数字化实验探究酸性KI溶液被空气中O₂氧化

叶晟瑜 王菲菲 喻家香 蔡雪

摘要：利用数字化实验手段研究了不同浓度Kl在酸性条件下被空气中的O2氧化的情况，得到不同浓度KI溶液在适宜条件下的O2消耗量随时间变化的图像，并由此判断数字化实验演示最佳条件。引入数字化实验技术，可以通过O2的消耗直观显示反应的发生，幫助学生加深对于“反应物浓度影响反应速率”的理解。

关键词：KI溶液；淀粉溶液；氧气传感器；色度传感器

文章编号：1008-0546（2022）12x-0076-03

中图分类号：G632.41

文献标识码：B

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

一、问题的提出

KI在酸性条件下被空气中的O2氧化，实验反应原理为4H++41-+02=2I2+2H2O。通过对反应物浓度的研究，可以帮助学生从定量的角度理解“反应物浓度影响反应速率”。通过文献查阅，发现目前已有的对该反应的研究中，大多通过显色时间判断反应速率的快慢。[1]然而，在重复实验过程中发现仅凭肉眼观察颜色变化不太可靠，不同人眼睛的辨色能力有差异，同一个人看不同样品也不能做到完全一致。因此，考虑引入数字化实验技术探究实验演示最佳条件。

二、实验条件的探究

1．实验方案设计

（1）设计思路

由于利用氧气传感器的实验需要在密闭的气体取样瓶中进行，若药品用量过大，反应消耗O2较多，气体取样瓶中气压降低阻止反应顺利进行；若溶液浓度过大，变色过快，则不利于数据采集与课堂演示。因此，在进行实验之前需要探究变色时间可控、O2消耗量适当的实验条件。

该实验现象的影响因素主要有KI溶液浓度、各试剂用量、新制KI溶液放置时间。本实验对于以上三因素分别选取了多个水平，进行了正交实验设计（见表1）。通过文献查阅发现，目前常采用新制1.0 mol/L KI溶液与0.1 mol/L稀硫酸以硫酸过量的形式进行反应。[2]然而，在进行预实验过程中，发现直接利用新制KI溶液进行实验显色时间过长，现象不易观察，不适合课堂演示。[3]据此，进行了如下的实验设计。

由于气体取样瓶体积为250 mL，因此，选用生活中常见的塑料瓶为实验器材进行探究。本实验选用八个容量为300 mL的饮料瓶将其平分为A、B两组，见图1。A组四个瓶分别加入0.1 mol/L、0.5 mol/L、1.0 mol/L、1.5 mol/L的KI溶液，KI溶液与稀硫酸的添加体积比为I：1;B组四个瓶分别加入0.1 mol/L、0.5 mol/L、1.0 mol/L、1.5 mol/L的KI溶液，KI溶液与稀硫酸的添加体积比为1：2，稀硫酸过量。重复试验，通过显色速度对比选出最佳反应条件。

（2）实验仪器与药品

仪器：300 mL塑料瓶8个（见图1）、分析天平、烧杯（50 mL 4个、250 mL 2个）、玻璃棒、胶头滴管、量筒等

药品：KI粉末、饱和淀粉溶液、98%浓硫酸

2．实验步骤与现象

（1）探究最佳反应浓度与反应时间

第一步：配制溶液。用KI粉末分别配制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%浓硫酸配制0.1 mol/L稀硫酸200 mL；用淀粉配制100 mL饱和淀粉溶液。将配制好的KI溶液静置th。

第二步：先分别向八个塑料瓶中加入2 mL饱和淀粉溶液，再分别向八个塑料瓶中加入4 mL 0.1 mol/L稀硫酸。

第三步：分别向A组四个塑料瓶中加入4 mL 0.1 mol/L、0.5 mol/L、1.0 mol/L、1.5 mol/L的KI溶液，向B组四个塑料瓶中加人2 mL 0.1 mol/L、0.5 mol/L、1.0 mol/L、1.5 mol/L的KI溶液，迅速拧紧瓶盖。观察并记录出现颜色变化的时间。

第四步：分别在1.5 h、2h、2.5 h、3h重复第二、三步操作，观察记录五组实验数据，绘成表格。

（2）探究最佳药品添加顺序

第一步：基于探究出的最佳浓度与最佳静置时间，继续探究药品添加顺序的影响。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种顺序向塑料瓶中添加药品。第二步：观察对比四组实验的显色时间。

3．实验数据与结论

经过五次重复实验，归纳整理实验数据，得到如下表格。

通过对于表2中变色时间的分析，将新制浓度为0.5-1.5 mol/L的KI溶液在空气中静置1.5 h-2 h后，以1：1的比例加入KI溶液和稀硫酸进行反应，变色时间适当，颜色较明显，现象较理想。

通过对于表3中显色速度的分析，发现以硫酸一淀粉-KI溶液的顺序添加试剂显色最快。

至此，得到该反应在300 mL塑料瓶中的最佳反应条件，将浓度为0.5 - 1.5 mol/L的新制KI溶液在空气中静置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饱和淀粉溶液，最后加入4 mL1 mol/L KI溶液。该条件可以迁移应用到气体取样瓶中。

三、数字化实验

1．实验方案设计

根据条件探究实验，发现KI溶液浓度在0.5-1.5 mol/L时现象较明显，因此设计浓度梯度为0.6 mol/L、0.8 mol/L、1.0 mol/L、1.2 mol/L的KI溶液进行数字化实验。另外，新制KI溶液在空气中静置1.5 h-2h后较适合实验，为预留操作时间，设计将新制KI溶液静置1.5 h后开始实验。

本实验反应原理为KI溶液被空气中的O2氧化，生成的I2遇淀粉溶液变蓝，考虑通过氧气传感器测定反应消耗空气中O2的量，以O2消耗速度表示不同浓度的KI溶液的反应速率，空气中O2含量变化值越大说明消耗的O2越多，空气中O2含量变化曲线斜率越大说明反应速率越快。同时，由于反应现象涉及颜色变化，考虑通过色度传感器测定不同浓度KI溶液被氧化后的颜色深浅，颜色越深，说明生成的I2的量越多，同时印证KI溶液浓度越大消耗02越多。

2．实验仪器与药品

仪器：氧气传感器（威尼尔软件与技术公司型号：O2-BTA）、气体取样瓶、色度传感器（威尼尔软件与技术公司型号：COL-BTA）、比色皿、數据采集器、计算机等

药品：KI溶液、饱和淀粉溶液、0.1 mol/L稀硫酸

3．实验步骤与现象

（1）利用氧气传感器探究KI溶液浓度对于反应速率的影响

第一步：配制溶液。用KI粉末分别配制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浓硫酸配制0.1 mol/L稀硫酸100 mL；用淀粉配制100 mL饱和淀粉溶液。将配制好的KI溶液静置1.5 h。

第二步：装置连接。如图2所示连接实验装置、调试软件并进行氧气传感器校准。

第三步：添加试剂。向气体取样瓶中依次添加4 mL 0.1 mol/L稀硫酸、2 mL饱和淀粉溶液、4 mL0.6 mol/L KI溶液后迅速插入氧气传感器。

第四步：数据采集，观察现象。在插入传感器同时开始数据采集，同时观察现象，待数据基本保持不变时，停止采集数据，将数据复制到Origin软件中进行作图。通过肉眼观察发现溶液随着反应的进行逐渐变为浅紫色。

第五步：将反应完的溶液倒人试管1备用。

第六步：重复第三、四、五步采集0.8 mol/L、1.0 mol/L、1.2 mol/L KI溶液的反应数据，并获得图3所示反应后的待测液，发现四支试管中待测液存在浓度梯度变化。

（2）利用色度传感器探究不同浓度KI溶液反应后颜色的差异

第一步：更换传感器。连接实验装置、调试软件并进行色度传感器校准。

第二步：将4支试管中待测液分别倒入比色皿中进行检测，待数据基本保持不变时，停止采集并保存数据。

4．数据处理

利用氧气传感器监测不同浓度KI溶液反应过程中空气中02含量随时间的变化（见图4），可以发现：在本实验选取的浓度范围内，KI溶液浓度越大，O2消耗速度越快，O2消耗总量也越大，在该实验中表现为1.2 mol/L KI溶液的变化曲线斜率最大、纵坐标变化幅度也最大。

通过表4数据可以发现在本实验选取的浓度范围内，KI溶液浓度越高，反应后溶液颜色越深，证明生成的I2越多，同时印证图4展示出的KI溶液浓度越高消耗02量越多的结论。

5．实验结论

在本实验选取的浓度范围内，KI溶液浓度越大，O2消耗速度越快，O2消耗总量也越大，在该实验中表现为1.2 mol/L KI溶液的变化曲线斜率最大、纵坐标变化幅度也最大；KI溶液浓度越高，反应后溶液颜色越深，证明生成的I2越多。据此判断出实验演示最佳条件为将浓度为1.2 mol/L的新制KI溶液在空气中静置1.5 h后，向瓶中依次添加4 mL 0.1 mol/L稀硫酸、2 mL饱和淀粉溶液和4 mL l.2 mol/L KI溶液，随后进行数据采集。通过该条件进行实验操作，反应时间可控，现象较为明显，适合课堂演示。

四、实验反思

1．实验技术反思

以氧气传感器为技术支撑的数字化实验起到了连续记录空气中O2含量变化的作用，为数据筛选提供了较大的数据样本和方便的采集途径，同时也有利于直观展示不同浓度KI溶液被空气中O2氧化的反应速率，而色度传感器则有利于监测肉眼难以判断的颜色深浅。[4]

2．对于教学的启发

反应“4I-+O2+4H+=2I2+2H2O”是一个很好的探究反应物浓度对化学反应速率影响的实验素材，数字化实验引入课堂可以帮助教学，促进学生对这个反应的理解，同时加深对影响反应速率因素的认识。

参考文献

[1]何琼，王小英．淀粉溶液、碘化钾溶液在空气中酸化出现蓝色的实验条件研究[J]．高中数理化，2017（ 16）：61-62．

[2] 吴朝辉．碘化钾淀粉溶液遇氧气是否变色的原因探析[J]．化学教学，2015（02）：53-55．

[3] 翁雪香，张瑞允，郑慧纯，吴朝辉．碘化钾溶液露置空气后发生的氧化反应及歧化反应[J]化学教学，2021（07）： 69-75．

[4]顾晔．酸性KI溶液被空气中O2氧化的数字化实验研究[J]化学教学，2016（08）：55-57．