数字化实验探究酸性KI溶液被空气中O2氧化
2022-05-30叶晟瑜王菲菲喻家香蔡雪
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.