碘鐘顏色震蕩反應(yīng)的研究

常 海

（江蘇省常州高級中學(xué)，江蘇 常州 213022）

碘鐘顏色震蕩反應(yīng)的研究

常 海

（江蘇省常州高級中學(xué)，江蘇 常州 213022）

在過氧化氫1.2 mol/L、丙二酸0.05 mol/L、硫酸錳0.006 7 mol/L、碘酸鉀0.067 mol/L、淀粉0.01%的溶液中逐滴滴加適量濃硫酸，反應(yīng)液呈現(xiàn)從黃色到藍色相互交替的顏色震蕩現(xiàn)象。提出了以碘離子為核心，不同價態(tài)的碘化合物作為媒介，溶液內(nèi)各物質(zhì)的濃度發(fā)生周期性變化的反應(yīng)機理。研究結(jié)果表明當pH值處于2.05～2.35之間時，溶液可以達到黃色與藍色雙穩(wěn)態(tài)的平衡，震蕩時間根據(jù)pH差異可以維持3～5 min，最終變?yōu)樗{色。

化學(xué)震蕩；碘鐘反應(yīng)；反應(yīng)機理

化學(xué)震蕩現(xiàn)象在很多領(lǐng)域起著重要的作用。在檢測一些環(huán)境或人體中存在的、用常規(guī)方法無法檢驗的元素時，以及解釋人體消化酶的作用、自然界的物質(zhì)循環(huán)方面，都需要用到震蕩理論及其應(yīng)用。但是震蕩現(xiàn)象發(fā)生的條件非?？量蹋覠o法運輸和保存，在現(xiàn)實應(yīng)用中存在巨大的不確定。

本文觀察到碘鐘反應(yīng)具有顏色震蕩現(xiàn)象，提出碘鐘顏色震蕩反應(yīng)的機理，通過碘鐘反應(yīng)震蕩周期的研究，發(fā)現(xiàn)pH值是其中最大的影響因素，得出pH值的最佳范圍。

1 實驗

1.1 試劑與儀器

試劑：碘酸鉀，29%過氧化氫，丙二酸，硫酸錳，可溶性淀粉，濃硫酸，蒸餾水，國產(chǎn)化學(xué)純。儀器：燒杯，量筒，秒表，玻璃棒，電加熱器，滴管。

1.2 實驗操作

甲溶液的配置：量取20 mL 29%的過氧化氫溶液，配成50 mL溶液，得3.6 mol/L過氧化氫溶液。

乙溶液的配置：分別稱取3.9 g丙二酸和0.8 g硫酸錳，分別溶于適量水中。另稱取0.075 g可溶性淀粉，溶于50 mL左右沸水中。把三者轉(zhuǎn)移入250 mL容量瓶里，稀釋到刻度，得到含0.15 mol/L丙二酸、0.02 mol/L硫酸錳、和0.03%淀粉的混合溶液。

丙溶液的配置：稱取2.1 g碘酸鉀溶于50 mL熱水中。

將甲、乙、丙三組溶液以等體積混合在燒杯中，該混合溶液即含過氧化氫1.2 mol/L、丙二酸0.05 mol/L、硫酸錳0.006 7 mol/L、碘酸鉀0.067 mol/L、淀粉0.01%。

采用控制變量法，通過滴入不同滴數(shù)的濃硫酸來控制pH值，由于溫度也是化學(xué)震蕩反應(yīng)的影響因素，因此在實驗中統(tǒng)一使用沸水配置的乙、丙溶液。進行三次實驗減少誤差，實驗結(jié)束后，將實驗數(shù)據(jù)匯總，進行統(tǒng)計分析，最終得出結(jié)論。

1.3 pH值的計算方法

pH值的計算方法如式（1），其中n為濃硫酸的滴數(shù)，ρ為濃硫酸的密度（18.4 g/mL），V為每滴液體的體積（5×10-2mL），M為濃硫酸的摩爾質(zhì)量（98 g/mol），V1為溶液的總體積（150 mL）。

2 結(jié)果與討論

2.1 碘鐘顏色震蕩反應(yīng)現(xiàn)象

在含過氧化氫1.2 mol/L、丙二酸0.05 mol/L、硫酸錳0.006 7 mol/L、碘酸鉀0.067 mol/L、淀粉0.01%逐滴滴加適量濃硫酸，觀察到溶液首先呈黃色，而后逐漸變藍，且溶液自發(fā)的在黃色和藍色相互交替的震蕩，整個黃色和藍色相互交替的震蕩時間根據(jù)pH差異可以維持3～5 min，最終變?yōu)樗{色。如果在震蕩過程中加入適量濃硫酸，可以提前終止震蕩現(xiàn)象，溶液變藍。

2.2 碘鐘顏色震蕩反應(yīng)機理

在碘鐘顏色震蕩反應(yīng)中，三價錳離子使溶液呈黃色，碘單質(zhì)和淀粉使溶液呈藍色，以下是以碘離子為核心，不同價態(tài)的碘化合物作為媒介，溶液內(nèi)各物質(zhì)的濃度發(fā)生周期性變化的碘鐘顏色震蕩反應(yīng)機理。

2.2.1 電離

在硫酸酸化的酸性條件下，碘酸鉀轉(zhuǎn)化成碘酸和硫酸氫鉀，碘酸是無機中強酸，電離常數(shù)為 1.476× 10-1，為后續(xù)反應(yīng)提供了條件。

碘鐘反應(yīng)不完全是離子反應(yīng)，通過苯酚等自由基抑制劑檢測發(fā)現(xiàn)自由基在反應(yīng)中起到的作用，溶液變成金黃色的原因是三價錳離子的顏色。分步反應(yīng)中展現(xiàn)了碘以-1、0、+1、+3、+5五種價態(tài)的離子、單質(zhì)或自由基形式出現(xiàn)在溶液中。由于其中心元素為碘，碘單質(zhì)和碘離子扮演了十分重要的角色，對于反應(yīng)步驟和機理的探究以碘離子為中心展開。

2.2.2 碘的降價反應(yīng)

I-產(chǎn)生時，來自高價的碘化合物，同時放出氧氣，故實驗中溶液不斷產(chǎn)生氣泡。

2.2.3 碘單質(zhì)的生成

I-濃度高時，就推動了碘離子和高價碘的歸中反應(yīng)，生成的碘單質(zhì)一方面使溶液變藍，如圖1圖2所示，另一方面又進一步推進了丙二酸中活潑亞甲基的碘代反應(yīng)。碘單質(zhì)的生成在反應(yīng)過程中抑制了二價錳離子的氧化，使溶液中的游離碘含量增多，遇淀粉變藍即形成六個淀粉分子與一個碘分子絡(luò)合的化合物，使溶液呈藍色。

碘代丙二酸為無色的化合物，在反應(yīng)中消耗了碘單質(zhì)并放出碘離子，增大碘離子的濃度，使溶液從藍色變回?zé)o色。

2.2.4 三價錳離子的生成

I-濃度低時，涉及的反應(yīng)大多不含碘離子，而是通過一系列反應(yīng)，再生成碘酸根，使反應(yīng)開始循環(huán)，與此同時，二價錳離子被氧化為三價，既顯示了顏色，又加快了反應(yīng)速率。因為鹵素含氧酸價態(tài)越低，氧化性越強，碘酸和亞碘酸均不能氧化二價錳，而次碘酸可以，在生成碘離子的時候，碘元素被不斷降價直到經(jīng)過次碘酸，為錳離子的氧化奠定了基礎(chǔ)。

I-通過生成步驟的循環(huán)和如下反應(yīng)再生，將三價錳和碘代丙二酸消耗掉，減少生成物的濃度，推動反應(yīng)的平衡右移。

三價錳呈金黃色，因為三價錳離子不穩(wěn)定，易歧化生成二氧化錳和二價錳離子，故在溶液中三價錳以氫氧化氧錳或絡(luò)合物的形式存在。碘離子的生成促進了具有自催化作用的亞碘酸濃度增加有利于生成HIO，使Mn2+氧化成Mn3+溶液，Mn3+的產(chǎn)生使溶液變成金黃色，Mn2+與Mn3+的量濃度比值越大，顏色越深。而Mn3+的氧化性比較強，碘代丙二酸會被氧化為甲酸、二氧化碳和碘離子，碘離子再生的同時，三價錳回歸二價錳狀態(tài)。完成了一個振蕩周期。但由于這種還原過程對中間產(chǎn)物 HIO2具有自催化作用，于是雙振蕩過程又重新啟動。

2.3 pH值對反應(yīng)的影響

圖1和圖2是不同pH時黃色和藍色持續(xù)的時間隨震蕩周期數(shù)的變化。

圖1 高pH時顏色持續(xù)時間與周期的關(guān)系

圖2 低pH時顏色持續(xù)時間與周期的關(guān)系

從圖1可以看出，當高pH時，藍色持續(xù)時間隨周期增加由5 s逐漸增加至17 s，在第4個周期出現(xiàn)短暫的峰值；黃色隨周期增長，持續(xù)時間基本不變。從圖2可以看出，當?shù)蚿H時，藍色持續(xù)時間由4 s逐漸平穩(wěn)增加至20 s；黃色在最初出現(xiàn)不合理的峰值，可能是由于溶液未混合均勻，從第2個周期開始，黃色持續(xù)時間隨周期增長基本不變。

由圖1和圖2可知，藍色的震蕩時間隨周期的增長而增長，黃色的震蕩時間基本不受周期變化影響。由圖1和圖2還可知，pH值越大，周期中黃色的時間比藍色的時間比值越大。pH值大于2.35時只變黃不變藍，pH值小于2.05只變藍不變黃，當pH值處于2.05～2.35之間時，溶液可以達到黃色與藍色雙穩(wěn)態(tài)的平衡。

2.4 反應(yīng)的震蕩周期

圖3是以時間為x軸反應(yīng)在藍色與黃色震蕩的周期函數(shù)，y軸正值是藍色時間，y軸負值是黃色時間。由圖3可知，溶液的顏色遞變隨時間呈現(xiàn)固定的周期性變化，與溶液中各個物質(zhì)濃度的周期性變化類似，在震蕩時間上同樣具備周期性的變化規(guī)律。隨著碘單質(zhì)的增加，周期不斷變長。

反應(yīng)時間增長對溶液呈黃色的時間影響較小，溶液呈黃色的時間隨時間的增長先變少后緩慢增加，溶液呈藍紫色的時間隨著反應(yīng)時間的增長而迅速增長。并且隨著反應(yīng)時間的增加，氣泡冒出的速率也在緩慢增加。這既印證了該反應(yīng)的周期遞變性，也佐證了上文隨時間變化，溶液的顏色和經(jīng)歷的時間逐漸變長。

圖3 以時間為自變量該反應(yīng)的周期函數(shù)遞變

3 結(jié)論

酸性條件下含過氧化氫1.2 mol/L、丙二酸0.05 mol/L、硫酸錳0.006 7 mol/L、碘酸鉀0.067 mol/L、淀粉0.01%的溶液可以發(fā)生顏色震蕩反應(yīng)。pH值大于2.35時，溶液只變黃不變藍；pH值小于2.05時，溶液只變藍不變黃；pH值在2.05～2.35之間時，可以穩(wěn)定震蕩，震蕩時間根據(jù)pH差異可以維持3～5 min，最終變?yōu)樗{色；pH值越大，震蕩周期中黃色的時間比藍色的時間比值越大；震蕩周期隨時間增長而變長，同時震蕩的顏色隨時間變化逐漸加深。

[1] 胡剛, 劉婷婷. 化學(xué)振蕩在分析化學(xué)中的應(yīng)用綜述[J]. 安徽大學(xué)學(xué)報, 2015, 39(2): 97-108.

[2] 高錦章. 化學(xué)振蕩現(xiàn)象在分析化學(xué)中的應(yīng)用[J]. 西北師范大學(xué)學(xué)報, 2002, 38(3): 100-104.

[3] 黃聞新, 吳志軍, 周麗君. 碘鐘溶液振蕩反應(yīng)[J]. 海南師范學(xué)院學(xué)報, 1999, 12(1): 34-41.

[4] 趙蓮青. 碘鐘振蕩反應(yīng)中酸介質(zhì)的研究[J]. 西北大學(xué)學(xué)報, 1981(4): 34-37.Study on Briggs-Rauscher Oscillation Reaction

CHANG Hai
（Changzhou Senior High School, Changzhou 213022, China）

Adding the oil of vitriol drop by drop to the liquor which contains potash iodate 0.066 mol/L, hydrogen peroxide 1.2 mol/L, malonic acid 0.05 mol/L, manganous sulfate 0.006 7 mol/L and 0.01% starch, it can be observed that the liquor is amber at first, later blue. The essay put forward the reaction centered on iodide ions and based on the various valence state of iodine in which the concentrations of different matters change in a periodic way. It turns out that the liquor can achieve a balance between amber steady state and blue steady state within pH 2.05 to 2.35. The liquor can maintain changing for three to five minutes and turn to blue in the end.

chemical oscillation; Briggs-Rauscher reaction; reaction mechanism

G63

A

1009-220X(2016)05-0033-05

10.16560/j.cnki.gzhx.20160509

2016-06-13

常 海（2000~），男，江蘇常州人，高中生。404078541@qq.com