常 海

（江苏省常州高级中学，江苏 常州 213022）

碘钟颜色震荡反应的研究

常 海

（江苏省常州高级中学，江苏 常州 213022）

在过氧化氢1.2 mol/L、丙二酸0.05 mol/L、硫酸锰0.006 7 mol/L、碘酸钾0.067 mol/L、淀粉0.01%的溶液中逐滴滴加适量浓硫酸，反应液呈现从黄色到蓝色相互交替的颜色震荡现象。提出了以碘离子为核心，不同价态的碘化合物作为媒介，溶液内各物质的浓度发生周期性变化的反应机理。研究结果表明当pH值处于2.05～2.35之间时，溶液可以达到黄色与蓝色双稳态的平衡，震荡时间根据pH差异可以维持3～5 min，最终变为蓝色。

化学震荡；碘钟反应；反应机理

化学震荡现象在很多领域起着重要的作用。在检测一些环境或人体中存在的、用常规方法无法检验的元素时，以及解释人体消化酶的作用、自然界的物质循环方面，都需要用到震荡理论及其应用。但是震荡现象发生的条件非常苛刻，而且无法运输和保存，在现实应用中存在巨大的不确定。

本文观察到碘钟反应具有颜色震荡现象，提出碘钟颜色震荡反应的机理，通过碘钟反应震荡周期的研究，发现pH值是其中最大的影响因素，得出pH值的最佳范围。

1 实验

1.1 试剂与仪器

试剂：碘酸钾，29%过氧化氢，丙二酸，硫酸锰，可溶性淀粉，浓硫酸，蒸馏水，国产化学纯。仪器：烧杯，量筒，秒表，玻璃棒，电加热器，滴管。

1.2 实验操作

甲溶液的配置：量取20 mL 29%的过氧化氢溶液，配成50 mL溶液，得3.6 mol/L过氧化氢溶液。

乙溶液的配置：分别称取3.9 g丙二酸和0.8 g硫酸锰，分别溶于适量水中。另称取0.075 g可溶性淀粉，溶于50 mL左右沸水中。把三者转移入250 mL容量瓶里，稀释到刻度，得到含0.15 mol/L丙二酸、0.02 mol/L硫酸锰、和0.03%淀粉的混合溶液。

丙溶液的配置：称取2.1 g碘酸钾溶于50 mL热水中。

将甲、乙、丙三组溶液以等体积混合在烧杯中，该混合溶液即含过氧化氢1.2 mol/L、丙二酸0.05 mol/L、硫酸锰0.006 7 mol/L、碘酸钾0.067 mol/L、淀粉0.01%。

采用控制变量法，通过滴入不同滴数的浓硫酸来控制pH值，由于温度也是化学震荡反应的影响因素，因此在实验中统一使用沸水配置的乙、丙溶液。进行三次实验减少误差，实验结束后，将实验数据汇总，进行统计分析，最终得出结论。

1.3 pH值的计算方法

pH值的计算方法如式（1），其中n为浓硫酸的滴数，ρ为浓硫酸的密度（18.4 g/mL），V为每滴液体的体积（5×10-2mL），M为浓硫酸的摩尔质量（98 g/mol），V1为溶液的总体积（150 mL）。

2 结果与讨论

2.1 碘钟颜色震荡反应现象

在含过氧化氢1.2 mol/L、丙二酸0.05 mol/L、硫酸锰0.006 7 mol/L、碘酸钾0.067 mol/L、淀粉0.01%逐滴滴加适量浓硫酸，观察到溶液首先呈黄色，而后逐渐变蓝，且溶液自发的在黄色和蓝色相互交替的震荡，整个黄色和蓝色相互交替的震荡时间根据pH差异可以维持3～5 min，最终变为蓝色。如果在震荡过程中加入适量浓硫酸，可以提前终止震荡现象，溶液变蓝。

2.2 碘钟颜色震荡反应机理

在碘钟颜色震荡反应中，三价锰离子使溶液呈黄色，碘单质和淀粉使溶液呈蓝色，以下是以碘离子为核心，不同价态的碘化合物作为媒介，溶液内各物质的浓度发生周期性变化的碘钟颜色震荡反应机理。

2.2.1 电离

在硫酸酸化的酸性条件下，碘酸钾转化成碘酸和硫酸氢钾，碘酸是无机中强酸，电离常数为 1.476× 10-1，为后续反应提供了条件。

碘钟反应不完全是离子反应，通过苯酚等自由基抑制剂检测发现自由基在反应中起到的作用，溶液变成金黄色的原因是三价锰离子的颜色。分步反应中展现了碘以-1、0、+1、+3、+5五种价态的离子、单质或自由基形式出现在溶液中。由于其中心元素为碘，碘单质和碘离子扮演了十分重要的角色，对于反应步骤和机理的探究以碘离子为中心展开。

2.2.2 碘的降价反应

I-产生时，来自高价的碘化合物，同时放出氧气，故实验中溶液不断产生气泡。

2.2.3 碘单质的生成

I-浓度高时，就推动了碘离子和高价碘的归中反应，生成的碘单质一方面使溶液变蓝，如图1图2所示，另一方面又进一步推进了丙二酸中活泼亚甲基的碘代反应。碘单质的生成在反应过程中抑制了二价锰离子的氧化，使溶液中的游离碘含量增多，遇淀粉变蓝即形成六个淀粉分子与一个碘分子络合的化合物，使溶液呈蓝色。

碘代丙二酸为无色的化合物，在反应中消耗了碘单质并放出碘离子，增大碘离子的浓度，使溶液从蓝色变回无色。

2.2.4 三价锰离子的生成

I-浓度低时，涉及的反应大多不含碘离子，而是通过一系列反应，再生成碘酸根，使反应开始循环，与此同时，二价锰离子被氧化为三价，既显示了颜色，又加快了反应速率。因为卤素含氧酸价态越低，氧化性越强，碘酸和亚碘酸均不能氧化二价锰，而次碘酸可以，在生成碘离子的时候，碘元素被不断降价直到经过次碘酸，为锰离子的氧化奠定了基础。

I-通过生成步骤的循环和如下反应再生，将三价锰和碘代丙二酸消耗掉，减少生成物的浓度，推动反应的平衡右移。

三价锰呈金黄色，因为三价锰离子不稳定，易歧化生成二氧化锰和二价锰离子，故在溶液中三价锰以氢氧化氧锰或络合物的形式存在。碘离子的生成促进了具有自催化作用的亚碘酸浓度增加有利于生成HIO，使Mn2+氧化成Mn3+溶液，Mn3+的产生使溶液变成金黄色，Mn2+与Mn3+的量浓度比值越大，颜色越深。而Mn3+的氧化性比较强，碘代丙二酸会被氧化为甲酸、二氧化碳和碘离子，碘离子再生的同时，三价锰回归二价锰状态。完成了一个振荡周期。但由于这种还原过程对中间产物 HIO2具有自催化作用，于是双振荡过程又重新启动。

2.3 pH值对反应的影响

图1和图2是不同pH时黄色和蓝色持续的时间随震荡周期数的变化。

图1 高pH时颜色持续时间与周期的关系

图2 低pH时颜色持续时间与周期的关系

从图1可以看出，当高pH时，蓝色持续时间随周期增加由5 s逐渐增加至17 s，在第4个周期出现短暂的峰值；黄色随周期增长，持续时间基本不变。从图2可以看出，当低pH时，蓝色持续时间由4 s逐渐平稳增加至20 s；黄色在最初出现不合理的峰值，可能是由于溶液未混合均匀，从第2个周期开始，黄色持续时间随周期增长基本不变。

由图1和图2可知，蓝色的震荡时间随周期的增长而增长，黄色的震荡时间基本不受周期变化影响。由图1和图2还可知，pH值越大，周期中黄色的时间比蓝色的时间比值越大。pH值大于2.35时只变黄不变蓝，pH值小于2.05只变蓝不变黄，当pH值处于2.05～2.35之间时，溶液可以达到黄色与蓝色双稳态的平衡。

2.4 反应的震荡周期

图3是以时间为x轴反应在蓝色与黄色震荡的周期函数，y轴正值是蓝色时间，y轴负值是黄色时间。由图3可知，溶液的颜色递变随时间呈现固定的周期性变化，与溶液中各个物质浓度的周期性变化类似，在震荡时间上同样具备周期性的变化规律。随着碘单质的增加，周期不断变长。

反应时间增长对溶液呈黄色的时间影响较小，溶液呈黄色的时间随时间的增长先变少后缓慢增加，溶液呈蓝紫色的时间随着反应时间的增长而迅速增长。并且随着反应时间的增加，气泡冒出的速率也在缓慢增加。这既印证了该反应的周期递变性，也佐证了上文随时间变化，溶液的颜色和经历的时间逐渐变长。

图3 以时间为自变量该反应的周期函数递变

3 结论

酸性条件下含过氧化氢1.2 mol/L、丙二酸0.05 mol/L、硫酸锰0.006 7 mol/L、碘酸钾0.067 mol/L、淀粉0.01%的溶液可以发生颜色震荡反应。pH值大于2.35时，溶液只变黄不变蓝；pH值小于2.05时，溶液只变蓝不变黄；pH值在2.05～2.35之间时，可以稳定震荡，震荡时间根据pH差异可以维持3～5 min，最终变为蓝色；pH值越大，震荡周期中黄色的时间比蓝色的时间比值越大；震荡周期随时间增长而变长，同时震荡的颜色随时间变化逐渐加深。

[1] 胡刚, 刘婷婷. 化学振荡在分析化学中的应用综述[J]. 安徽大学学报, 2015, 39(2): 97-108.

[2] 高锦章. 化学振荡现象在分析化学中的应用[J]. 西北师范大学学报, 2002, 38(3): 100-104.

[3] 黄闻新, 吴志军, 周丽君. 碘钟溶液振荡反应[J]. 海南师范学院学报, 1999, 12(1): 34-41.

[4] 赵莲青. 碘钟振荡反应中酸介质的研究[J]. 西北大学学报, 1981(4): 34-37.Study on Briggs-Rauscher Oscillation Reaction

CHANG Hai
（Changzhou Senior High School, Changzhou 213022, China）

Adding the oil of vitriol drop by drop to the liquor which contains potash iodate 0.066 mol/L, hydrogen peroxide 1.2 mol/L, malonic acid 0.05 mol/L, manganous sulfate 0.006 7 mol/L and 0.01% starch, it can be observed that the liquor is amber at first, later blue. The essay put forward the reaction centered on iodide ions and based on the various valence state of iodine in which the concentrations of different matters change in a periodic way. It turns out that the liquor can achieve a balance between amber steady state and blue steady state within pH 2.05 to 2.35. The liquor can maintain changing for three to five minutes and turn to blue in the end.

chemical oscillation; Briggs-Rauscher reaction; reaction mechanism

G63

A

1009-220X(2016)05-0033-05

10.16560/j.cnki.gzhx.20160509

2016-06-13

常 海（2000~），男，江苏常州人，高中生。404078541@qq.com