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?；趯嶒炘硖岢鰧嶒灧桨傅南嚓P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(fā)現(xiàn)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(xiàn)象打動了無數(shù)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(yī)用雙氧水、碘酊和淀粉做此實驗[4]。但有研究發(fā)現(xiàn)，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(fā)現(xiàn)能產生碘時鐘實驗類似現(xiàn)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(fā)現(xiàn)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(fā)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(yǎng)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(xiàn)象，稍等片刻后溶液突然變色。本研究將混合后沒有現(xiàn)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(xiàn)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(fā)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(xiàn)瞬間變藍的實驗現(xiàn)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(fā)生歧化反應。因此，碘時鐘實驗必須在酸性條件下進行。

根據(jù)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(yī)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(xiàn)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(xiàn)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(fā)現(xiàn)可以出現(xiàn)碘時鐘實驗類似現(xiàn)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(xiàn)用現(xiàn)配，不要隔夜使用。

淀粉品種的選擇

本研究發(fā)現(xiàn)，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?yōu)榉圩仙蜃虾稚?，然后才逐漸變成藍色。這種現(xiàn)象與碘時鐘實驗中“瞬間變藍”的現(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)紅色至橙紅色的顏色[9]?；谖墨I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(fā)現(xiàn)，只有馬鈴薯淀粉會使混合溶液瞬變?yōu)樗{黑色，符合碘時鐘實驗的要求。

試劑用量及配比

根據(jù)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(xiàn)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(jù)這種調整方法，經過數(shù)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(wǎng)、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(shù)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(xiàn)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(shù)，改為常量實驗。根據(jù)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(shù)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(fā)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(fā)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(fā)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(jié)。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(fā)現(xiàn)，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(xiàn)象。紅辣椒和胡蘿卜的碘時鐘實驗現(xiàn)象是橙紅色溶液靜置一段時間后變?yōu)楹谏＋J猴桃和檸檬的碘時鐘實驗現(xiàn)象是乳白色溶液靜置一段時間后變?yōu)樗{色。

紅椒碘時鐘實驗最終方案

從實驗現(xiàn)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(xiàn)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(yōu)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(fā)現(xiàn)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(fā)現(xiàn)，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(yī)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(wǎng)、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(yī)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(xiàn)象。

[實驗現(xiàn)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?yōu)楹谏?，實驗效果非常理想?/p>

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(yōu)化。通過反復多次試驗，本研究發(fā)現(xiàn)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(xiàn)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?shù)怍伾『孟r，再加入幾滴紅椒汁即可）。

（3） 配制溶液B： 將50mL醫(yī)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(xiàn)象。大約在混合后第12秒左右，橙紅色瞬變?yōu)楹谏?，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(guī)則，質感硬?？诟休^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(yōu)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(xiàn)象明顯、密切聯(lián)系生活。能使學生感受到生活中處處有化學，從而激發(fā)化學學習興趣。

本文所述果蔬碘時鐘實驗還可引發(fā)很多后續(xù)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(xiàn)象，但實驗現(xiàn)象中的不足之處在于瞬變過程有待優(yōu)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.

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[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.