脉动碘时钟实验及其教学应用

龙琪

摘要： 碘时钟实验是一个经典的趣味实验。为了能促进碘时钟实验走进中小学课堂和学生的生活世界，基于碘时钟实验原理，设计了脉动碘时钟实验的方案。该实验现象明显、颜色变化瞬间完成、便于精准计时，既可用于化学魔术表演，又可作为课堂实验服务于教学。

关键词： 碘时钟； 化学魔术； 化学动力学； 脉动饮料； 实验探究

文章编号： 1005-6629（2018）6-0073-03 中图分类号： G633.8 文献标识码： B

2017年诺贝尔生理医学奖的获奖成果是“生物钟”，三位美国科学家因破解了控制生物体昼夜节律的分子机制而获奖[1]。生物钟的产生源自一系列复杂的生物振荡和化学振荡反应[2]。较早被发现的化学振荡反应是碘时钟实验。演示时将两种无色溶液混合，没有任何现象，稍等片刻则出现溶液颜色的瞬间变化。如今，碘时钟实验在国内外化学教育界已被誉为趣味表演实验的经典实验之一。

经典碘时钟实验所用试剂为碘酸钾、亚硫酸氢钠、淀粉和浓硫酸[3]。其中，碘酸钾和亚硫酸氢钠在中学化学实验中很少用，因此，我国很多中学生都无缘见证此经典实验。为此，笔者基于碘时钟实验的反应原理，设计了脉动碘时钟实验。实验原料为脉动饮料、过氧化氢消毒液、白醋、碘酊、淀粉这五种生活日用品。实验操作简单，现象明显，原料易得。脉动碘时钟实验既适合学校里的化学教育和科学教育，也可用于家庭亲子游戏、科普宣传等非正式学习活动。

1 设计依据： 碘时钟实验反应机理

碘时钟实验的反应机理十分复杂，以下反应机理是一个简化历程：

A+……→I2+ （1） 慢反应，决速步骤

B+I2→……（2）快反应，瞬间完成

碘时钟反应发生的必要条件是c（A0）>c（B0）。决速步骤中生成的I2在快反应中被物质B及时消耗，保持溶液中的c（I2）≈0。当物质B反应完毕时，溶液中的c（I2）增大，与淀粉发生反应，出现蓝墨色。决速步骤快慢和n（B）的大小决定了溶液变色前等待时间的长短。决速步骤越慢，n（B）越大，等待颜色突变的时间越长[4]。

2002年，史蒂芬（Stephen）从生活实验的理念出发，对碘时钟实验进行改进，设计了维生素C碘时钟[5]。该实验用到的试剂包括维生素C、 2%碘酊、3%双氧水、淀粉。关于维生素C的来源，史蒂芬分别试验了试剂级的纯品维生素C、药片维生素C和橙汁。纯品和药片维生素C的实验现象是无色变为蓝墨色，橙汁则由橙色变为黑色。变色前的等待时间最短的为15秒，最长的为95秒，大部分实验的等待时间都在半分钟以上。

①如果在蓝墨色出现之前有紫褐色或其他颜色出现，说明所用淀粉不适合此实验。

2 设计方案： 脉动碘时钟实验

史蒂芬提出的实验方案有三点不足。首先，变色前的等待时间太长，降低了实验的趣味性。其次，

所用维生素C药片需要研磨后配成溶液，使用起来不方便。

采用橙汁替代维生素C，实验中的等待时间较长，且颜色是黄色和黑色，与碘时钟实验的无色和蓝墨色不同，不利于重现经典。其三，史蒂芬采用的实验药品在国内不方便购买。

基于上述考虑，采用维生素C含量较高的无色饮料进行试验，发现脉动饮料是维生素C的很好替代品，可用于演示碘时钟实验。考虑到酸性条件能提高双氧水的氧化性，加快变色速度，本实验中加入白醋，使实验效果更好。

[实验原料]2%碘酊，广东恒健制药有限公司生产；过氧化氢消毒液，过氧化氢含量为35.00～41.00g/L，江西汇康实业有限公司生产；脉动（开玩校），达能（中国）食品饮料公司生产，维生素C含量≥20%；恒顺白醋，总酸含量≥5.00g/L，江苏恒顺醋业股份有限公司生产；淀粉。

[实验步骤]

（1） 配制溶液A： 取少量碘酊，用滴管滴入脉动饮料，至溶液颜色恰好褪为无色（这时碘酊与脉动饮料的体积比大约为1∶37）。

（2） 配制溶液B： 取A溶液25mL与5mL脉动饮料均匀混合。

（3） 配制溶液C： 过氧化氢消毒液与白醋按照体积比2∶1均匀混合，再加少许淀粉溶液。

（4） 演示表演： 在烧杯中倒入B溶液30mL，再倒入C溶液40mL。当溶液C倒入后第9秒时，无色的混合溶液瞬间变成蓝墨色。

根据碘时钟实验的反应机理，脉动碘时钟实验的可能机理为：

过氧化氢消毒液+……→碘单质+（1） 慢反应，决速步骤

碘单质+脉动饮料→……（2） 快反应，瞬间完成

碘单质+淀粉→溶液变蓝（3） 快反应，瞬间完成

当脉动饮料消耗完毕时，慢反应生成的碘单质使淀粉变蓝，溶液呈现蓝墨色①。溶液颜色由无色变为蓝墨色的时间称为变色期（如图1所示）。变色期越短，看到的颜色变化过程越短，变色越快，给观众的视觉冲击越大，实验效果越震撼。溶液变色前的时间为等待期。等待期越长，颜色突变现象出现之前的等待时间越长。在笔者的多次实验中发现，10秒左右的等待期效果较好。等待期太短，溶液刚混合就出现颜色变化，与一般的化学实验现象无异，不足以产生趣味性。等待期太长，观众的注意力就会分散，容易错过对变色点的观察。

本方案中的脉动碘时钟实验在30℃时进行，等待期为9秒，变色期不到1秒，演示效果较好。该实验效果对实验条件很敏感。不同厂家生产的碘酊和脉动，在不同温度下，实验效果会不同。本方案所用碘酊与脉动在配制A溶液时的体积比为1∶37。在本方案的重复性验证实验中，采用了其他品牌的碘酊和脉动配制A溶液，发现体积比变为1∶7，实验的等待期和变色期也发生了变化。通过反应机理的推导，经过实验验证，发现可采取以下方法控制实验中等待期和变色期的时间： 增加脈动饮料用量，可延长等待期。增加碘酊用量，等待期和变色期都缩短，变色期缩短得更明显。加热可使等待期和变色期都显著缩短。

3 实践应用： 脉动碘时钟实验在化学（科学）教育中的教学设计

脉动碘时钟实验既可以作为化学魔术进行表演，又可作为课堂实验服务于教学。

3.1 化学魔术的趣味化表演

[教师表演魔术]刹那间的脉动（见表1、表2）。

按照上文所述实验原料和实验步骤，准备好溶液B和溶液C各一份。表演时混合B、 C两种溶液。这时观众会期待着有实验现象发生。结果却没有。表演者再创设某场景吸引观众注意力。在等待期快结束时，将观众注意力引导到混合溶液中，这时溶液恰好在刹那间变色，从而产生一种出其不意的惊人效果。

3.2 在化学教学中的应用

脉动碘时钟实验可用于溶液配制实验的教学，练习或考核量筒、滴管等基本操作，有助于培养严谨认真的实验态度。该实验需要配制三种溶液，等待期和变色期对溶液浓度非常敏感，如果配制过程中溶液体积量取不准确，就会通过变色时间显示出来，学生的实验技能立竿见影，客观公正。

我国高中化学教材中采用蓝瓶子实验让学生探究浓度和温度对反应速率的影响，通过蓝色溶液的褪色时间来计时。但是蓝瓶子實验的褪色时间较长，且溶液最表面的蓝色很难褪去，因此很难判断褪色终点，不利于准确计时。碘时钟实验的变色速度较快，比蓝瓶子实验更便于计时。经典碘时钟实验用到的碘酸盐和亚硫酸氢盐在中学不是常用试剂，浓硫酸的稀释又具有危险性，因此，经典碘时钟实验在中学化学教学中用得较少。本研究采用脉动等用品，重现经典碘时钟实验，实验现象明显，颜色变化瞬间完成，便于精准计时，比蓝瓶子实验更加适合于探究化学动力学问题。

4 结语

脉动碘时钟实验基于碘时钟实验的反应原理而设计。实验器材是生活中常见的五种物质： 脉动饮料、过氧化氢消毒液、碘酊、白醋和淀粉。脉动碘时钟实验的现象对试剂浓度和反应温度十分敏感。采用本文所述品牌的试剂，在30℃时，实验现象的等待时间为9秒，变色时间不到1秒，实验效果较好。增加脉动饮料用量，可以延长等待期。增大碘酊用量，可缩短等待期和变色期，但变色期缩短得更明显。提高温度可使等待期和变色期都明显缩短。该实验既可设计成化学魔术，比如“刹那间的脉动”、“隔杯变色”，又可作为教学实验，应用于溶液配制、化学反应速率影响因素的探究等。

参考文献：

[1]2017年诺贝尔生理学或医学奖揭晓. http：//news.sciencenet.cn/htmlnews/2017/10/390081.shtm. 2018. 1. 25.

[2]秦序. 化学振荡反应综述[J]. 首都师范大学学报（自然科学版）， 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.