龍琪

摘要： 碘時鐘實驗是一個經(jīng)典的趣味實驗。為了能促進(jìn)碘時鐘實驗走進(jìn)中小學(xué)課堂和學(xué)生的生活世界，基于碘時鐘實驗原理，設(shè)計了脈動碘時鐘實驗的方案。該實驗現(xiàn)象明顯、顏色變化瞬間完成、便于精準(zhǔn)計時，既可用于化學(xué)魔術(shù)表演，又可作為課堂實驗服務(wù)于教學(xué)。

關(guān)鍵詞： 碘時鐘； 化學(xué)魔術(shù)； 化學(xué)動力學(xué)； 脈動飲料； 實驗探究

文章編號： 1005-6629（2018）6-0073-03 中圖分類號： G633.8 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： B

2017年諾貝爾生理醫(yī)學(xué)獎的獲獎成果是“生物鐘”，三位美國科學(xué)家因破解了控制生物體晝夜節(jié)律的分子機制而獲獎[1]。生物鐘的產(chǎn)生源自一系列復(fù)雜的生物振蕩和化學(xué)振蕩反應(yīng)[2]。較早被發(fā)現(xiàn)的化學(xué)振蕩反應(yīng)是碘時鐘實驗。演示時將兩種無色溶液混合，沒有任何現(xiàn)象，稍等片刻則出現(xiàn)溶液顏色的瞬間變化。如今，碘時鐘實驗在國內(nèi)外化學(xué)教育界已被譽為趣味表演實驗的經(jīng)典實驗之一。

經(jīng)典碘時鐘實驗所用試劑為碘酸鉀、亞硫酸氫鈉、淀粉和濃硫酸[3]。其中，碘酸鉀和亞硫酸氫鈉在中學(xué)化學(xué)實驗中很少用，因此，我國很多中學(xué)生都無緣見證此經(jīng)典實驗。為此，筆者基于碘時鐘實驗的反應(yīng)原理，設(shè)計了脈動碘時鐘實驗。實驗原料為脈動飲料、過氧化氫消毒液、白醋、碘酊、淀粉這五種生活日用品。實驗操作簡單，現(xiàn)象明顯，原料易得。脈動碘時鐘實驗既適合學(xué)校里的化學(xué)教育和科學(xué)教育，也可用于家庭親子游戲、科普宣傳等非正式學(xué)習(xí)活動。

1 設(shè)計依據(jù)： 碘時鐘實驗反應(yīng)機理

碘時鐘實驗的反應(yīng)機理十分復(fù)雜，以下反應(yīng)機理是一個簡化歷程：

A+……→I2+ （1） 慢反應(yīng)，決速步驟

B+I2→……（2）快反應(yīng)，瞬間完成

碘時鐘反應(yīng)發(fā)生的必要條件是c（A0）>c（B0）。決速步驟中生成的I2在快反應(yīng)中被物質(zhì)B及時消耗，保持溶液中的c（I2）≈0。當(dāng)物質(zhì)B反應(yīng)完畢時，溶液中的c（I2）增大，與淀粉發(fā)生反應(yīng)，出現(xiàn)藍(lán)墨色。決速步驟快慢和n（B）的大小決定了溶液變色前等待時間的長短。決速步驟越慢，n（B）越大，等待顏色突變的時間越長[4]。

2002年，史蒂芬（Stephen）從生活實驗的理念出發(fā)，對碘時鐘實驗進(jìn)行改進(jìn)，設(shè)計了維生素C碘時鐘[5]。該實驗用到的試劑包括維生素C、 2%碘酊、3%雙氧水、淀粉。關(guān)于維生素C的來源，史蒂芬分別試驗了試劑級的純品維生素C、藥片維生素C和橙汁。純品和藥片維生素C的實驗現(xiàn)象是無色變?yōu)樗{(lán)墨色，橙汁則由橙色變?yōu)楹谏Ｗ兩暗牡却龝r間最短的為15秒，最長的為95秒，大部分實驗的等待時間都在半分鐘以上。

①如果在藍(lán)墨色出現(xiàn)之前有紫褐色或其他顏色出現(xiàn)，說明所用淀粉不適合此實驗。

2 設(shè)計方案： 脈動碘時鐘實驗

史蒂芬提出的實驗方案有三點不足。首先，變色前的等待時間太長，降低了實驗的趣味性。其次，

所用維生素C藥片需要研磨后配成溶液，使用起來不方便。

采用橙汁替代維生素C，實驗中的等待時間較長，且顏色是黃色和黑色，與碘時鐘實驗的無色和藍(lán)墨色不同，不利于重現(xiàn)經(jīng)典。其三，史蒂芬采用的實驗藥品在國內(nèi)不方便購買。

基于上述考慮，采用維生素C含量較高的無色飲料進(jìn)行試驗，發(fā)現(xiàn)脈動飲料是維生素C的很好替代品，可用于演示碘時鐘實驗。考慮到酸性條件能提高雙氧水的氧化性，加快變色速度，本實驗中加入白醋，使實驗效果更好。

[實驗原料]2%碘酊，廣東恒健制藥有限公司生產(chǎn)；過氧化氫消毒液，過氧化氫含量為35.00～41.00g/L，江西匯康實業(yè)有限公司生產(chǎn)；脈動（開玩校），達(dá)能（中國）食品飲料公司生產(chǎn)，維生素C含量≥20%；恒順白醋，總酸含量≥5.00g/L，江蘇恒順醋業(yè)股份有限公司生產(chǎn)；淀粉。

[實驗步驟]

（1） 配制溶液A： 取少量碘酊，用滴管滴入脈動飲料，至溶液顏色恰好褪為無色（這時碘酊與脈動飲料的體積比大約為1∶37）。

（2） 配制溶液B： 取A溶液25mL與5mL脈動飲料均勻混合。

（3） 配制溶液C： 過氧化氫消毒液與白醋按照體積比2∶1均勻混合，再加少許淀粉溶液。

（4） 演示表演： 在燒杯中倒入B溶液30mL，再倒入C溶液40mL。當(dāng)溶液C倒入后第9秒時，無色的混合溶液瞬間變成藍(lán)墨色。

根據(jù)碘時鐘實驗的反應(yīng)機理，脈動碘時鐘實驗的可能機理為：

過氧化氫消毒液+……→碘單質(zhì)+（1） 慢反應(yīng)，決速步驟

碘單質(zhì)+脈動飲料→……（2） 快反應(yīng)，瞬間完成

碘單質(zhì)+淀粉→溶液變藍(lán)（3） 快反應(yīng)，瞬間完成

當(dāng)脈動飲料消耗完畢時，慢反應(yīng)生成的碘單質(zhì)使淀粉變藍(lán)，溶液呈現(xiàn)藍(lán)墨色①。溶液顏色由無色變?yōu)樗{(lán)墨色的時間稱為變色期（如圖1所示）。變色期越短，看到的顏色變化過程越短，變色越快，給觀眾的視覺沖擊越大，實驗效果越震撼。溶液變色前的時間為等待期。等待期越長，顏色突變現(xiàn)象出現(xiàn)之前的等待時間越長。在筆者的多次實驗中發(fā)現(xiàn)，10秒左右的等待期效果較好。等待期太短，溶液剛混合就出現(xiàn)顏色變化，與一般的化學(xué)實驗現(xiàn)象無異，不足以產(chǎn)生趣味性。等待期太長，觀眾的注意力就會分散，容易錯過對變色點的觀察。

本方案中的脈動碘時鐘實驗在30℃時進(jìn)行，等待期為9秒，變色期不到1秒，演示效果較好。該實驗效果對實驗條件很敏感。不同廠家生產(chǎn)的碘酊和脈動，在不同溫度下，實驗效果會不同。本方案所用碘酊與脈動在配制A溶液時的體積比為1∶37。在本方案的重復(fù)性驗證實驗中，采用了其他品牌的碘酊和脈動配制A溶液，發(fā)現(xiàn)體積比變?yōu)?∶7，實驗的等待期和變色期也發(fā)生了變化。通過反應(yīng)機理的推導(dǎo)，經(jīng)過實驗驗證，發(fā)現(xiàn)可采取以下方法控制實驗中等待期和變色期的時間： 增加脈動飲料用量，可延長等待期。增加碘酊用量，等待期和變色期都縮短，變色期縮短得更明顯。加熱可使等待期和變色期都顯著縮短。

3 實踐應(yīng)用： 脈動碘時鐘實驗在化學(xué)（科學(xué)）教育中的教學(xué)設(shè)計

脈動碘時鐘實驗既可以作為化學(xué)魔術(shù)進(jìn)行表演，又可作為課堂實驗服務(wù)于教學(xué)。

3.1 化學(xué)魔術(shù)的趣味化表演

[教師表演魔術(shù)]剎那間的脈動（見表1、表2）。

按照上文所述實驗原料和實驗步驟，準(zhǔn)備好溶液B和溶液C各一份。表演時混合B、 C兩種溶液。這時觀眾會期待著有實驗現(xiàn)象發(fā)生。結(jié)果卻沒有。表演者再創(chuàng)設(shè)某場景吸引觀眾注意力。在等待期快結(jié)束時，將觀眾注意力引導(dǎo)到混合溶液中，這時溶液恰好在剎那間變色，從而產(chǎn)生一種出其不意的驚人效果。

3.2 在化學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用

脈動碘時鐘實驗可用于溶液配制實驗的教學(xué)，練習(xí)或考核量筒、滴管等基本操作，有助于培養(yǎng)嚴(yán)謹(jǐn)認(rèn)真的實驗態(tài)度。該實驗需要配制三種溶液，等待期和變色期對溶液濃度非常敏感，如果配制過程中溶液體積量取不準(zhǔn)確，就會通過變色時間顯示出來，學(xué)生的實驗技能立竿見影，客觀公正。

我國高中化學(xué)教材中采用藍(lán)瓶子實驗讓學(xué)生探究濃度和溫度對反應(yīng)速率的影響，通過藍(lán)色溶液的褪色時間來計時。但是藍(lán)瓶子實驗的褪色時間較長，且溶液最表面的藍(lán)色很難褪去，因此很難判斷褪色終點，不利于準(zhǔn)確計時。碘時鐘實驗的變色速度較快，比藍(lán)瓶子實驗更便于計時。經(jīng)典碘時鐘實驗用到的碘酸鹽和亞硫酸氫鹽在中學(xué)不是常用試劑，濃硫酸的稀釋又具有危險性，因此，經(jīng)典碘時鐘實驗在中學(xué)化學(xué)教學(xué)中用得較少。本研究采用脈動等用品，重現(xiàn)經(jīng)典碘時鐘實驗，實驗現(xiàn)象明顯，顏色變化瞬間完成，便于精準(zhǔn)計時，比藍(lán)瓶子實驗更加適合于探究化學(xué)動力學(xué)問題。

4 結(jié)語

脈動碘時鐘實驗基于碘時鐘實驗的反應(yīng)原理而設(shè)計。實驗器材是生活中常見的五種物質(zhì)： 脈動飲料、過氧化氫消毒液、碘酊、白醋和淀粉。脈動碘時鐘實驗的現(xiàn)象對試劑濃度和反應(yīng)溫度十分敏感。采用本文所述品牌的試劑，在30℃時，實驗現(xiàn)象的等待時間為9秒，變色時間不到1秒，實驗效果較好。增加脈動飲料用量，可以延長等待期。增大碘酊用量，可縮短等待期和變色期，但變色期縮短得更明顯。提高溫度可使等待期和變色期都明顯縮短。該實驗既可設(shè)計成化學(xué)魔術(shù)，比如“剎那間的脈動”、“隔杯變色”，又可作為教學(xué)實驗，應(yīng)用于溶液配制、化學(xué)反應(yīng)速率影響因素的探究等。

參考文獻(xiàn)：

[1]2017年諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎揭曉. http：//news.sciencenet.cn/htmlnews/2017/10/390081.shtm. 2018. 1. 25.

[2]秦序. 化學(xué)振蕩反應(yīng)綜述[J]. 首都師范大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版）， 2014， 35（6）： 42～44.

[3]Iodine Clock Reaction. https：//en.wikipedia.org/wiki/Iodine_clock_reaction.

[4]Lente G.， Bazsa G.， Fbin I.， et al. What is and what isn't a clock reaction？ [J]. New Journal of Chemistry， 2007， 31（10）： 1707～1707.

[5]Wright S.W.. The vitamin C clock reaction [J]. Journal of Chemical Education， 2002， 79（1）： 41～43.