鐵離子與碘離子可逆反應(yīng)實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)

摘 要： 把氧化還原反應(yīng)類型的可逆反應(yīng)設(shè)計(jì)成原電池，利用微電流傳感器、陰陽離子交換膜等材料對實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行改進(jìn)。利用改進(jìn)裝置探究鐵離子與碘離子、銀離子與亞鐵離子的可逆反應(yīng)，借助圖像表征電流方向的變化，證明可逆反應(yīng)的存在。建構(gòu)探究氧化還原類型的可逆反應(yīng)的分析模型。改進(jìn)裝置操作簡單、耗時短、一器多用，適合學(xué)生分組實(shí)驗(yàn)或拓展性實(shí)驗(yàn)。

關(guān)鍵詞： 可逆反應(yīng)； 氧化還原反應(yīng)； 原電池； 實(shí)驗(yàn)改進(jìn)

文章編號： 10056629（2024）10007804

中圖分類號： G633.8

文獻(xiàn)標(biāo)識碼： B

1 問題提出

《普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版2020年修訂）》對教學(xué)提出實(shí)施建議：“條件有限的學(xué)校，可采取教師演示實(shí)驗(yàn)或者利用替代品進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，鼓勵實(shí)驗(yàn)的綠色化設(shè)計(jì)”“充分認(rèn)識化學(xué)實(shí)驗(yàn)的獨(dú)特價值，精心設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)探究活動，適當(dāng)增加微型實(shí)驗(yàn)、數(shù)字化實(shí)驗(yàn)、創(chuàng)新實(shí)踐活動，讓學(xué)生在實(shí)驗(yàn)探究活動中學(xué)習(xí)科學(xué)方法，體會、認(rèn)識技術(shù)手段的創(chuàng)新對化學(xué)科學(xué)的重要價值，形成嚴(yán)謹(jǐn)求實(shí)、敢于實(shí)踐的科學(xué)態(tài)度，發(fā)展實(shí)踐能力”［1］。這些論述已成為我們實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新的理論依據(jù)和教學(xué)質(zhì)量的衡量標(biāo)準(zhǔn)。

在人教版、魯科版、蘇教版高中化學(xué)必修教材中，對化學(xué)反應(yīng)的限度均有所介紹。如人教版采用學(xué)生已有認(rèn)知：SO2與H2O的反應(yīng)，由于H2SO3不穩(wěn)定，部分分解為SO2與H2O，故認(rèn)為此反應(yīng)為可逆反應(yīng)，不能進(jìn)行到底［2］，這里只是推理說明并沒有實(shí)驗(yàn)證據(jù)證明化學(xué)反應(yīng)存在限度。蘇教版［3］與魯科版［4］都用了少量氯化鐵溶液與足量碘化鉀溶液反應(yīng)，驗(yàn)證反應(yīng)后體系中仍然存在鐵離子，證明反應(yīng)存在某種限度。蘇教版還利用苯進(jìn)行萃取并分離出碘單質(zhì)后，向萃余液中加入硫氰酸鉀溶液檢測出了鐵離子，而魯科版則在少量氯化鐵溶液與足量碘化鉀溶液反應(yīng)后的體系中直接滴加硫氰酸鉀溶液來證明原本少量的鐵離子并沒有反應(yīng)完全。雖然兩個版本的教材都設(shè)計(jì)了鐵離子與碘離子可逆反應(yīng)的實(shí)驗(yàn)，但還是存在以下不足：（1）藥品用量太大；（2）利用萃取，有機(jī)物易揮發(fā)，過程復(fù)雜，耗時較長，不利于學(xué)生實(shí)驗(yàn)；（3）從宏觀現(xiàn)象看，學(xué)生能理解可逆反應(yīng)進(jìn)行得不徹底，具有限度，但對既能正向進(jìn)行也能逆向進(jìn)行的微觀動態(tài)過程卻不很理解。

2 對已有實(shí)驗(yàn)改進(jìn)案例的述評

針對教材中鐵離子與碘離子可逆反應(yīng)實(shí)驗(yàn)的不足之處，很多教師從理論上論證和對裝置進(jìn)行了改進(jìn)，優(yōu)化了實(shí)驗(yàn)方案。大量文獻(xiàn)中對已有的鐵離子與碘離子反應(yīng)實(shí)驗(yàn)改進(jìn)的案例進(jìn)行了分析。趙麗霞［5］把鐵離子與碘離子的氧化還原反應(yīng)設(shè)計(jì)成原電池，但是關(guān)注點(diǎn)在于利用蘸有飽和氯化鈉溶液的棉線代替鹽橋，加深對鹽橋功能與原電池的工作原理的理解卻沒有涉及鐵離子與碘離子的可逆反應(yīng)。楊杰等老師［6］向硫酸鐵與碘化鉀反應(yīng)體系中加入了四氯化碳，利用有機(jī)相顯色的深淺來指示此反應(yīng)生成碘單質(zhì)含量的多少，目的使可逆反應(yīng)可視化，但實(shí)驗(yàn)過程復(fù)雜，試劑用量大，利用率不高，還使用了有毒的四氯化碳。沈杰、顧仲良老師［7］利用色度傳感器與氧化還原傳感器測量在硫酸鐵溶液的燒杯中加入碘化鉀溶液的透光率與吸光度及正、逆反應(yīng)的電位，通過透光率與吸光度及正、逆反應(yīng)的電位變化，曲線最終趨于水平，證明化學(xué)反應(yīng)存在限度。但是對可逆反應(yīng)既可以正向進(jìn)行也可以逆向進(jìn)行仍然沒有直觀的證據(jù)。李文博，吳文中［8］討論了鐵離子與碘離子反應(yīng)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的限度問題，尤其是各溶液濃度的控制對鐵離子轉(zhuǎn)化率的影響問題作了深入探討。田一鳴、廖志剛［9］利用鹽橋設(shè)計(jì)成雙液原電池，利用電流傳感器測出不同濃度改變量的可逆氧化還原反應(yīng)的電流變化，其中利用加入硝酸銀溶液減小碘離子的濃度引起電極電勢的變化而導(dǎo)致電流變化，但體系會因此引入銀離子，銀離子與體系中生成的亞鐵離子也會發(fā)生氧化還原反應(yīng)，也會使電流方向相反，所以不足以說明電流方向相反是亞鐵離子與碘單質(zhì)發(fā)生反應(yīng)造成的；本身鐵離子與碘離子產(chǎn)生的電流較小，加入銀離子減小了碘離子濃度，導(dǎo)致電流會更小；使用阻力較大、離子遷移速率較慢的鹽橋，雖然利用了較為靈敏的電流傳感器，但是電流曲線的變化仍然不明顯。綜上所述，本研究將此實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了再改進(jìn)，力求操作簡單方便、試劑用量少無污染、耗時短、利用圖像直觀明了，幫助學(xué)生理解可逆反應(yīng)既可以正向進(jìn)行又可以逆向進(jìn)行。

3 實(shí)驗(yàn)裝置改進(jìn)

3.1 實(shí)驗(yàn)原理

2Fe3++3I-2Fe2++I－3

設(shè)計(jì)成原電池，如圖1所示。

3.1.1 計(jì)算使2Fe3++3I-2Fe2++I－3向左進(jìn)行的Fe2+最低濃度

將反應(yīng)拆成2個半反應(yīng)：

① Fe3++e-Fe2+ φθ（Fe3+/Fe2+）=0.77V［10］

② 3I--2e-I－3φθ（I－3/I-）=0.53V［11］

由于溶液中離子間存在相互作用，當(dāng)溶液中離子濃度較大時，需要考慮離子強(qiáng)度，而稀溶液則可忽略該作用。因此假設(shè)c（I-）=c（Fe3+）=0.01mol/L，又根據(jù)

I-+I2I－3 K=710［12］

可知：c（I－3）=7.10mol/L。只改變c（Fe2+），根據(jù)能斯特方程可知：

φ（Fe3+/Fe2+）=φθ（Fe3+/Fe2+）+0.059 lgc（Fe3+）c（Fe2+）

φ（I－3/I-）=φθ（I－3/I-）+0.0592 lgc（I-3）c3（I-）

若使反應(yīng)向左進(jìn)行，則有φ（I－3/I-）-φ（Fe3+/Fe2+）>0，

即φθ（I－3/I-）+0.0592 lgc（I-3）c3（I-）-φθ（Fe3+/Fe2+）+0.059 lgc（Fe3+）c（Fe2+）>0

解得： c（Fe2+）>3.98×10-2mol/L時，該反應(yīng)可實(shí)現(xiàn)向左進(jìn)行。

3.1.2 計(jì)算2Fe3++3I-2Fe2++I－3向右進(jìn)行的I-最低濃度

假設(shè)c（I－3）=c（Fe3+）=c（Fe2+）=0.01mol/L，只改變c（I-），根據(jù)能斯特方程可知：

φ（Fe3+/Fe2+）=φθ（Fe3+/Fe2+）

φ（I－3/I-）=φθ（I－3/I-）+0.0592 lgc（I3-）c3（I-）

若使反應(yīng)向右進(jìn)行，則有φ（Fe3+/Fe2+）-φ（I－3/I-）>0

即φθ（Fe3+/Fe2+）-φθ（I－3/I-）+0.0592 lgc（I3-）c3（I-）>0

解得：c（I-）>4.18×10-4mol/L時，該反應(yīng)可實(shí)現(xiàn)向右進(jìn)行。

電流傳感器是一種用于測量電流的裝置，將其連接被測電路中，它將電流轉(zhuǎn)換成與之成正比的電流信號，從而實(shí)現(xiàn)對電流的測量。微電流傳感器（單位：微安）比電流傳感器（單位：安）更靈敏，圖像變化更明顯。

負(fù)極：帶陰離子交換膜的塑料瓶盛裝有硫酸亞鐵溶液

正極：帶陽離子交換膜的塑料瓶盛裝有碘水溶液

離子導(dǎo)體：硫酸鈉溶液

電流方向：從正極沿導(dǎo)線流向負(fù)極

一段時間后，向負(fù)極加硫酸鐵固體，電流方向相反。

3.2 實(shí)驗(yàn)材料

直徑6cm、高4cm帶蓋小塑料盒，直徑2cm、高8cm的塑料瓶2只，陰離子交換膜、陽離子交換膜（網(wǎng)購）、石墨電極

3.3 裝置的制作

其制作的過程如下：

（1） 直徑2cm、高8cm的塑料瓶底部開直徑0.5cm的口，用于放置石墨電極。

（2） 塑料瓶蓋打孔，確保離子導(dǎo)體與氧化劑溶液、還原劑溶液直接接觸。

（3） 把裁剪成與塑料瓶蓋內(nèi)徑大小相當(dāng)?shù)年帯㈥栯x子交換膜，分別固定在兩塑料瓶蓋內(nèi)，作為陰極室和陽極室，該塑料瓶蓋已開孔。

（4） 取有蓋小塑料盒作為反應(yīng)容器，頂端蓋上開兩個直徑2cm的孔，用于放置正極區(qū)塑料瓶和負(fù)極區(qū)塑料瓶。裝置材料及尺寸如圖2所示。

3.4 裝置的使用

3.4.1 實(shí)驗(yàn)器材及藥品

（1） 實(shí)驗(yàn)器材：改進(jìn)原電池裝置一套、微電流傳感器、數(shù)據(jù)處理器、注射器、玻璃棒

（2） 實(shí)驗(yàn)藥品：0.1mol/L硫酸亞鐵溶液，0.01mol/L碘水、硫酸鐵固體，0.01mol/L硫酸鈉溶液、0.5mol/L硝酸銀溶液、0.01mol/L硝酸鉀溶液、蒸餾水

（3） 電極材料：石墨電極

3.4.2 亞鐵離子與碘水的可逆反應(yīng)

用注射器向負(fù)極中加注0.1mol/L的硫酸亞鐵溶液5mL，用5mL蒸餾水稀釋，插入石墨電極；用注射器向正極加注碘水10mL，插入石墨電極；在反應(yīng)容器中加入0.01mol/L硫酸鈉溶液作為離子導(dǎo)體；兩電極區(qū)塑料瓶固定在反應(yīng)容器蓋孔內(nèi)，確保電極區(qū)溶液與離子導(dǎo)體接觸；接入微電流傳感器及數(shù)據(jù)處理器，連接電路，打開軟件，采集數(shù)據(jù)（采樣頻率10Hz/s，下同）。觀察到電流曲線逐漸減小并趨于水平。

負(fù)極：2Fe2+-2e-2Fe3+

正極：I－3+2e-3I-

總反應(yīng)：2Fe2++I－32Fe3++3I-

3分鐘后，取出負(fù)極石墨棒，用藥匙從上端開口處向其中加入2.0g的Fe2（SO4）3固體，用玻璃棒稍微攪拌。再插入石墨電極，可觀察電流方向相反，電流逐漸減小并趨于水平。電流變化如圖3所示。

負(fù)極：3I--2e-I－3

正極：2Fe3++2e-2Fe2+

總反應(yīng)：2Fe3++3I-2Fe2++I－3

綜合電流方向的變化，證明此反應(yīng)既可以正向進(jìn)行又可以逆向進(jìn)行，因而是可逆反應(yīng)。

2Fe3++3I-2Fe2++I－3

3.4.3 亞鐵離子與銀離子的可逆反應(yīng)

3.4.3.1 實(shí)驗(yàn)原理

Fe2++Ag+Fe3++Ag↓

設(shè)計(jì)成原電池，如圖1所示。

滿足c（Fe3+）>3.2×10-2mol/L， c（Ag+）<0.31mol/L［13］，反應(yīng)逆向進(jìn)行。

負(fù)極：帶陽離子交換膜的塑料瓶盛裝有硫酸亞鐵溶液

正極：帶陰離子交換膜的塑料瓶盛裝有硝酸銀溶液

離子導(dǎo)體：硝酸鉀溶液

電流方向：從正極沿導(dǎo)線流向負(fù)極

一段時間后，向負(fù)極加硫酸鐵固體，電流方向相反。

3.4.3.2 實(shí)驗(yàn)操作

用注射器向負(fù)極加注0.1mol/L的硫酸亞鐵溶液1mL，用9mL蒸餾水稀釋，插入石墨電極；用注射器向正極加注0.5mol/L硝酸銀溶液0.2mL，用10mL水稀釋，插入石墨電極；在反應(yīng)容器中加入0.01mol/L硝酸鉀溶液；兩電極區(qū)塑料瓶固定在反應(yīng)容器蓋孔內(nèi)，確保電極區(qū)溶液與離子導(dǎo)體接觸；接入微電流傳感器及數(shù)據(jù)處理器，連接電路，打開軟件，采集數(shù)據(jù)。觀察到電流曲線的逐漸減小，并趨于水平。

負(fù)極：Fe2+-e-Fe3+

正極：Ag++e-Ag↓

總反應(yīng)：Fe2++Ag+Fe3++Ag↓

約4分鐘后，取出負(fù)極石墨棒，用藥匙從上端開口處向其中加入1.6g的Fe2（SO4）3固體，用玻璃棒稍微攪拌。再插入石墨電極，可觀察電流方向相反，電流逐漸減小并趨于水平。電流變化如圖4所示。

負(fù)極：Ag-e-Ag+

正極：Fe3++e-Fe2+

總反應(yīng)：Fe3++AgFe2++Ag+

綜合電流方向的變化，證明此反應(yīng)為可逆反應(yīng)。

Fe2++Ag+Fe3++Ag↓

說明：在本組實(shí)驗(yàn)前，亞鐵離子與銀離子已經(jīng)放電一段時間，硝酸銀溶液中的石墨電極上已附著少量銀。

3.5 驗(yàn)證氧化還原類型的可逆反應(yīng)分析模型

本研究把氧化反應(yīng)與還原反應(yīng)分開進(jìn)行，設(shè)計(jì)成雙液原電池，氧化劑與還原劑在兩極區(qū)放電，產(chǎn)生電流。改變某種微粒濃度，使電流方向相反，根據(jù)電流方向的不同，證明是可逆反應(yīng)。

3.6 實(shí)驗(yàn)改進(jìn)的優(yōu)點(diǎn)

把氧化還原類型的可逆反應(yīng)設(shè)計(jì)成原電池，并采用微電流傳感器、離子交換膜，學(xué)生不僅感受到電化學(xué)與氧化還原反應(yīng)模塊間的關(guān)聯(lián)，也體會到科學(xué)技術(shù)對化學(xué)學(xué)科的重要價值。此裝置操作簡單、耗時短、試劑用量少、一器多用，適合學(xué)生分組實(shí)驗(yàn)或拓展性實(shí)驗(yàn)。同時學(xué)生借助曲線方向的變化，建構(gòu)證明可逆反應(yīng)的一種思維模型，學(xué)生證據(jù)推理與模型認(rèn)知能力得到發(fā)展。

通過實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)，學(xué)生更容易理解魯科版與蘇教版中利用二氧化硫與氧氣催化氧化生成三氧化硫?yàn)榭赡娣磻?yīng)，并為后續(xù)從速率角度建構(gòu)化學(xué)平衡過程與化學(xué)平衡狀態(tài)的學(xué)習(xí)搭建了平臺。

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