从碘与淀粉反应的演变谈本科生科研能力的培养

金 谷，姚奇志，李 娇，刘红瑜，王晓葵

(中国科学技术大学化学与材料学院 化学实验中心，安徽 合肥 230026)

碘量法中是利用淀粉这种特殊的指示剂来确定终点的，之所以说它特殊，是因为颜色变化与氧化还原无关，学生在无论是理论学习还是在实验过程中往往只注意到这一点，而忽视了这种反应的特殊性。

淀粉与碘的反应属于超分子化学范畴，与经典化学(小分子反应)相比较，涉及从分子内的原子排列发展到分子间的相互作用的转变。淀粉作为碘量法指示剂，是因为它能与碘生成了一种包合物(碘被包在了淀粉分子的螺旋结构中)，这种新的物质改变了光的吸收性能而变了色。从某种意义上讲，超分子化学淡化了有机化学、无机化学、生物化学和材料化学之间的界限，从而为材料科学和生命科学的发展开辟了一条崭新的道路。为此，1987年诺贝尔化学奖授予了超分子化学研究方面的三位科学家。

淀粉作为经典基础化学实验的指示剂已被人熟知，然而它与碘的反应的本质，学生在学习过程中往往未能深究，因为他们也很难想象，他们已走近现代化学的前沿。受此启发，我们想，如果把类似这样的知识点做进一步的延伸，教学体系层次化衔接就能得到较好的体现，这对于培养学生的科研能力和创新思维应该是一个有益的尝试。

为实现上述目的，我们设想以这类反应为中心设计一个实验，并希望学生能依此了解超分子反应，从而接触科学前沿。但如何设计对我们老师而言也是一个挑战。

淀粉与碘会显色，那么问题是：为什么会显色？利用这个反应能否定量测定碘或淀粉？

要回答这两个问题，首先必须了解碘与淀粉反应的特点和机理。现已证实，在直链淀粉/碘包合物中，直链淀粉分子形成了左手单螺旋链，碘原子呈线状排列在直链淀粉螺旋空腔内，这种螺旋状包合物的形成造成了能量的变化，也出现了光学性质的变化，使包含物出现颜色。理论上利用这种反应有定量测定的可能。接下来的问题是：若能利用这个反应定量，测定碘和淀粉有何不同？

面对这样的问题，首先应该让学生想到，碘和淀粉有何不同？

从上面的介绍，不难看出，淀粉与碘的反应非常复杂，完全不同小分子，没有严格固定的摩尔比，是一个可逆反应，当其中一个反应物的量一定时，随着另一个反应物量的增加，生成的复合物的量也在增加，溶液的颜色变深。不难推测，用此显色反应测定碘和淀粉的含量时，标准系列溶液配制应非常严格，外界因素对此反应的影响也非常大。但理论上，若能控制好实验条件(保证直链淀粉的结构和多碘离子的组成等)，在一定范围内，反应能满足郎伯-比尔定律的要求。其中碘是小分子，相对容易实现定量；而淀粉是高分子，难以制纯，溶解也困难，故溶液难以准确配制，定量分析也相对较为困难。

在学生搞清楚碘、淀粉和它们之间反应的特性后，把这个反应拓展，有利于开发学生的科学思维能力。为此，我们设计了以碘和淀粉反应为中心，延伸至用聚乙烯醇(PVA)、聚乙二醇(PEG)代替淀粉进行探究，一方面，让学生了解后续的体系有无显色反应发生；另一方面，若有反应，让学生依此建立定量测定碘或淀粉(或PVA或PEG)的方法，其中包括测定条件、工作曲线、共存离子的干扰及可能的反应机理。并让学生思考其它小分子(包括有机小分子)有无替代碘的可能。

实验的具体做法是：学生以小组为单位(4人)，自选一名小组长，负责组织和协调。首先让小组成员分别去查阅相关资料，汇总后讨论实施方案；然后再分别探究各体系反应的情况，以确定有无定量分析的可能；最后确定可行的显色体系(比如碘和淀粉)后，小组二人测定碘，另二人测定淀粉，并建立定量分析方法。实验结束后，小组数据共享，成员分别自行撰写实验报告，讨论实验现象和结果，然后给出实验结论。

实践表明，新颖的实验内容、探究的实验方式和可操作的团队作战模式，特别是学生自主学习动力的激发，表现出整个实验教学过程丰富多彩，学生讨论热烈、实施坚定，兴致盎然。每年课程总结，学生对这种教学模式又爱又恨，爱是因为心情愉快且收获良多；恨是因为书到用时方恨少，事非经过不知难。