脈動(dòng)碘時(shí)鐘實(shí)驗(yàn)及其教學(xué)應(yīng)用

龍琪

摘要： 碘時(shí)鐘實(shí)驗(yàn)是一個(gè)經(jīng)典的趣味實(shí)驗(yàn)。為了能促進(jìn)碘時(shí)鐘實(shí)驗(yàn)走進(jìn)中小學(xué)課堂和學(xué)生的生活世界，基于碘時(shí)鐘實(shí)驗(yàn)原理，設(shè)計(jì)了脈動(dòng)碘時(shí)鐘實(shí)驗(yàn)的方案。該實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象明顯、顏色變化瞬間完成、便于精準(zhǔn)計(jì)時(shí)，既可用于化學(xué)魔術(shù)表演，又可作為課堂實(shí)驗(yàn)服務(wù)于教學(xué)。

關(guān)鍵詞： 碘時(shí)鐘； 化學(xué)魔術(shù)； 化學(xué)動(dòng)力學(xué)； 脈動(dòng)飲料； 實(shí)驗(yàn)探究

文章編號(hào)： 1005-6629（2018）6-0073-03 中圖分類號(hào)： G633.8 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： B

2017年諾貝爾生理醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)的獲獎(jiǎng)成果是“生物鐘”，三位美國(guó)科學(xué)家因破解了控制生物體晝夜節(jié)律的分子機(jī)制而獲獎(jiǎng)[1]。生物鐘的產(chǎn)生源自一系列復(fù)雜的生物振蕩和化學(xué)振蕩反應(yīng)[2]。較早被發(fā)現(xiàn)的化學(xué)振蕩反應(yīng)是碘時(shí)鐘實(shí)驗(yàn)。演示時(shí)將兩種無(wú)色溶液混合，沒(méi)有任何現(xiàn)象，稍等片刻則出現(xiàn)溶液顏色的瞬間變化。如今，碘時(shí)鐘實(shí)驗(yàn)在國(guó)內(nèi)外化學(xué)教育界已被譽(yù)為趣味表演實(shí)驗(yàn)的經(jīng)典實(shí)驗(yàn)之一。

經(jīng)典碘時(shí)鐘實(shí)驗(yàn)所用試劑為碘酸鉀、亞硫酸氫鈉、淀粉和濃硫酸[3]。其中，碘酸鉀和亞硫酸氫鈉在中學(xué)化學(xué)實(shí)驗(yàn)中很少用，因此，我國(guó)很多中學(xué)生都無(wú)緣見(jiàn)證此經(jīng)典實(shí)驗(yàn)。為此，筆者基于碘時(shí)鐘實(shí)驗(yàn)的反應(yīng)原理，設(shè)計(jì)了脈動(dòng)碘時(shí)鐘實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)原料為脈動(dòng)飲料、過(guò)氧化氫消毒液、白醋、碘酊、淀粉這五種生活日用品。實(shí)驗(yàn)操作簡(jiǎn)單，現(xiàn)象明顯，原料易得。脈動(dòng)碘時(shí)鐘實(shí)驗(yàn)既適合學(xué)校里的化學(xué)教育和科學(xué)教育，也可用于家庭親子游戲、科普宣傳等非正式學(xué)習(xí)活動(dòng)。

1 設(shè)計(jì)依據(jù)： 碘時(shí)鐘實(shí)驗(yàn)反應(yīng)機(jī)理

碘時(shí)鐘實(shí)驗(yàn)的反應(yīng)機(jī)理十分復(fù)雜，以下反應(yīng)機(jī)理是一個(gè)簡(jiǎn)化歷程：

A+……→I2+ （1） 慢反應(yīng)，決速步驟

B+I2→……（2）快反應(yīng)，瞬間完成

碘時(shí)鐘反應(yīng)發(fā)生的必要條件是c（A0）>c（B0）。決速步驟中生成的I2在快反應(yīng)中被物質(zhì)B及時(shí)消耗，保持溶液中的c（I2）≈0。當(dāng)物質(zhì)B反應(yīng)完畢時(shí)，溶液中的c（I2）增大，與淀粉發(fā)生反應(yīng)，出現(xiàn)藍(lán)墨色。決速步驟快慢和n（B）的大小決定了溶液變色前等待時(shí)間的長(zhǎng)短。決速步驟越慢，n（B）越大，等待顏色突變的時(shí)間越長(zhǎng)[4]。

2002年，史蒂芬（Stephen）從生活實(shí)驗(yàn)的理念出發(fā)，對(duì)碘時(shí)鐘實(shí)驗(yàn)進(jìn)行改進(jìn)，設(shè)計(jì)了維生素C碘時(shí)鐘[5]。該實(shí)驗(yàn)用到的試劑包括維生素C、 2%碘酊、3%雙氧水、淀粉。關(guān)于維生素C的來(lái)源，史蒂芬分別試驗(yàn)了試劑級(jí)的純品維生素C、藥片維生素C和橙汁。純品和藥片維生素C的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象是無(wú)色變?yōu)樗{(lán)墨色，橙汁則由橙色變?yōu)楹谏?。變色前的等待時(shí)間最短的為15秒，最長(zhǎng)的為95秒，大部分實(shí)驗(yàn)的等待時(shí)間都在半分鐘以上。

①如果在藍(lán)墨色出現(xiàn)之前有紫褐色或其他顏色出現(xiàn)，說(shuō)明所用淀粉不適合此實(shí)驗(yàn)。

2 設(shè)計(jì)方案： 脈動(dòng)碘時(shí)鐘實(shí)驗(yàn)

史蒂芬提出的實(shí)驗(yàn)方案有三點(diǎn)不足。首先，變色前的等待時(shí)間太長(zhǎng)，降低了實(shí)驗(yàn)的趣味性。其次，

所用維生素C藥片需要研磨后配成溶液，使用起來(lái)不方便。

采用橙汁替代維生素C，實(shí)驗(yàn)中的等待時(shí)間較長(zhǎng)，且顏色是黃色和黑色，與碘時(shí)鐘實(shí)驗(yàn)的無(wú)色和藍(lán)墨色不同，不利于重現(xiàn)經(jīng)典。其三，史蒂芬采用的實(shí)驗(yàn)藥品在國(guó)內(nèi)不方便購(gòu)買(mǎi)。

基于上述考慮，采用維生素C含量較高的無(wú)色飲料進(jìn)行試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)脈動(dòng)飲料是維生素C的很好替代品，可用于演示碘時(shí)鐘實(shí)驗(yàn)。考慮到酸性條件能提高雙氧水的氧化性，加快變色速度，本實(shí)驗(yàn)中加入白醋，使實(shí)驗(yàn)效果更好。

[實(shí)驗(yàn)原料]2%碘酊，廣東恒健制藥有限公司生產(chǎn)；過(guò)氧化氫消毒液，過(guò)氧化氫含量為35.00～41.00g/L，江西匯康實(shí)業(yè)有限公司生產(chǎn)；脈動(dòng)（開(kāi)玩校），達(dá)能（中國(guó)）食品飲料公司生產(chǎn)，維生素C含量≥20%；恒順白醋，總酸含量≥5.00g/L，江蘇恒順醋業(yè)股份有限公司生產(chǎn)；淀粉。

[實(shí)驗(yàn)步驟]

（1） 配制溶液A： 取少量碘酊，用滴管滴入脈動(dòng)飲料，至溶液顏色恰好褪為無(wú)色（這時(shí)碘酊與脈動(dòng)飲料的體積比大約為1∶37）。

（2） 配制溶液B： 取A溶液25mL與5mL脈動(dòng)飲料均勻混合。

（3） 配制溶液C： 過(guò)氧化氫消毒液與白醋按照體積比2∶1均勻混合，再加少許淀粉溶液。

（4） 演示表演： 在燒杯中倒入B溶液30mL，再倒入C溶液40mL。當(dāng)溶液C倒入后第9秒時(shí)，無(wú)色的混合溶液瞬間變成藍(lán)墨色。

根據(jù)碘時(shí)鐘實(shí)驗(yàn)的反應(yīng)機(jī)理，脈動(dòng)碘時(shí)鐘實(shí)驗(yàn)的可能機(jī)理為：

過(guò)氧化氫消毒液+……→碘單質(zhì)+（1） 慢反應(yīng)，決速步驟

碘單質(zhì)+脈動(dòng)飲料→……（2） 快反應(yīng)，瞬間完成

碘單質(zhì)+淀粉→溶液變藍(lán)（3） 快反應(yīng)，瞬間完成

當(dāng)脈動(dòng)飲料消耗完畢時(shí)，慢反應(yīng)生成的碘單質(zhì)使淀粉變藍(lán)，溶液呈現(xiàn)藍(lán)墨色①。溶液顏色由無(wú)色變?yōu)樗{(lán)墨色的時(shí)間稱為變色期（如圖1所示）。變色期越短，看到的顏色變化過(guò)程越短，變色越快，給觀眾的視覺(jué)沖擊越大，實(shí)驗(yàn)效果越震撼。溶液變色前的時(shí)間為等待期。等待期越長(zhǎng)，顏色突變現(xiàn)象出現(xiàn)之前的等待時(shí)間越長(zhǎng)。在筆者的多次實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，10秒左右的等待期效果較好。等待期太短，溶液剛混合就出現(xiàn)顏色變化，與一般的化學(xué)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象無(wú)異，不足以產(chǎn)生趣味性。等待期太長(zhǎng)，觀眾的注意力就會(huì)分散，容易錯(cuò)過(guò)對(duì)變色點(diǎn)的觀察。

本方案中的脈動(dòng)碘時(shí)鐘實(shí)驗(yàn)在30℃時(shí)進(jìn)行，等待期為9秒，變色期不到1秒，演示效果較好。該實(shí)驗(yàn)效果對(duì)實(shí)驗(yàn)條件很敏感。不同廠家生產(chǎn)的碘酊和脈動(dòng)，在不同溫度下，實(shí)驗(yàn)效果會(huì)不同。本方案所用碘酊與脈動(dòng)在配制A溶液時(shí)的體積比為1∶37。在本方案的重復(fù)性驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)中，采用了其他品牌的碘酊和脈動(dòng)配制A溶液，發(fā)現(xiàn)體積比變?yōu)?∶7，實(shí)驗(yàn)的等待期和變色期也發(fā)生了變化。通過(guò)反應(yīng)機(jī)理的推導(dǎo)，經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，發(fā)現(xiàn)可采取以下方法控制實(shí)驗(yàn)中等待期和變色期的時(shí)間： 增加脈動(dòng)飲料用量，可延長(zhǎng)等待期。增加碘酊用量，等待期和變色期都縮短，變色期縮短得更明顯。加熱可使等待期和變色期都顯著縮短。

3 實(shí)踐應(yīng)用： 脈動(dòng)碘時(shí)鐘實(shí)驗(yàn)在化學(xué)（科學(xué)）教育中的教學(xué)設(shè)計(jì)

脈動(dòng)碘時(shí)鐘實(shí)驗(yàn)既可以作為化學(xué)魔術(shù)進(jìn)行表演，又可作為課堂實(shí)驗(yàn)服務(wù)于教學(xué)。

3.1 化學(xué)魔術(shù)的趣味化表演

[教師表演魔術(shù)]剎那間的脈動(dòng)（見(jiàn)表1、表2）。

按照上文所述實(shí)驗(yàn)原料和實(shí)驗(yàn)步驟，準(zhǔn)備好溶液B和溶液C各一份。表演時(shí)混合B、 C兩種溶液。這時(shí)觀眾會(huì)期待著有實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象發(fā)生。結(jié)果卻沒(méi)有。表演者再創(chuàng)設(shè)某場(chǎng)景吸引觀眾注意力。在等待期快結(jié)束時(shí)，將觀眾注意力引導(dǎo)到混合溶液中，這時(shí)溶液恰好在剎那間變色，從而產(chǎn)生一種出其不意的驚人效果。

3.2 在化學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用

脈動(dòng)碘時(shí)鐘實(shí)驗(yàn)可用于溶液配制實(shí)驗(yàn)的教學(xué)，練習(xí)或考核量筒、滴管等基本操作，有助于培養(yǎng)嚴(yán)謹(jǐn)認(rèn)真的實(shí)驗(yàn)態(tài)度。該實(shí)驗(yàn)需要配制三種溶液，等待期和變色期對(duì)溶液濃度非常敏感，如果配制過(guò)程中溶液體積量取不準(zhǔn)確，就會(huì)通過(guò)變色時(shí)間顯示出來(lái)，學(xué)生的實(shí)驗(yàn)技能立竿見(jiàn)影，客觀公正。

我國(guó)高中化學(xué)教材中采用藍(lán)瓶子實(shí)驗(yàn)讓學(xué)生探究濃度和溫度對(duì)反應(yīng)速率的影響，通過(guò)藍(lán)色溶液的褪色時(shí)間來(lái)計(jì)時(shí)。但是藍(lán)瓶子實(shí)驗(yàn)的褪色時(shí)間較長(zhǎng)，且溶液最表面的藍(lán)色很難褪去，因此很難判斷褪色終點(diǎn)，不利于準(zhǔn)確計(jì)時(shí)。碘時(shí)鐘實(shí)驗(yàn)的變色速度較快，比藍(lán)瓶子實(shí)驗(yàn)更便于計(jì)時(shí)。經(jīng)典碘時(shí)鐘實(shí)驗(yàn)用到的碘酸鹽和亞硫酸氫鹽在中學(xué)不是常用試劑，濃硫酸的稀釋又具有危險(xiǎn)性，因此，經(jīng)典碘時(shí)鐘實(shí)驗(yàn)在中學(xué)化學(xué)教學(xué)中用得較少。本研究采用脈動(dòng)等用品，重現(xiàn)經(jīng)典碘時(shí)鐘實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象明顯，顏色變化瞬間完成，便于精準(zhǔn)計(jì)時(shí)，比藍(lán)瓶子實(shí)驗(yàn)更加適合于探究化學(xué)動(dòng)力學(xué)問(wèn)題。

4 結(jié)語(yǔ)

脈動(dòng)碘時(shí)鐘實(shí)驗(yàn)基于碘時(shí)鐘實(shí)驗(yàn)的反應(yīng)原理而設(shè)計(jì)。實(shí)驗(yàn)器材是生活中常見(jiàn)的五種物質(zhì)： 脈動(dòng)飲料、過(guò)氧化氫消毒液、碘酊、白醋和淀粉。脈動(dòng)碘時(shí)鐘實(shí)驗(yàn)的現(xiàn)象對(duì)試劑濃度和反應(yīng)溫度十分敏感。采用本文所述品牌的試劑，在30℃時(shí)，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的等待時(shí)間為9秒，變色時(shí)間不到1秒，實(shí)驗(yàn)效果較好。增加脈動(dòng)飲料用量，可以延長(zhǎng)等待期。增大碘酊用量，可縮短等待期和變色期，但變色期縮短得更明顯。提高溫度可使等待期和變色期都明顯縮短。該實(shí)驗(yàn)既可設(shè)計(jì)成化學(xué)魔術(shù)，比如“剎那間的脈動(dòng)”、“隔杯變色”，又可作為教學(xué)實(shí)驗(yàn)，應(yīng)用于溶液配制、化學(xué)反應(yīng)速率影響因素的探究等。

參考文獻(xiàn)：

[1]2017年諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)揭曉. http：//news.sciencenet.cn/htmlnews/2017/10/390081.shtm. 2018. 1. 25.

[2]秦序. 化學(xué)振蕩反應(yīng)綜述[J]. 首都師范大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版）， 2014， 35（6）： 42～44.

[3]Iodine Clock Reaction. https：//en.wikipedia.org/wiki/Iodine_clock_reaction.

[4]Lente G.， Bazsa G.， Fbin I.， et al. What is and what isn't a clock reaction？ [J]. New Journal of Chemistry， 2007， 31（10）： 1707～1707.

[5]Wright S.W.. The vitamin C clock reaction [J]. Journal of Chemical Education， 2002， 79（1）： 41～43.