劉紅瑜，原思浩，金谷

1化學(xué)國家級實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心(中國科學(xué)技術(shù)大學(xué))，合肥 230026

2中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)化學(xué)與材料科學(xué)學(xué)院，合肥 230026

3中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)少年班學(xué)院，合肥 230026

I2遇淀粉顯藍(lán)色是一個(gè)非常靈敏的顯色反應(yīng)，這一方法常常被用來相互定性檢驗(yàn)溶液中I2和淀粉的存在。學(xué)生通常知道該反應(yīng)是一個(gè)定性反應(yīng)，對于其在定量方面的應(yīng)用還未涉獵。因此我們設(shè)計(jì)了一個(gè)探究實(shí)驗(yàn)，以此拓寬學(xué)生的理論和實(shí)驗(yàn)技能，同時(shí)讓學(xué)生學(xué)會如何利用所學(xué)知識建立新的分析方法。

有文獻(xiàn)用此顯色反應(yīng)定量測定食鹽中的I2含量[1]，也有用此顯色反應(yīng)定量測定煙草中的淀粉含量，測定波長從580 nm到620 nm[2]。本反應(yīng)非常復(fù)雜，沒有固定的摩爾比，是一個(gè)可逆反應(yīng)，當(dāng)其中一個(gè)反應(yīng)物的量一定時(shí)，隨著另一個(gè)反應(yīng)物量的增加，生成的復(fù)合物的量也在增加，溶液的顏色變深。對于稀溶液只在一定范圍內(nèi)符合朗伯-比爾定律，用此顯色反應(yīng)測定I2和淀粉的含量時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)系列溶液配制應(yīng)非常嚴(yán)格，外界因素對此反應(yīng)的影響非常大。I2和淀粉的顯色反應(yīng)比較復(fù)雜，I2分子進(jìn)入淀粉螺旋圈內(nèi)，形成淀粉-I2復(fù)合物，直鏈淀粉為藍(lán)色，支鏈淀粉為紫紅色[3]。直鏈淀粉的構(gòu)像是卷曲盤繞的螺旋形，每轉(zhuǎn)一圈約含 6個(gè)葡萄糖單位，同時(shí)，主鏈上還有少數(shù)分支[3]。聚乙烯醇(PVA)具有和淀粉相似的高聚多羥基結(jié)構(gòu)，可以形成和 I2-淀粉體系類似的電荷轉(zhuǎn)移復(fù)合物而顯色。加入硼酸時(shí)，該顯色反應(yīng)具有比較穩(wěn)定且定量的性質(zhì)[4]，常用于測定退漿廢水中PVA含量的測定[5]。本實(shí)驗(yàn)就下述問題展開了探究：(1) I2和淀粉反應(yīng)過程中，對淀粉濃度和I2濃度對顯色反應(yīng)的影響進(jìn)行研究，得出測定濃度的上下限和最佳顯色濃度；(2) I2-PVA-硼酸體系中，顯色劑(PVA、硼酸)的比例、濃度，I2的濃度對體系的影響，以及最佳顯色濃度；(3) pH、最大吸收波長、反應(yīng)時(shí)間等條件的優(yōu)化。本實(shí)驗(yàn)探究性強(qiáng)，有利于培養(yǎng)學(xué)生的綜合創(chuàng)新能力，同時(shí)能讓學(xué)生學(xué)會獨(dú)立建立新的分析方法。

1 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/h2>

探究I2-淀粉體系、I2-PVA-硼酸體系能否成為定量測定I2、PVA的方法。

2 實(shí)驗(yàn)原理

淀粉由直鏈淀粉和支鏈淀粉組成，這兩部分在結(jié)構(gòu)和性質(zhì)上有所不同。直鏈淀粉相對分子質(zhì)量較小，可溶于熱水形成膠體溶液。支鏈淀粉相對分子質(zhì)量比直鏈大得多，不溶于冷水，熱水中膨脹成糊狀。

現(xiàn)代科學(xué)已經(jīng)通過X射線、紅外光譜等先進(jìn)的科學(xué)技術(shù)手段，證明了I2與淀粉顯色原因。除了考慮到淀粉會吸附I2外，主要是由于形成了“淀粉-I2包合物”的結(jié)構(gòu)：螺旋狀的直鏈淀粉外側(cè)有葡萄糖基暴露的部分羥基，這些羥基與I2分子作用，使I2分子嵌入淀粉螺旋體的軸心部位，與圈內(nèi)6個(gè)葡萄糖基配位，形成包合物。該物質(zhì)改變了原先的吸光性能，可以吸收除藍(lán)光外波長范圍為400-750 nm的可見光，故I2和直鏈淀粉溶液作用成藍(lán)色。

3 試劑和儀器

3.1 試劑

淀粉、I2、KI、PVA、硼酸溶液、氨水、氯化銨、醋酸、醋酸鈉、鹽酸，試劑均為分析純，購自國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司。

3.2 儀器

722可見光分光光度計(jì)(上海精密科學(xué)儀器有限公司)。

3.3 溶液配制

(1) 2.000 g·L?1淀粉標(biāo)準(zhǔn)溶液的配制。

稱取0.5000 g可溶性淀粉于500 mL干凈燒杯中，用蒸餾水打濕，攪勻，加入50 mL沸騰的蒸餾水，攪拌均勻，在電爐上再保持沸騰5 min，拿下，再加入蒸餾水50 mL，攪拌冷卻至室溫后轉(zhuǎn)移至250 mL無色容量瓶中，用蒸餾水定容。

(2) 淀粉體系 2.000 g·L?1I2溶液的配制。

稱取0.5000 g I2和1.25 g碘化鉀，放入500 mL燒杯中，加蒸餾水溶解，轉(zhuǎn)移至250 mL棕色容量瓶中，用蒸餾水定容。

(3) 0.2000 g·L?1I2溶液的配制。

移取(2)中標(biāo)準(zhǔn)溶液10.00 mL于100 mL棕色容量瓶中用蒸餾水定容。

(4) 0.101 g·L?1PVA 標(biāo)準(zhǔn)溶液。

準(zhǔn)確稱取0.0101 g PVA (聚合度為175)溶于80 mL熱水中，冷卻后移入100 mL容量瓶，定容。

(5) PVA 體系中 1.617 g·L?1I2溶液的配制。

稱取0.1617 g I2和1.25 g碘化鉀，定容至100 mL棕色容量瓶中。

(6) 39.55 g·L?1硼酸溶液的配制。

稱取3.9550 g硼酸，溶解定容至100 mL容量瓶中。

(7) 顯色劑的配制。

I2溶液(1.617 g·L?1)/硼酸溶液(39.55 g·L?1)體積比為 3 : 3、3 : 5、3 : 7。

4 實(shí)驗(yàn)過程及結(jié)果討論

4.1 l2-淀粉體系

4.1.1 吸收曲線

取1.00 mL 0.2000 g·L?1I2溶液、5.00 mL pH 5.0的醋酸-醋酸鈉緩沖溶液、1.00 mL淀粉標(biāo)準(zhǔn)溶液于25 mL容量瓶，定容。搖勻后從680 nm開始，到510 nm，每隔5-10 nm測一次吸光度。吸收曲線如圖1所示?？梢钥闯?，最大吸收波長為610 nm。

圖1 I2-淀粉的吸收曲線

4.1.2 反應(yīng)時(shí)間

取4.00 mL 0.2000 g·L?1I2溶液，50.00 mL淀粉標(biāo)準(zhǔn)溶液于100 mL容量瓶，定容，定容后淀粉濃度為 1.000 g·L?1、I2溶液濃度為 0.0080 g·L?1，每 30 min 測一次吸光度。

如圖2所示，一開始，吸光度有微小變化，20 min后，吸光度不發(fā)生明顯變化。混合各反應(yīng)物后，需要一定時(shí)間來形成穩(wěn)定的淀粉-I2包合物。因此，反應(yīng)20 min后認(rèn)為顯色體系基本穩(wěn)定，測得吸光度準(zhǔn)確。

圖2 I2-淀粉顯色反應(yīng)的吸光度和時(shí)間的關(guān)系

4.1.3 pH對顯色體系的影響

取 1.00 mL 0.2000 g·L?1I2溶液，加入 5.00 mL 不同 pH 的緩沖溶液，1.00 mL 2.000 g·L?1淀粉溶液于25 mL容量瓶，定容，分別測定其吸光度。

如圖3所示，中性、弱堿性條件下體系顯淡藍(lán)色，檢測不靈敏；強(qiáng)堿性條件下，I2發(fā)生歧化反應(yīng)故體系中基本沒有I2存在；強(qiáng)酸性條件(pH 1.0)條件下，淀粉部分水解為糊精，與I2形成的包合物為紅色，故體系呈藍(lán)色和紅色的混合色，即藍(lán)紫色；pH 3.0-5.0的條件下，淀粉和I2都穩(wěn)定存在，并結(jié)合形成藍(lán)色包合物。因此弱酸性條件是理想的顯色條件。

圖3 pH對顯色體系的影響

4.1.4 淀粉濃度對定量測定l2的影響

在不同淀粉濃度時(shí)測定 I2的工作曲線找出最佳淀粉濃度。由圖 4可見，淀粉濃度為 0.1000、0.2000 g·L?1時(shí)，工作曲線線性較差，可以看到吸光度有趨于飽和的趨勢。濃度為0.4000 g·L?1時(shí)，雖然線性較好，但吸光度太大，容易超量程。故選取淀粉濃度0.3000 g·L?1(用量3.75 mL)。

圖4 不同淀粉濃度時(shí)I2的工作曲線

4.1.5 l2濃度對定量測定淀粉的影響

在不同I2濃度時(shí)測定淀粉工作曲線找出最佳I2濃度。對比圖5中的四條曲線，可以發(fā)現(xiàn)當(dāng)I2濃度大于等于 0.0080 g·L?1時(shí)，淀粉的線性范圍在 0.0000-0.0120 g·L?1之間；對比 I2濃度分別為 0.0080、0.0120、0.0160 g·L?1時(shí)的曲線，I2濃度為 0.0120 g·L?1時(shí)線性關(guān)系較好，測定比較準(zhǔn)確。

圖5 不同I2濃度時(shí)淀粉的工作曲線

4.2 l2-PVA-硼酸體系

4.2.1 吸收曲線

取PVA標(biāo)準(zhǔn)溶液5.00 mL，加入6.00 mL顯色劑(配制方法見3.3小節(jié)(7))，稀釋至25.00 mL，定容后PVA濃度為0.0203 g·L?1、I2濃度為0.3880 g·L?1，搖勻顯色15 min，以PVA體積為0.00 mL的溶液作參比，測定范圍590-750 nm。如圖6所示，最大吸收波長在660 nm處。

圖6 I2-PVA-硼酸體系的吸收曲線

4.2.2 吸光度隨時(shí)間變化

取2.25 mL I2溶液，50.00 mL PVA標(biāo)準(zhǔn)溶液于100 mL容量瓶，定容，定容后PVA濃度為0.0507 g·L?1、I2濃度為0.0364 g·L?1，每隔一定時(shí)間測一次吸光度。如圖7所示，吸光度在15 min之后保持不變，故實(shí)驗(yàn)中要靜置混合液15 min后再測定。

圖7 I2-PVA-硼酸體系吸光度隨時(shí)間的變化曲線

4.2.3 探究顯色劑最佳比例

因?yàn)镮2-PVA-硼酸顯色體系中，I2起到顯色的作用，而硼酸通過B和PVA的羥基形成配位鍵而增強(qiáng)顯色的效果。我們采取固定I2體積(2.25 mL)而改變硼酸體積的方式探究最佳比例。制成二者體積比為3 : 3、3 : 5、3 : 7的顯色劑，在最大吸收波長處測PVA的工作曲線，對比圖8中的三條曲線，可以發(fā)現(xiàn)I2和硼酸的體積比為3 : 7時(shí)線性關(guān)系最好(圖8)。

圖8 不同顯色劑比例下PVA的工作曲線

4.2.4 探究最佳顯色劑體積

固定I2和硼酸的體積比為3 : 7，在不同顯色劑體積時(shí)測定PVA的工作曲線找出最佳的顯色劑體積。對比圖9中的曲線，可以看出當(dāng)顯色劑用量為5.00 mL、7.50 mL時(shí)，PVA的線性范圍為0-0.0160 g·L?1，用10.00 mL顯色劑時(shí)線性范圍可擴(kuò)大至0-0.0200 g·L?1。故在測量時(shí)可以根據(jù)需求選擇，需要測0.0160-0.0200 g·L?1可以用10.00 mL顯色劑，0.0160 g·L?1以下時(shí)用7.50 mL顯色劑即可得到滿意結(jié)果。

圖9 不同顯色劑體積時(shí)PVA的工作曲線

4.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)論

(1) 由于淀粉、PVA具有多羥基結(jié)構(gòu)，可以和I2絡(luò)合形成電荷轉(zhuǎn)移配合物而顯色，使用分光光度計(jì)可以進(jìn)行定量測定。

(2) 在淀粉-I2測量體系中，最大吸收波長為610 nm。

(3) 使用弱酸性體系比較理想。

(4) 體系不宜靜置太久，且控制顯色時(shí)間盡量相同，可能因?yàn)榈矸蹠徛猓瑢?dǎo)致吸光度緩慢上升。

(5) 測定 I2時(shí)，I2的線性范圍在 0-0.0120 g·L?1，淀粉濃度 0.3000 g·L?1為最佳。

(6) 測定淀粉時(shí)，淀粉的線性范圍在 0-0.1200 g·L?1，I2濃度 0.0120 g·L?1為最佳。

(7) 在I2-PVA-硼酸測量體系中，最大吸收波長為660 nm；

(8) 體系最好靜置15 min。

(9) PVA 線性范圍為 0-0.0160 g·L?1。

(10) PVA體系中顯色劑最佳配比是I2和硼酸的體積比為3 : 7。待測PVA濃度在0.0160 g·L?1以下時(shí)，I2濃度為0.1455 g·L?1、硼酸濃度為8.306 g·L?1即可得到很好的結(jié)果。待測PVA濃度為0.0160-0.0200 g·L?1時(shí)，I2濃度為 0.1940 g·L?1、硼酸濃度為 11.07 g·L?1能獲得較好的結(jié)果。

5 實(shí)驗(yàn)注意事項(xiàng)

(1) 實(shí)驗(yàn)中用到的淀粉和PVA均為高分子化合物，不易溶解，學(xué)生在配制其溶液時(shí)應(yīng)該先調(diào)成糊狀，然后再少量多次加水，便于其溶解。

(2) I2不穩(wěn)定，所以其溶液應(yīng)該在棕色試劑瓶中密封保存。

6 實(shí)驗(yàn)組織運(yùn)行建議

(1) 本實(shí)驗(yàn)是一個(gè)綜合探究實(shí)驗(yàn)，主要是培養(yǎng)學(xué)生自主建立分析方法的能力，適于面向化學(xué)院及地球和空間科學(xué)學(xué)院二年級本科生開設(shè)。小班開課，每個(gè)班16人左右，建議采用分組形式開展，4人一組開展本實(shí)驗(yàn)。該實(shí)驗(yàn)運(yùn)行一輪，分兩次課完成，每次時(shí)間大概6 h。建議教師課前引導(dǎo)學(xué)生開展文獻(xiàn)調(diào)研，同時(shí)教師和助教也應(yīng)在課前做好預(yù)備實(shí)驗(yàn)。

(2) 實(shí)驗(yàn)講解采用分組討論式。

(3) 實(shí)驗(yàn)報(bào)告要求學(xué)生詳細(xì)記錄不同條件下的測定結(jié)果，通過對比并結(jié)合文獻(xiàn)，確定最佳的測定條件及有效的標(biāo)準(zhǔn)曲線。

(4) 需要單獨(dú)組織學(xué)生對實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行課堂匯報(bào)，并對實(shí)驗(yàn)過程中出現(xiàn)的各種實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行討論。

7 結(jié)語

本文介紹了一個(gè)分析化學(xué)探究實(shí)驗(yàn)。通過分光光度法，分別探究了淀粉和聚乙烯醇(PVA)兩種水溶性高分子與I2構(gòu)成顯色體系在不同反應(yīng)pH、反應(yīng)溫度、反應(yīng)物濃度、反應(yīng)時(shí)間等條件下顯色結(jié)果的差異，從而確定該顯色體系的最佳反應(yīng)條件；進(jìn)一步繪制出吸光度工作曲線，討論了該顯色體系用于物質(zhì)定量測量的合理性。該實(shí)驗(yàn)探究性較強(qiáng)，非常有利于培養(yǎng)學(xué)生的綜合實(shí)驗(yàn)?zāi)芰?，尤其是有利于培養(yǎng)學(xué)生自主建立新的分析方法的能力。本實(shí)驗(yàn)已經(jīng)在中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)化學(xué)與材料科學(xué)學(xué)院開設(shè)了4年，學(xué)生評價(jià)通過做該實(shí)驗(yàn)他們學(xué)會了自己建立新的分析方法，為以后的學(xué)習(xí)和工作打下了堅(jiān)實(shí)的理論和實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)，該實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目非常值得推廣。