实验教学与　教具研制一个奇妙的化学振荡实验新设计3熊言林(安徽师范大学化学与材料科学学院　安徽芜湖　241000)摘要　培养学生学习化学的兴趣,化学实验是最直接、最直观、最生动、最现实的教学素材。

在参阅前人研究的基础上,用过氧化氢、碘酸钾等试剂设计了一个操作十分简单、适合中学条件的化学振荡实验方案,其奇妙的振荡现象十分明显、有趣,引人入胜。

关键词　中学化学　振荡实验　方案设计　过氧化氢　碘酸钾 学生的学习兴趣是激发学习动机的重要因素[1]。

所以,我无论是在本科生、函授生、研究生的课堂教学中,还是在国家级骨干教师、省级骨干教师、全省高中化学教师的培训课上,以及在给中学生开展化学讲座上都要演示一些自己设计的、很有趣的新实验来配合相关内容的讲授,收到了较好的教学效果[2]。

在查阅B-Z反应、B-R反应及其相关振荡实验文献的基础上[3,4],我设计了一个操作十分简单、适合中学条件的化学振荡实验方案,并在多年的课堂教学、报告讲座上亲自演示过该实验,反复循环变色(无色→琥珀色→蓝色)的奇妙实验现象非常吸引学生、学员的眼球,引起了他们对该实验产生很大的兴趣。

为此,笔者现将这一化学振荡实验方案设计出来,对该实验感兴趣的化学教师,不妨在新学年的第一次化学课上或在化学活动课上按照该实验方案做一做,看看学生有什么反应。

1　实验目的(1)初步了解化学振荡实验原理,知道振荡现象广泛地存在于自然界中;(2)探究化学振荡实验的最佳条件,掌握化学振荡实验的基本操作;(3)体验化学振荡实验的新颖性、趣味性和知识性,激发学生学习化学的兴趣。

2　实验原理在一定条件下,过氧化氢既可以作为还原剂,又可以作为氧化剂。

在本实验条件下(室温,淀粉溶液),过氧化氢在Mn2+催化下分别跟碘酸钾、单质碘发生振荡反应,使溶液的颜色呈现周期性的变化(无色→琥珀色→蓝色),直至过氧化氢完全反应,溶液的颜色才不会再变化。

上述颜色变化的反应机理很复杂,有人认为,可能反应机理是:5H2O2+2IO-3+2H+→5O2↑+6H2O+I2(在Mn2+催化下)使淀粉溶液变蓝I2+5H2O2→2HIO3+4H2O使蓝色淀粉溶液褪色I2+CH2(COO H)2→IC H(COO H)2+I-+H+I2+ICH(COO H)2→I2C(COO H)2+I-+H+溶液呈琥珀色3　实验用品413g碘酸钾(C1P),4mL2mol/L H2SO4溶液,41mL30%的H2O2溶液,0134g硫酸锰晶体(C1P),116g丙二酸(C1P),0103g可溶性淀粉(C1P),蒸馏水(可用自来水代替)。

400mL烧杯1只,100mL烧杯2只,100mL 量筒1只,10mL量筒1只,台称1台,玻璃棒1支,酒精灯1盏,石棉网1块,白纸片1张。

4　实验步骤411　溶液的配制(1)无色溶液A　在400mL烧杯中,加入41mL30%的H2O2溶液,再加入59mL蒸馏水,用玻璃棒搅拌均匀,即为无色溶液A。

(2)无色溶液B　称取413g碘酸钾,放入到100mL烧杯中(为了配制方便,在此操作前,向烧杯里加入100mL的水,标出水面高度的记号后,倒出水),加入约60mL的蒸馏水,加热溶解,冷却后,再加入4mL2mol/L H2SO4溶液,用蒸馏水稀释到100mL的标记处,用玻璃棒搅拌均匀,即为无色溶液B。

(3)无色溶液C　称取116g丙二酸、0134g硫酸锰晶体,放入到100mL烧杯中(为了配制方便,在此操作前,向烧杯里加入100mL的水,标出水面高度的记号后,倒出水),用少量的蒸馏水溶解,加入含有0103g可溶性淀粉的溶液(如,10mL013%的可溶性淀粉溶液),再用蒸馏水稀释到100mL的标记处,搅拌均匀,即为无色溶液C。

412　混合溶液在盛有100mL无色溶液A的400mL烧杯底部垫一张白纸片(便于观察),向烧杯中同时加入100mL无色溶液B和100mL无色溶液C,立即充分搅拌片刻。

停止搅拌后,静置、观察振荡实验现象,并将颜色周期性变化的时间记入下表(每隔10～20s记一次):・44・化　学　教　育 2008年第10期3安徽师范大学“化学教育专业实验—化学教学论实验”精品课程建设项目(校教字[2006]69号)基金资助周期从“无色→琥珀色→蓝色→无色”的时刻/s时间/s说明1起始时间:结束时间:2起始时间:结束时间:3起始时间:结束时间:结论:　413　记录振荡总时间从3种溶液相混合开始,到不再发生振荡(即蓝色不再褪去,记下该蓝色出现的开始时刻)为止,共需要的时间为。

5　注意事项(1)本实验成功的标志是溶液的颜色由“无色→琥珀色→蓝色”反复循环变色,它与溶液的浓度是否准确有关,并且混合时3种溶液的体积要相同。

因此,一定要配准、量准3种溶液。

否则,看不出3种颜色反复循环变化的现象,只能看到溶液的颜色由“无色→琥珀色”反复循环变色或溶液的颜色只出现蓝色或无色溶液不发生颜色变化中的一种。

(2)振荡周期的长短可以由硫酸的浓度来控制。

硫酸的浓度愈低,振荡的周期愈长。

在硫酸浓度较低(如,在无色溶液B中用2mL2mol/L H2SO4代替4mL2mol/L H2SO4)时,在开始的2min左右的时间内振荡不会出现蓝色。

(3)温度对该反应是有一定影响的。

温度低时反应速率较慢,一般溶液温度应在25℃左右。

当温度较低时,无色溶液B中已溶解的KIO3将会因溶解度的降低而从溶液中析出。

因此,室温较低时,应将无色溶液B在水浴中温热几分钟,但无色溶液B 的温度不能太高。

(4)改变H2O2或IO-3的浓度会改变振荡的性质与周期。

很显然,随着H2O2浓度的降低,变色的速率将减慢,颜色变化所需要的时间间隔将增加。

看到的冒泡现象是由于过氧化氢分解而放出氧气所致。

(5)混合溶液搅拌与否,对振荡周期有一定的影响。

(6)实验一开始,原来无色的溶液几乎立即变为琥珀色(呈金黄色),约8s钟以后,突然变为蓝色。

蓝色逐渐褪为无色,而循环又重新开始。

最初的振荡过程约8s钟重复一次,然后振荡的周期逐渐变长。

几分钟以后,振荡将停止,而溶液始终保持蓝色。

6　问题与研讨(1)化学振荡是最早用来说明1977年诺贝尔化学奖获得者、被科学界誉为现代热力学的奠基人、比利时布鲁塞尔学派著名的统计物理学家普里高津(Prigogine)教授提出的耗散结构理论的化学反应之一。

介绍这个实验,再以通俗的解释,可以让学生对远离平衡态的概念、自然界的自催化现象有一个启蒙认识,并能激发学生学习化学的兴趣。

振荡现象广泛地存在于自然界中。

在生物化学中有很多例子,如动物心脏有节奏的跳动;又如新陈代谢过程中占重要地位的糖酵解反应中,许多中间化合物和酶的浓度是随时间而作周期性变化的(振荡周期约为几分钟的数量级);所谓的生物钟也是一种生物振荡现象,等等。

这种振荡现象在非生命物质的化学体系中也能实现。

本实验是根据布里格斯(Briggs)和劳舍尔(Rauscher)振荡实验(又称B-R反应或布里格斯—劳舍尔反应)发展起来的。

实验中,溶液的颜色在无色、琥珀色与蓝色之间作周期性振荡变化的原因,是由于反应过程中产生的I2和I-浓度的起落而引起的。

无色溶液是溶液中生成碘的浓度极低,与淀粉结合未达到显示蓝色的限度;琥珀色是小浓度碘离子存在时与碘的络合,碘与丙二酸反应,以及形成极少量的淀粉-碘包合物等有关;当I2、I-浓度增大,形成I-3和特征的蓝色淀粉-碘包合物时,便出现蓝色;然后,当蓝色淀粉-碘包合物的浓度很大时,而这些包合物立即消耗完,又呈现无色溶液,并重新开始振荡。

(2)耗散结构理论　普里高津把那种开放和远离平衡的条件下,在与外界环境交换物质和能量的过程中,通过采用适当的有结构状态来耗散环境传来的物质和能量,在耗散过程中,以内部的非线性动力学机制来形成和维持的宏观时空有序结构称之为“耗散结构”。

这种理论,亦称为耗散结构理论[5]。

(3)远离平衡态使体系具有足够的反应推动力,推进无序转化为有序,形成耗散结构。

例如在恒温恒压条件下,可以使反应物浓度远高于平衡浓度,生成物浓度远低于平衡浓度,从而在实际浓度与平衡浓度间造成巨大浓度差,以推进化学振荡反应的产生。

相反,如果在平衡态,则实际浓度与平衡浓度相等,二者之差为零,反应推动力为零,反应已经达到极限,反应体系的浓度已经不再随时间变化发生任何变化,即已经达到“时间终点”。

因此,也就不可能产生浓度随时间空间而发生周期性变化的化学振荡现象。

所以普里高津说,非平衡是有序之源。

形象地看,这好比是往咖啡里面加牛奶,达到平衡时的最后状态只能是一碗混沌无序的灰色浑汤。

但是在达到那个状态以前的非平衡态,则白牛奶在黑咖啡里排演了多少瞬息万变的漩涡花样和结构!可见,有序的生机是在远离平衡态时萌动的。

(4)振荡现象的发生必须满足以下3个条件:①反应必须是敞开体系且远离平衡态;②反应历程中应包含有自催化的步骤;③体系必须能有2个稳定态存在,即具有双稳定态。

可作形象化的比喻,在给・54・2008年第10期 化　学　教　育定条件下,当钟摆摆动到右方最高点后,它就会自动地摆向左方的最高点;反之,就会自动地摆向右方的最高点。

在本实验中,无色的组分增加到一定程度后,它就会自动地向生成蓝色组分的方向变化;反之,就会自动地向生成无色组分的方向变化。

(5)自催化反应　在给定条件下的反应体系,反应开始后逐渐形成并积累了某种产物或中间体(如自由基),这些产物具有催化功能,使反应经过一段诱导期后出现反应大大加速的现象,这种作用称为自(动)催化作用。

这种反应,亦为自催化反应(如油脂腐败﹑橡胶变质以及塑料制品的老化等存在着自催化作用)。

在本实验中,二价锰离子可作为相关反应的催化剂。

(6)B -Z 振荡反应　1958年,苏联化学家别洛索夫(Belo usov )和札鲍廷斯基(Zhabotinskii )首次报道了以金属铈作催化剂,柠檬酸在酸性条件下被溴酸钾氧化时可呈现化学振荡现象:溶液在无色和淡黄色2种状态间进行着规则的周期振荡。

该反应即被称为Belousov -Zhabotinskii 反应,简称B -Z 反应(或贝—札反应)。

在化学振荡反应发现的初期,人们感到难以理解。

人们认为,这种魔术一般的“古怪行为”是在跟热力学第二定律开玩笑,是由于实验条件的错误安排或某种干扰所致,从而认为所谓的发现是绝不可能的。

这样,别洛索夫(Belousov )的发现长期未被承认,其论文也未能及时发表,被搁置达6年之久。

在此以前,美国伯克利加州大学的布雷(Bray ,Wil 2liam )于1921年在过氧化氢转化为水的过程中也发现了化学振荡反应,然而也被认为是由于实验操作低劣而产生的人为现象而未被接受。

直到20世纪60年代以后,由于发现的事实越来越多,化学振荡的存在已不容置疑才逐渐被承认,并日益引起了广大化学家的注目[6]。