基于數(shù)字傳感器比較氧化性

李珂卿 丁偉

摘要：海帶提碘是高中化學(xué)重要的定性實驗，在現(xiàn)行教材中，通常用氯水和雙氧水作為氧化劑，將碘離子氧化為碘單質(zhì)，為促進學(xué)生更深入學(xué)習(xí)氧化還原反應(yīng)原理，基于數(shù)字傳感器，選取氯水、雙氧水、鐵離子這三種氧化劑來滴定海帶提取液，比較其氧化性強弱，并結(jié)合實驗室、工業(yè)上海帶提碘流程的區(qū)別，進行教學(xué)實踐研究。

關(guān)鍵詞：海帶提碘;氧化還原滴定;電位傳感器

文章編號：1008-0546（ 2021）01-0075-03

中圖分類號：G632.41

文獻標識碼：B

doi： 10.3969/j .issn.1008-0546.2021.01.020

一、問題提出

碘元素是人體生命中重要的微量元素，也是國家必要的戰(zhàn)略物資，是制造無機和有機碘化物的基礎(chǔ)原料，在食品、醫(yī)療、化工、冶金等領(lǐng)域有著廣泛的用途[1]。海水中有豐富的碘元素，從海帶中提取碘是高中化學(xué)中重要的實驗之一，也是學(xué)習(xí)氧化還原反應(yīng)原理在實際工業(yè)生產(chǎn)應(yīng)用中的縮影。在現(xiàn)行的滬教版教材中，采用氯水氧化海帶提取液中的碘離子[2]。但由于氯水的氧化性很強，不僅容易將碘離子氧化到碘單質(zhì)，還會進一步把碘單質(zhì)氧化為碘酸根離子，且很難控制氧化劑的量;新制氯水穩(wěn)定性小，易光分解，所含成分復(fù)雜，每種成分的量模糊不易確定;制備過程中毒性大，該氧化劑不適用于化學(xué)課堂上的演示實驗。因此，選擇一種最佳的氧化劑將碘離子精確氧化到最大量的碘單質(zhì)，成了當前化學(xué)課堂中必不可少的實驗探究環(huán)節(jié)，也是培養(yǎng)學(xué)生“將理論與實際相結(jié)合”觀念的重要教學(xué)活動。本文以人教版高中化學(xué)教材必修《化學(xué)2》[3]第四章第一節(jié)海帶提碘教學(xué)為例，基于氧化還原電勢傳感器，在碘離子轉(zhuǎn)化為碘單質(zhì)的最佳氧化劑的選擇上，做了一些教學(xué)實踐。

二、教學(xué)設(shè)計

以海帶提碘為教學(xué)情境，運用氧化還原反應(yīng)原理，比較氯水、雙氧水、鐵離子的氧化性強弱順序，解決“將碘離子精確氧化到碘單質(zhì)”的問題，教學(xué)流程如圖1所示。

1.問題驅(qū)動，激發(fā)思考

[情境]海帶中富含碘元素，目前我國工業(yè)上主要以海帶為原料來提取碘，提取碘的兩種主要方法是“浸泡法”與“灼燒法”。這是在實驗室里通過灼燒法得到的海帶灰提取液，理論上認為其中碘的主要存在狀態(tài)為碘離子。

[提問]如何檢測證明該試劑中提取到了碘元素呢？

[設(shè)計方案]根據(jù)氧化還原反應(yīng)原理，利用氯水做氧化劑氧化海帶提取液中的物質(zhì)（碘離子），再用淀粉溶液檢驗其中是否存在碘單質(zhì)。

[學(xué)生實驗]在試管中取ImL（約1滴管）海帶灰提取液（含I一），加2滴淀粉溶液，再逐滴加入氯水，不斷振蕩。

[觀察現(xiàn)象]溶液先出現(xiàn)藍色，后又變成無色。

[提問]淀粉遇碘顯藍色，為什么溶液又變成無色呢？

2.實驗探究，證據(jù)推理

[猜想]可能是氯水過量或氯水氧化性太強，把碘離子氧化成碘單質(zhì)后，繼續(xù)氧化成為高價態(tài)的碘化合物，可能為碘酸鹽。

[板書]反應(yīng)1：2I-+ Cl2= 2Cl-+I2

反應(yīng)2：I2+ SCl2+ 6H2O= 2HIO3+10HCl

[提問]工業(yè)生產(chǎn)如何保證I2量的最大化？如何將I一精準地氧化成為I2呢？

[討論]氯水過量會導(dǎo)致生成碘酸鹽;逐滴加入氯水是實驗關(guān)鍵點，需要控制該反應(yīng)只生成單質(zhì)碘。

[設(shè)計方案]利用現(xiàn)有試劑氯水，采取酸性條件下的氧化還原電位測定法可以較為準確地控制氧化劑的加入量，使I-的氧化反應(yīng)停留在生成I2的階段。

[演示實驗]利用氧化還原電位（ORP）傳感器測量反應(yīng)溶液，實時檢測，控制物質(zhì)被氧化的程度，實驗裝置如圖2所示。隨著氯水的不斷滴加，海帶提取液由無色到出現(xiàn)藍色，藍色不斷加深，接著又逐漸褪成無色。

[講解]圖3曲線中縱坐標“電極電位”表示物質(zhì)氧化性的強弱，數(shù)值越大，氧化性越強。

[收集證據(jù)]在滴人氯水過程中，開始時電位曲線較低，反映的是溶液中碘離子的氧化性，當溶液中物質(zhì)的氧化性升高后曲線大致保持在一個水平線上，此時溶液中的物質(zhì)可能是碘單質(zhì);繼續(xù)滴加氯水，曲線變化呈現(xiàn)上升突躍，此刻反映溶液中有更高價態(tài)的氧化產(chǎn)物生成，可能是碘酸根;當?shù)渭拥穆人^量時，溶液中碘酸根的量保持不變，曲線最后的位置顯示的則是過量氯水的氧化性。

[推理]由圖3的曲線表明，可以通過逐漸滴加氯水，從而精準控制只生成碘單質(zhì)的氯水滴加量。

3.現(xiàn)象論證，原理建模

[提問]通常使用的氧化劑有哪些物質(zhì)呢？它們氧化性強弱的順序如何？

[討論]高錳酸鉀、氯水、雙氧水、鐵離子……

[信息呈現(xiàn)]各種氧化劑的氧化性（電極電位數(shù)據(jù)）強弱順序。

氧化性：KMnO4（H+）>Cl2>H2O2（一定條件下）> Fe3+

[提問]是否可以使用某種氧化劑，把海帶提取液中的碘離子精準地氧化為碘單質(zhì)呢？又不會使得碘離子再繼續(xù)氧化為更高價態(tài)的碘酸根呢？請同學(xué)們設(shè)計解決方案。

[討論]從氧化劑的選擇、實驗方案的確定、現(xiàn)象的觀察、結(jié)論的得出這幾個方面來考慮。

問題1：氧化劑如何選擇？

分析1：氧化劑的氧化性一定要強于作為氧化產(chǎn)物的碘單質(zhì)，但不可過強，以免進一步氧化碘單質(zhì)成為碘酸根。雙氧水（一定酸度）和鐵離子的氧化性比氯水、酸性高錳酸鉀弱，能精確氧化碘離子。

問題2：如何設(shè)計實驗？

分析2：使用電位傳感器檢測雙氧水（稀硫酸酸化）、鐵離子滴定海帶提取液中的碘離子（如圖4、5所示）。

問題3：如何定性檢驗碘單質(zhì)的生成？

分析3：利用淀粉溶液指示氧化還原反應(yīng)過程中碘單質(zhì)的生成。

問題4：有何實驗現(xiàn)象？

分析4：雙氧水滴加過程中，溶液變藍，不再褪色;鐵離子滴加過程中，溶液變藍后又逐漸變棕色。

問題5：證據(jù)支持了何種結(jié)論？

分析5：雙氧水和鐵離子作為氧化劑氧化碘離子，可以得到最大量碘單質(zhì)，而且不再被繼續(xù)氧化成高價態(tài)的碘酸根。雙氧水具有綠色化學(xué)特點，是無污染的氧化劑，但必須控制溶液的酸度確定其氧化性;鐵離子氧化性雖不受溶液酸度影響，但因產(chǎn)物亞鐵離子顏色的影響，溶液不再呈現(xiàn)藍色，而是藍色和淺綠色的綜合——棕色，影響實驗觀察。

[得出結(jié)論]雙氧水和鐵離子作為氧化劑可以控制碘離子的氧化程度，即可以氧化到碘單質(zhì)。

4.概況總結(jié)，思想升華

[提問]總結(jié)實驗室提碘流程（見圖6）。工業(yè)提碘流程（見圖7）是怎樣的呢？

[評價]工業(yè)海帶提碘與實驗室模擬海帶提碘相比，更具綠色環(huán)保。富集碘單質(zhì)時不使用四氯化碳、不需要蒸餾四氯化碳，能耗低，不用灼燒海帶造成空氣污染，還可以提取甘露醇;另外，氯水在這三種氧化劑中是最便宜、最易得的。工業(yè)上海帶提碘不僅要考慮氧化劑的可行性，還要考慮原料的經(jīng)濟性等其他因素，正是利用了靈敏的分析儀器實時監(jiān)測，來控制氯水的量，從而得到碘單質(zhì)的最大量、最純化，這就是化學(xué)為工業(yè)生產(chǎn)做出巨大貢獻的具體體現(xiàn)。

[總結(jié)]這節(jié)課學(xué)習(xí)了由碘離子被氧化成碘單質(zhì)過程中的氧化還原反應(yīng)原理。運用電位傳感器測出的圖像數(shù)據(jù)定量地表現(xiàn)了氧化劑的氧化程度等問題。伽利略曾說“一種科學(xué)只有在成功運用數(shù)學(xué)時，才算達到完善的程度！”

三、教學(xué)啟示

1.借助數(shù)字化傳感器，結(jié)合宏觀現(xiàn)象理解化學(xué)變化的微觀本質(zhì)

化學(xué)反應(yīng)體系是一個復(fù)雜、多變的體系，僅僅呈現(xiàn)宏觀現(xiàn)象不足以幫助學(xué)生認識反應(yīng)本質(zhì)與微觀變化，這時數(shù)字化傳感器可以替代人體感官，客觀、直接、準確地記錄實驗數(shù)據(jù)并實時呈現(xiàn)[4]，傳感器的介入使化學(xué)反應(yīng)過程達到了實證化、動態(tài)化和定量化[5]。引導(dǎo)學(xué)生認識數(shù)字化傳感器的用途，例如本教學(xué)中測量碘離子被氧化為碘單質(zhì)（加入淀粉溶液顯藍），以及可被氯水繼續(xù)氧化為碘酸根（淀粉溶液藍色褪去），形成數(shù)據(jù)表征的量化圖像，從定性分析方法上升到定量研究方法。

2.認識化學(xué)在社會發(fā)展中的重要價值，形成科學(xué)態(tài)度陶冶科學(xué)精神

認識從植物中提取某些化學(xué)成分（例如本節(jié)課中從海帶中提取碘）的重要價值和方法，提高參與化學(xué)工業(yè)和科技活動的熱情和興趣，催發(fā)將化學(xué)知識應(yīng)用于化工生產(chǎn)、日常生活實踐的意識，及其對人類社會、生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生的影響展開評估，形成科學(xué)價值觀，提升學(xué)生的綠色環(huán)保的科學(xué)態(tài)度和社會責任。

3.從科學(xué)探究中深化物質(zhì)守恒原理，建立量變與質(zhì)變觀念

落實科學(xué)探究的第一步就是發(fā)現(xiàn)和提出有探究價值的化學(xué)問題，基于真實的問題驅(qū)動進行假設(shè)猜想、設(shè)計方案、實驗探究、得出結(jié)論等一系列探究活動，結(jié)合量變與質(zhì)變，深化物質(zhì)轉(zhuǎn)化過程中守恒的原理。

參考文獻

[1] 高利偉，史聯(lián)軍，鄭江華，回收碘的研究[J].貴州工業(yè)大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版（4）：16-19

[2] 高級中學(xué)課本·化學(xué)（試用本）[M].上海：上?？茖W(xué)教育出版社，2007：39-44

[3] 宋心琦.普通高中課程標準實驗教科書·實驗化學(xué)[M].北京：人民教育出版社，2007（2）：20-21

[4]王幗君.由宏觀現(xiàn)象探究微觀反應(yīng)本質(zhì)——利用傳感器技術(shù)探究“海帶提碘”實驗中發(fā)現(xiàn)的問題[J].化學(xué)教與學(xué)，2018（9）

[5] 馬宏佳.化學(xué)數(shù)字化實驗的理論與實踐[M].北京：人民教育出版社，2016：4