(jì)將新制KI溶液靜置1.5 h后開始實(shí)驗(yàn)。

本實(shí)驗(yàn)反應(yīng)原理為KI溶液被空氣中的O2氧化，生成的I2遇淀粉溶液變藍(lán)，考慮通過氧氣傳感器測定反應(yīng)消耗空氣中O2的量，以O(shè)2消耗速度表示不同濃度的KI溶液的反應(yīng)速率，空氣中O2含量變化值越大說明消耗的O2越多，空氣中O2含量變化曲線斜率越大說明反應(yīng)速率越快。同時(shí)，由于反應(yīng)現(xiàn)象涉及顏色變化，考慮通過色度傳感器測定不同濃度KI溶液被氧化后的顏色深淺，顏色越深，說明生成的I2的量越多，同時(shí)印證KI溶液濃度越大消耗02越多。

2．實(shí)驗(yàn)儀器與藥品

儀器：氧氣傳感器（威尼爾軟件與技術(shù)公司型號：O2-BTA）、氣體取樣瓶、色度傳感器（威尼爾軟件與技術(shù)公司型號：COL-BTA）、比色皿、數(shù)據(jù)采集器、計(jì)算機(jī)等

藥品：KI溶液、飽和淀粉溶液、0.1 mol/L稀硫酸

3．實(shí)驗(yàn)步驟與現(xiàn)象

（1）利用氧氣傳感器探究KI溶液濃度對于反應(yīng)速率的影響

第一步：配制溶液。用KI粉末分別配制0.6 mol/L、0.8 mol/L、1.0 mol/L、1.2 mol/L的KI溶液各30 mL；用980-/0濃硫酸配制0.1 mol/L稀硫酸100 mL；用淀粉配制100 mL飽和淀粉溶液。將配制好的KI溶液靜置1.5 h。

第二步：裝置連接。如圖2所示連接實(shí)驗(yàn)裝置、調(diào)試軟件并進(jìn)行氧氣傳感器校準(zhǔn)。

第三步：添加試劑。向氣體取樣瓶中依次添加4 mL 0.1 mol/L稀硫酸、2 mL飽和淀粉溶液、4 mL0.6 mol/L KI溶液后迅速插入氧氣傳感器。

第四步：數(shù)據(jù)采集，觀察現(xiàn)象。在插入傳感器同時(shí)開始數(shù)據(jù)采集，同時(shí)觀察現(xiàn)象，待數(shù)據(jù)基本保持不變時(shí)，停止采集數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)復(fù)制到Origin軟件中進(jìn)行作圖。通過肉眼觀察發(fā)現(xiàn)溶液隨著反應(yīng)的進(jìn)行逐漸變?yōu)闇\紫色。

第五步：將反應(yīng)完的溶液倒人試管1備用。

第六步：重復(fù)第三、四、五步采集0.8 mol/L、1.0 mol/L、1.2 mol/L KI溶液的反應(yīng)數(shù)據(jù)，并獲得圖3所示反應(yīng)后的待測液，發(fā)現(xiàn)四支試管中待測液存在濃度梯度變化。

（2）利用色度傳感器探究不同濃度KI溶液反應(yīng)后顏色的差異

第一步：更換傳感器。連接實(shí)驗(yàn)裝置、調(diào)試軟件并進(jìn)行色度傳感器校準(zhǔn)。

第二步：將4支試管中待測液分別倒入比色皿中進(jìn)行檢測，待數(shù)據(jù)基本保持不變時(shí)，停止采集并保存數(shù)據(jù)。

4．?dāng)?shù)據(jù)處理

利用氧氣傳感器監(jiān)測不同濃度KI溶液反應(yīng)過程中空氣中02含量隨時(shí)間的變化（見圖4），可以發(fā)現(xiàn)：在本實(shí)驗(yàn)選取的濃度范圍內(nèi)，KI溶液濃度越大，O2消耗速度越快，O2消耗總量也越大，在該實(shí)驗(yàn)中表現(xiàn)為1.2 mol/L KI溶液的變化曲線斜率最大、縱坐標(biāo)變化幅度也最大。

通過表4數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)在本實(shí)驗(yàn)選取的濃度范圍內(nèi)，KI溶液濃度越高，反應(yīng)后溶液顏色越深，證明生成的I2越多，同時(shí)印證圖4展示出的KI溶液濃度越高消耗02量越多的結(jié)論。

5．實(shí)驗(yàn)結(jié)論

在本實(shí)驗(yàn)選取的濃度范圍內(nèi)，KI溶液濃度越大，O2消耗速度越快，O2消耗總量也越大，在該實(shí)驗(yàn)中表現(xiàn)為1.2 mol/L KI溶液的變化曲線斜率最大、縱坐標(biāo)變化幅度也最大；KI溶液濃度越高，反應(yīng)后溶液顏色越深，證明生成的I2越多。據(jù)此判斷出實(shí)驗(yàn)演示最佳條件為將濃度為1.2 mol/L的新制KI溶液在空氣中靜置1.5 h后，向瓶中依次添加4 mL 0.1 mol/L稀硫酸、2 mL飽和淀粉溶液和4 mL l.2 mol/L KI溶液，隨后進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。通過該條件進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作，反應(yīng)時(shí)間可控，現(xiàn)象較為明顯，適合課堂演示。

四、實(shí)驗(yàn)反思

1．實(shí)驗(yàn)技術(shù)反思

以氧氣傳感器為技術(shù)支撐的數(shù)字化實(shí)驗(yàn)起到了連續(xù)記錄空氣中O2含量變化的作用，為數(shù)據(jù)篩選提供了較大的數(shù)據(jù)樣本和方便的采集途徑，同時(shí)也有利于直觀展示不同濃度KI溶液被空氣中O2氧化的反應(yīng)速率，而色度傳感器則有利于監(jiān)測肉眼難以判斷的顏色深淺。[4]

2．對于教學(xué)的啟發(fā)

反應(yīng)“4I-+O2+4H+=2I2+2H2O”是一個(gè)很好的探究反應(yīng)物濃度對化學(xué)反應(yīng)速率影響的實(shí)驗(yàn)素材，數(shù)字化實(shí)驗(yàn)引入課堂可以幫助教學(xué)，促進(jìn)學(xué)生對這個(gè)反應(yīng)的理解，同時(shí)加深對影響反應(yīng)速率因素的認(rèn)識。

參考文獻(xiàn)

[1]何瓊，王小英．淀粉溶液、碘化鉀溶液在空氣中酸化出現(xiàn)藍(lán)色的實(shí)驗(yàn)條件研究[J]．高中數(shù)理化，2017（ 16）：61-62．

[2] 吳朝輝．碘化鉀淀粉溶液遇氧氣是否變色的原因探析[J]．化學(xué)教學(xué)，2015（02）：53-55．

[3] 翁雪香，張瑞允，鄭慧純，吳朝輝．碘化鉀溶液露置空氣后發(fā)生的氧化反應(yīng)及歧化反應(yīng)[J]化學(xué)教學(xué)，2021（07）： 69-75．

[4]顧曄．酸性KI溶液被空氣中O2氧化的數(shù)字化實(shí)驗(yàn)研究[J]化學(xué)教學(xué)，2016（08）：55-57．