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果蔬为原料的碘时钟实验探究

范文

王洁龙琪韩亚秀徐海彪吴箫

摘要：碘时钟实验是著名的化学趣味表演实验。为了让这一经典实验走进中小学生的生活世界，以水果和蔬菜为原料对其进行生活化设计。基于实验原理提出实验方案的相关假设，对实验方案进行微量实验探究和常量实验验证。最终发现红辣椒是演示碘时钟实验的最佳原料。

关键词：碘时钟实验; 维生素C; 双氧水; 实验探究 ? 文章编号： 10056629（2019）6006605??????中图分类号： G6338??????文献标识码： B

1886年，瑞士化学家兰多尔特（Landolt）首次演示了碘时钟实验[1]。这个实验瞬间变蓝的奇妙现象打动了无数科学爱好者。虽然一百多年过去了，但是碘时钟实验至今还被用于化学动力学问题的教学[2， 3]。

经典碘时钟实验用到的药品是碘酸钾、亚硫酸氢钠、淀粉和浓硫酸。它们全是化学试剂，远离学生的生活世界。因此，有学者尝试着用生活物品改进碘时钟实验。其中最常见的是采用维生素C药片、医用双氧水、碘酊和淀粉做此实验[4]。但有研究发现，用维生素C药片做碘时钟实验的重复性不是很好[5]。因此，本研究采用富含还原性物质的水果和蔬菜来设计和演示碘时钟实验。

实验探究阶段试验了十余种水果和蔬菜，发现能产生碘时钟实验类似现象的果蔬分别是红辣椒、柠檬、猕猴桃、胡萝卜、芒果、橙子、夏黑葡萄等。最终，综合考虑实验效果、原料成本、实验安全性和学生参与度等因素，发现红辣椒是演示生活化碘时钟实验的最佳原料。

用水果和蔬菜演示碘时钟实验具有多重意义。首先，水果蔬菜所含成分全是天然物质，没有人工添加剂，有利于激发学生的好奇心，提高实验的趣味性。其次，水果蔬菜是人体健康必需的营养物质，在日常生活中比维生素C药片的认知度更高。用水果和蔬菜演示碘时钟实验更能展示“化学在身边”的科学理念，有助于提高实验的生活性，非常适宜给中小学生在课内外演示。因此，它在科学教育中具有较强的实用性。

1?实验设计与方案筛选

在经典碘时钟实验中，溶液刚开始混合后的一段时间内没有任何现象，稍等片刻后溶液突然变色。本研究将混合后没有现象的那段时间称为等待期，将变色瞬间所用时间称为变色期。参照碘时钟实验的经典现象，本研究的探究目标是将等待期控制在5～20秒之间，变色期控制在2秒以内。

实验原理及实验假设

维生素C体系碘时钟实验的反应原理如下所示[6]：

反应（1）中，单质碘被过量维生素C还原，生成碘离子。此时溶液中的还原性物质为碘离子和过量维生素C。两种溶液混合后，由于维生素C的还原性大于碘离子，所以在第（2）步反应中，双氧水先与过量维生素C反应。这时，碘时钟反应处于等待期。待维生素C全部被氧化后，发生反应（3），双氧水将碘离子氧化成单质碘，使淀粉变蓝，实验中出现瞬间变蓝的实验现象。

由上述反应原理可知，混合溶液中的维生素C浓度越大，等待期越长。双氧水浓度越大，等待期和变色期都会缩短。另外，酸性条件可以提高双氧水的氧化性，并且单质碘在弱碱性条件下会发生歧化反应。因此，碘时钟实验必须在酸性条件下进行。

根据以上反应原理推导出以下果蔬碘时钟实验的假设方案：用榨汁机获取水果汁或者蔬菜汁原液，取清液于试管中。向清液中加入碘酊，得到溶液A。医用过氧化氢消毒液中加入硫酸进行酸化，再加入淀粉溶液，得到溶液B。预期的实验现象是：将A、 B两种溶液混合后，稍等片刻，溶液迅速变色。

实验探究

碘时钟实验现象中的变色期和等待期对试剂浓度非常敏感。因此，实验原料的选择以及实验试剂的用量及配比是本实验的研究重点。

果蔬品种的选择

果蔬品种的选择是实验探究的第一步。笔者尝试了十余种富含维生素C等还原性物质的水果和蔬菜。发现可以出现碘时钟实验类似现象的果蔬分别是红辣椒、柠檬、猕猴桃、胡萝卜、芒果、橙子、夏黑葡萄。由于维生素C等还原性物质易被氧化，所以实验中的果蔬汁要现用现配，不要隔夜使用。

淀粉品种的选择

本研究发现，淀粉品种会影响碘时钟实验的颜色变化。有些淀粉遇碘并不立刻变蓝，而是先变为粉紫色或紫褐色，然后才逐渐变成蓝色。这种现象与碘时钟实验中“瞬间变蓝”的现象差别较大。查阅文献得知，淀粉可分为直链淀粉和支链淀粉两种。支链淀粉遇碘呈紫红色。直链淀粉与碘作用呈现蓝色[7]。不同植物淀粉中直链淀粉和支链淀粉的比例不同。淀粉遇碘呈现的最终颜色取决于该淀粉中直链淀粉与支链淀粉的比例[8]。此外，天然淀粉中还含有油脂。碘溶于油脂中，会使溶液呈现红色至橙红色的颜色[9]。基于文献查阅结果，本研究先后采用红薯淀粉、玉米淀粉、小麦淀粉和马铃薯淀粉进行实验。结果发现，只有马铃薯淀粉会使混合溶液瞬变为蓝黑色，符合碘时钟实验的要求。

試剂用量及配比

根据反应机理，对果蔬碘时钟实验中的等待期和变色期进行调整，以达到预期的实验现象。调整方法是：增加果蔬汁体积延长等待期，反之亦然。增加双氧水体积缩短等待期和变色期，反之亦然。加热条件能同时缩短等待期和变色期。根据这种调整方法，经过数次尝试，本研究得到了以下微量实验方案。

[实验原料]市售水果和蔬菜若干种、碘酊、纯净水、过氧化氢消毒液、马铃薯淀粉，3mol·L-1硫酸

[实验器材]有刻度的塑料滴管、量筒、烧杯、玻璃棒、榨汁机、石棉网、三脚架、酒精灯

[实验准备]

（1）稀释碘酊溶液：将碘酊和纯净水按照1∶6的体积比稀释，备用。

（2）配制马铃薯淀粉溶液：取10g马铃薯淀粉放入200mL冷水中搅拌均匀。加入300mL沸水搅拌均匀（如果将马铃薯淀粉直接倒入沸水后搅拌，粉末状的马铃薯淀粉会凝结成块状，不利于淀粉溶液的形成）。冷却后加入3mol·L-1硫酸溶液10mL。

（3）制备果蔬汁：将水果和蔬菜剥皮去核，用榨汁机榨取汁液，静置，取清液备用。

（4）贴标签：给烧杯和塑料滴管分别贴上相应标签，防止混用。

[实验步骤]

（1）配制溶液A：取10滴稀释后的碘酊溶液，向其中逐滴加入果蔬原汁，边加边振荡，直到碘酊溶液刚好褪色或者颜色突然变浅（果蔬汁的具体滴数详见表1），得到溶液A，将其加热至微沸。

（2）配制溶液B：取10滴过氧化氢消毒液，10滴3mol·L-1硫酸和2mL马铃薯淀粉溶液混合，得到溶液B，将其加热至微沸。

（3）将溶液B快速倒入溶液A，同时启动秒表计时，观察溶液变色时间及变色现象。

对实验方案的初步筛选

微量实验用于初步探究果蔬碘时钟实验中的试剂用量及其配比，不便于演示和表演。在微量实验成功之后，本研究又将试剂扩大倍数，改为常量实验。根据实验原理对试剂用量做了微调。同时对温度条件作了调整。在微量实验阶段，实验次数非常多。为了简化操作，实验时将A、 B溶液加热至微沸，从而省去使用温度计的操作。但是，微沸条件下，有可能会发生一系列副反应，比如果蔬汁中的还原性成分被氧化或者分解，双氧水发生分解，碘与淀粉变成的蓝色消失等。因此，常量实验方案的探究中，将加热至微沸条件改为加热至30℃左右。这一改变不仅可以减少副反应发生，而且使得该实验在夏天演示效果更好。因为夏天温度经常在30℃左右，正是水果蔬菜大量上市的季节。在夏天做此实验，既可以省去加热操作，也可以设计生动有趣富有生活气息的实验情景。

常量试验发现，用红辣椒、胡萝卜、柠檬汁和猕猴桃做的演示效果较好。具体实验方案为：按照表2所示用量配制溶液A和溶液B。分别将两种溶液加热至30℃左右。将溶液B倒入溶液A，同时启动秒表计时，观察溶液变色时间及变色现象。红辣椒和胡萝卜的碘时钟实验现象是橙红色溶液静置一段时间后变为黑色。猕猴桃和柠檬的碘时钟实验现象是乳白色溶液静置一段时间后变为蓝色。

红椒碘时钟实验最终方案

从实验现象来看，表2所示的四种果蔬碘时钟实验均能取得理想的实验效果。但是，一个好的趣味表演实验，除了考虑实验现象以外，还要考虑实验原料的购买成本、购买渠道以及原料的安全性。原料成本低有助于扩大试剂用量，提升视觉效果。原料购买方便有利于扩大实验的普及面。原料安全性高有利于提高观众的参与度。

表2所示的四种水果蔬菜中，红辣椒和胡萝卜具有汁液颜色鲜艳、原料成本低、安全性高、购买方便的优点。但是这两个方案都要用到硫酸溶液。它是实验室里的化学试剂，既不方便购买，也不安全。于是，本研究将淀粉溶液的酸化试剂由硫酸改为醋精（总酸含量≥30g/100mL）。结果发现红辣椒碘时钟实验依然能取得理想的实验效果。而胡萝卜碘时钟实验换成醋精之后，变色过程为渐变，不是瞬变。

综合多方面因素，本研究发现，红辣椒是演示碘时钟实验的最佳原料。具体实验方案如下所示：

[实验原料]红辣椒、碘酊（2%）、纯净水、医用过氧化氢消毒液（2.7%～3.3%）、马铃薯淀粉、醋精（总酸含量≥30g/100mL）

[实验器材]有刻度的塑料滴管、量筒、烧杯、玻璃棒、榨汁机、石棉网、三脚架、酒精灯、温度计

[实验准备]

（1）稀释碘酊溶液：将碘酊和纯净水按照1∶ 6的体积比稀释，备用。

（2）配制马铃薯淀粉溶液：取10g马铃薯淀粉放入200mL冷水中搅拌，再将其倒入300mL沸水中，搅拌均匀，得马铃薯淀粉澄清溶液。

（3）制备红椒汁：将红辣椒去籽去筋，用榨汁机榨取汁液，静置，取清液备用。

（4）贴标签：给溶液和塑料滴管贴上相应的标签，防止混用。

[实验步骤]

（1）配制溶液A：取30mL稀释后的碘酊溶液，向其中加入40mL红椒汁，搅拌均匀，得到溶液A。将其微热至30℃左右。

（2）配制溶液B：取50mL医用过氧化氢消毒液、30mL醋精、150mL马铃薯淀粉溶液混合均匀，得到溶液B，将其微热至30℃左右。

（3）将溶液B快速倒入溶液A中，同时启动秒表计时，观察溶液变色时间及变色现象。

[实验现象]

红椒碘时钟实验的等待期为12秒，变色期不到1秒。溶液颜色由橙红色瞬变为黑色，实验效果非常理想。

3?研究结论与展望

本研究基于经典碘时钟实验原理，对其进行生活化设计。先从微量实验入手，寻找能够达到较好效果的水果蔬菜和淀粉，探究各种试剂的用量和配比。微量实验成功后，将试剂用量等比例放大，对常量实验做了探究，并对微量实验方案做了调整和优化。通过反复多次试验，本研究发现以红辣椒为原料的生活化碘时钟实验的最佳方案如下所示：

（1）实验准备：按照V（碘酊）∶V（水）=1∶6的比例稀释碘酊;取5g马铃薯淀粉放入100mL冷水中搅拌均匀，再将其倒入150mL沸水中搅拌均匀。红辣椒去籽去皮，榨取红椒汁。

（2）配制溶液A：取30mL稀释后的碘酊溶液与40mL红椒汁混合均匀，微热至30℃左右。这时混合溶液A呈现红椒汁的橙红色（注：不同品牌碘酊的浓度略有差异。配制溶液A时，向碘酊稀溶液中逐渐加入红椒汁，当碘酊颜色恰好消失时，再加入几滴红椒汁即可）。

（3）配制溶液B：将50mL医用过氧化氢消毒液、30mL醋精、150mL马铃薯淀粉溶液混合均匀。微热至30℃左右，这时混合溶液B为无色。

（4）实验表演：将溶液B快速倒入溶液A中。刚开始混合时，溶液仍然为橙红色，没有任何现象。大约在混合后第12秒左右，橙红色瞬变为黑色，这一颜色变化过程在1秒内迅速完成。

本方案中用到的红辣椒为菜场和超市中常见的大红椒。长约10～15厘米，顶部直径约0～2厘米，根部直径约4～6厘米。皮肉厚实，不规则，质感硬。口感较辣。配制溶液的纯净水为商品名称中含有“纯净水”字样的饮用水。

相比于经典碘时钟实验，本实验具有以下优点：实验原料廉价易得，在菜场、超市和药店中都能买到。实验操作简便安全、实验现象明显、密切联系生活。能使学生感受到生活中处处有化学，从而激发化学学习兴趣。

本文所述果蔬碘时钟实验还可引发很多后续研究。首先，从科学教育的视角进行教学设计，将果蔬碘时钟实验用于化学动力学问题的探究、中小学幼儿园的趣味实验表演、面向公众的科普宣传活动等。其次，柠檬、猕猴桃、胡萝卜、芒果、橙子、夏黑葡萄等水果也能产生碘时钟实验的类似现象，但实验现象中的不足之处在于瞬变過程有待优化。最后，富含还原性物质的水果蔬菜品种繁多，本研究仅试验了其中的十余种。其他水果和蔬菜在碘时钟实验中的探究设计留待学界同行深入研究。

参考文献：

[1]?https：//en.wikipedia.org/wiki/Iodine_clock_reaction.

[2]?姜绍南，耿志琴，黄金兰. “碘时钟实验”在中学化学教学中的应用初探[J]. 中小学实验与装备， 2017，（6）： 28～29.

[3][4]?Wright S.W.. The vitamin C clock reaction [J]. Journal of Chemical Education， 2002， 79（1）： 42.

[5][6]?朱思敏，张伟娜. 维生素C的碘时钟实验探索[J]. 化学教学， 2008，（9）： 19～20.

[7]?张秀清. 淀粉与碘反应的显色原理和条件[J].实验教学与仪器， 2006，（12）： 27～28.

[8]?张前进. 淀粉遇碘不一定变蓝[J]. 生物学通报， 2014， 49（1）： 53～54.

[9]?贾同全. 碘遇淀粉一定变蓝色吗[J]. 中学化学， 2014，（11）： 24.

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