數字化實驗探究酸性KI溶液被空氣中O₂氧化

葉晟瑜 王菲菲 喻家香 蔡雪

摘要：利用數字化實驗手段研究了不同濃度Kl在酸性條件下被空氣中的O2氧化的情況，得到不同濃度KI溶液在適宜條件下的O2消耗量隨時間變化的圖像，并由此判斷數字化實驗演示最佳條件。引入數字化實驗技術，可以通過O2的消耗直觀顯示反應的發生，幫助學生加深對于“反應物濃度影響反應速率”的理解。

關鍵詞：KI溶液；淀粉溶液；氧氣傳感器；色度傳感器

文章編號：1008-0546（2022）12x-0076-03

中圖分類號：G632.41

文獻標識碼：B

doi： 10.3969/j .issn.1008-0546.2022.12x.018

一、問題的提出

KI在酸性條件下被空氣中的O2氧化，實驗反應原理為4H++41-+02=2I2+2H2O。通過對反應物濃度的研究，可以幫助學生從定量的角度理解“反應物濃度影響反應速率”。通過文獻查閱，發現目前已有的對該反應的研究中，大多通過顯色時間判斷反應速率的快慢。[1]然而，在重復實驗過程中發現僅憑肉眼觀察顏色變化不太可靠，不同人眼睛的辨色能力有差異，同一個人看不同樣品也不能做到完全一致。因此，考慮引入數字化實驗技術探究實驗演示最佳條件。

二、實驗條件的探究

1．實驗方案設計

（1）設計思路

由于利用氧氣傳感器的實驗需要在密閉的氣體取樣瓶中進行，若藥品用量過大，反應消耗O2較多，氣體取樣瓶中氣壓降低阻止反應順利進行；若溶液濃度過大，變色過快，則不利于數據采集與課堂演示。因此，在進行實驗之前需要探究變色時間可控、O2消耗量適當的實驗條件。

該實驗現象的影響因素主要有KI溶液濃度、各試劑用量、新制KI溶液放置時間。本實驗對于以上三因素分別選取了多個水平，進行了正交實驗設計（見表1）。通過文獻查閱發現，目前常采用新制1.0 mol/L KI溶液與0.1 mol/L稀硫酸以硫酸過量的形式進行反應。[2]然而，在進行預實驗過程中，發現直接利用新制KI溶液進行實驗顯色時間過長，現象不易觀察，不適合課堂演示。[3]據此，進行了如下的實驗設計。

由于氣體取樣瓶體積為250 mL，因此，選用生活中常見的塑料瓶為實驗器材進行探究。本實驗選用八個容量為300 mL的飲料瓶將其平分為A、B兩組，見圖1。A組四個瓶分別加入0.1 mol/L、0.5 mol/L、1.0 mol/L、1.5 mol/L的KI溶液，KI溶液與稀硫酸的添加體積比為I：1;B組四個瓶分別加入0.1 mol/L、0.5 mol/L、1.0 mol/L、1.5 mol/L的KI溶液，KI溶液與稀硫酸的添加體積比為1：2，稀硫酸過量。重復試驗，通過顯色速度對比選出最佳反應條件。

（2）實驗儀器與藥品

儀器：300 mL塑料瓶8個（見圖1）、分析天平、燒杯（50 mL 4個、250 mL 2個）、玻璃棒、膠頭滴管、量筒等

藥品：KI粉末、飽和淀粉溶液、98%濃硫酸

2．實驗步驟與現象

（1）探究最佳反應濃度與反應時間

第一步：配制溶液。用KI粉末分別配制0.1 mol/L、0.5 mol/L、1.0 mol/L、1.5 moI/L的KI溶液各50 mL；用98%濃硫酸配制0.1 mol/L稀硫酸200 mL；用淀粉配制100 mL飽和淀粉溶液。將配制好的KI溶液靜置th。

第二步：先分別向八個塑料瓶中加入2 mL飽和淀粉溶液，再分別向八個塑料瓶中加入4 mL 0.1 mol/L稀硫酸。

第三步：分別向A組四個塑料瓶中加入4 mL 0.1 mol/L、0.5 mol/L、1.0 mol/L、1.5 mol/L的KI溶液，向B組四個塑料瓶中加人2 mL 0.1 mol/L、0.5 mol/L、1.0 mol/L、1.5 mol/L的KI溶液，迅速擰緊瓶蓋。觀察并記錄出現顏色變化的時間。

第四步：分別在1.5 h、2h、2.5 h、3h重復第二、三步操作，觀察記錄五組實驗數據，繪成表格。

（2）探究最佳藥品添加順序

第一步：基于探究出的最佳濃度與最佳靜置時間，繼續探究藥品添加順序的影響。以淀粉一硫酸-KI溶液、淀粉-KI溶液一硫酸、硫酸一淀粉-KI溶液、KI溶液一淀粉一硫酸四種順序向塑料瓶中添加藥品。第二步：觀察對比四組實驗的顯色時間。

3．實驗數據與結論

經過五次重復實驗，歸納整理實驗數據，得到如下表格。

通過對于表2中變色時間的分析，將新制濃度為0.5-1.5 mol/L的KI溶液在空氣中靜置1.5 h-2 h后，以1：1的比例加入KI溶液和稀硫酸進行反應，變色時間適當，顏色較明顯，現象較理想。

通過對于表3中顯色速度的分析，發現以硫酸一淀粉-KI溶液的順序添加試劑顯色最快。

至此，得到該反應在300 mL塑料瓶中的最佳反應條件，將濃度為0.5 - 1.5 mol/L的新制KI溶液在空氣中靜置1.5 h-2 h，先向瓶中添加4 mL 0.1 mol/L稀硫酸，再加入2 mL飽和淀粉溶液，最后加入4 mL1 mol/L KI溶液。該條件可以遷移應用到氣體取樣瓶中。

三、數字化實驗

1．實驗方案設計

根據條件探究實驗，發現KI溶液濃度在0.5-1.5 mol/L時現象較明顯，因此設計濃度梯度為0.6 mol/L、0.8 mol/L、1.0 mol/L、1.2 mol/L的KI溶液進行數字化實驗。另外，新制KI溶液在空氣中靜置1.5 h-2h后較適合實驗，為預留操作時間，設計將新制KI溶液靜置1.5 h后開始實驗。

本實驗反應原理為KI溶液被空氣中的O2氧化，生成的I2遇淀粉溶液變藍，考慮通過氧氣傳感器測定反應消耗空氣中O2的量，以O2消耗速度表示不同濃度的KI溶液的反應速率，空氣中O2含量變化值越大說明消耗的O2越多，空氣中O2含量變化曲線斜率越大說明反應速率越快。同時，由于反應現象涉及顏色變化，考慮通過色度傳感器測定不同濃度KI溶液被氧化后的顏色深淺，顏色越深，說明生成的I2的量越多，同時印證KI溶液濃度越大消耗02越多。

2．實驗儀器與藥品

儀器：氧氣傳感器（威尼爾軟件與技術公司型號：O2-BTA）、氣體取樣瓶、色度傳感器（威尼爾軟件與技術公司型號：COL-BTA）、比色皿、數據采集器、計算機等

藥品：KI溶液、飽和淀粉溶液、0.1 mol/L稀硫酸

3．實驗步驟與現象

（1）利用氧氣傳感器探究KI溶液濃度對于反應速率的影響

第一步：配制溶液。用KI粉末分別配制0.6 mol/L、0.8 mol/L、1.0 mol/L、1.2 mol/L的KI溶液各30 mL；用980-/0濃硫酸配制0.1 mol/L稀硫酸100 mL；用淀粉配制100 mL飽和淀粉溶液。將配制好的KI溶液靜置1.5 h。

第二步：裝置連接。如圖2所示連接實驗裝置、調試軟件并進行氧氣傳感器校準。

第三步：添加試劑。向氣體取樣瓶中依次添加4 mL 0.1 mol/L稀硫酸、2 mL飽和淀粉溶液、4 mL0.6 mol/L KI溶液后迅速插入氧氣傳感器。

第四步：數據采集，觀察現象。在插入傳感器同時開始數據采集，同時觀察現象，待數據基本保持不變時，停止采集數據，將數據復制到Origin軟件中進行作圖。通過肉眼觀察發現溶液隨著反應的進行逐漸變為淺紫色。

第五步：將反應完的溶液倒人試管1備用。

第六步：重復第三、四、五步采集0.8 mol/L、1.0 mol/L、1.2 mol/L KI溶液的反應數據，并獲得圖3所示反應后的待測液，發現四支試管中待測液存在濃度梯度變化。

（2）利用色度傳感器探究不同濃度KI溶液反應后顏色的差異

第一步：更換傳感器。連接實驗裝置、調試軟件并進行色度傳感器校準。

第二步：將4支試管中待測液分別倒入比色皿中進行檢測，待數據基本保持不變時，停止采集并保存數據。

4．數據處理

利用氧氣傳感器監測不同濃度KI溶液反應過程中空氣中02含量隨時間的變化（見圖4），可以發現：在本實驗選取的濃度范圍內，KI溶液濃度越大，O2消耗速度越快，O2消耗總量也越大，在該實驗中表現為1.2 mol/L KI溶液的變化曲線斜率最大、縱坐標變化幅度也最大。

通過表4數據可以發現在本實驗選取的濃度范圍內，KI溶液濃度越高，反應后溶液顏色越深，證明生成的I2越多，同時印證圖4展示出的KI溶液濃度越高消耗02量越多的結論。

5．實驗結論

在本實驗選取的濃度范圍內，KI溶液濃度越大，O2消耗速度越快，O2消耗總量也越大，在該實驗中表現為1.2 mol/L KI溶液的變化曲線斜率最大、縱坐標變化幅度也最大；KI溶液濃度越高，反應后溶液顏色越深，證明生成的I2越多。據此判斷出實驗演示最佳條件為將濃度為1.2 mol/L的新制KI溶液在空氣中靜置1.5 h后，向瓶中依次添加4 mL 0.1 mol/L稀硫酸、2 mL飽和淀粉溶液和4 mL l.2 mol/L KI溶液，隨后進行數據采集。通過該條件進行實驗操作，反應時間可控，現象較為明顯，適合課堂演示。

四、實驗反思

1．實驗技術反思

以氧氣傳感器為技術支撐的數字化實驗起到了連續記錄空氣中O2含量變化的作用，為數據篩選提供了較大的數據樣本和方便的采集途徑，同時也有利于直觀展示不同濃度KI溶液被空氣中O2氧化的反應速率，而色度傳感器則有利于監測肉眼難以判斷的顏色深淺。[4]

2．對于教學的啟發

反應“4I-+O2+4H+=2I2+2H2O”是一個很好的探究反應物濃度對化學反應速率影響的實驗素材，數字化實驗引入課堂可以幫助教學，促進學生對這個反應的理解，同時加深對影響反應速率因素的認識。

參考文獻

[1]何瓊，王小英．淀粉溶液、碘化鉀溶液在空氣中酸化出現藍色的實驗條件研究[J]．高中數理化，2017（ 16）：61-62．

[2] 吳朝輝．碘化鉀淀粉溶液遇氧氣是否變色的原因探析[J]．化學教學，2015（02）：53-55．

[3] 翁雪香，張瑞允，鄭慧純，吳朝輝．碘化鉀溶液露置空氣后發生的氧化反應及歧化反應[J]化學教學，2021（07）： 69-75．

[4]顧曄．酸性KI溶液被空氣中O2氧化的數字化實驗研究[J]化學教學，2016（08）：55-57．