淀粉与碘水自然扩散显色反应过程的研究

杨兴+张恒强+吴琼

摘要：用液膜自然扩散微型实验方法，研究淀粉与碘的呈色反应。使用了自制的点滴皿，每次实验取用滴量的淀粉溶液和碘水，使反应物的溶液滴形成互相扩散的膜，从而提高透视度和分辨率。物质在液膜内自然扩散反应过程中，随着物质的量的规律性的变化，形成从反应物经中间物到生成物自然连续变化的对比现象。此方法能充分反映“不同淀粉与碘水自然扩散过程中的呈色现象规律”，便于观察，有利于直接投影演示实验教学，也便于直接拍摄记录实验过程中的规律现象，作为教学插图和研究资料。此实验减少了淀粉与碘的用量，减轻了对环境的污染，提高了综合实验效果。

关键词：点滴皿；液膜自然扩散；微型实验；淀粉；碘水

文章编号：1005–6629（2015）10–0059–06 中图分类号：G633.8 文献标识码：B

淀粉和碘是人们日常生活中经常用到的物质，淀粉溶液遇碘呈现特征颜色的性质，经常应用在实验教学中，有关淀粉与碘显色反应的研究也层出不穷[1～4]。多年来，我们在绿色化学理念下，根据实验教学需要，不断吸取各方面的实验经验[5，6]，在研究使用传统实验仪器和方法的同时，逐渐探索实施每次实验既用少量（一般0.05～0.15mL）的化学试剂，又能突出实验效果的“液膜自然扩散微型实验方法”，结合实验方法研制出新仪器——“微型化学实验反应器皿”（简称“点滴皿”，已经申报并获得国家专利[7]），并将其应用于淀粉与碘水显色反应过程的研究。首先用“液膜自然扩散实验方法”探讨了常见的淀粉（玉米淀粉、马铃薯淀粉、甘薯淀粉等）与碘的显色性能，同时为了避免选用淀粉的品种少、认识不够全面，我们结合化学实验教学有目的地选取多种淀粉原料，逐渐试验摸索出一种简单提取淀粉的方法，为研究淀粉与碘的显色规律提供了研究方法、新的仪器和可靠试剂。

1 实验试剂的配制

1.1 简单提取植物淀粉的方法

首先把选用的植物（如谷物、豆类、薯类等）淀粉原料脱皮，取适量放在烧杯中，加蒸馏水浸没原料2～3cm，泡12～24h（鲜薯类不用浸泡），用打浆机打浆（或研磨至细浆），加适量水搅拌调解成有利于过滤的浆液，用双层纱布过滤，滤液（淀粉浆）静置沉淀后倾去上层液，将粗淀粉用倾泻法反复清洗干净，脱水干燥备用。

1.2 淀粉溶液的配制

配制0.5%的淀粉溶液100mL：称取0.5g淀粉放入100mL的小烧杯中，加入少量（约5mL）水调成糊状，边搅拌倒入95mL沸水，煮沸后冷却至室温即可用。

1.3 碘水的配制

1.3.1 纯碘水的配制

在250mL的碘量瓶中注入180mL的蒸馏水，然后加入0.5g研细的碘，盖好瓶塞。在室温（20℃）下振荡或用搅拌器搅拌30min溶解。碘在水中的溶解度比较小，所配制碘水的浓度经测定为：

c（I2）=8.0×10-4 mol/L

1.3.2 配制0.01 mol/L的碘（KI）溶液

称取5.0g KI和1.3g碘加入200mL水中溶解，稀释至1.0L。

1.4 实验常用“点滴皿”的简单制作方法

选用2～3mm厚的普通玻璃或下角料，用玻璃刀裁成10×10cm2大小，用砂布磨去四边锋刃，洗净即可备用。

2 淀粉与碘水自然扩散过程中的呈色反应现象

用液膜自然扩散实验能清晰观察到淀粉与碘显色反应过程的现象变化，从而掌握各种淀粉与碘显色反应的特点和变化规律。

2.1 几种典型谷物淀粉与碘水自然扩散过程中的呈色现象

2.1.1 淀粉与碘水自然扩散实验的常用方法

在点滴皿上，相距约1.5cm处滴加1～2滴淀粉溶液和1～2滴碘水，用尖头玻璃棒引导两种液滴形成相邻溶液膜，并互相靠近至自然扩散呈色反应。

2.1.2 大米淀粉与碘水自然扩散过程

图1、图2是0.5%的大米淀粉溶液与纯碘水、碘（KI）水自然扩散呈色反应现象的照片。在点滴皿上，大米淀粉溶液与纯碘水液膜相向扩散反应呈现蓝色；用相同大米淀粉溶液与0.01 mol/L碘（KI）水自然扩散反应，从左到右随着淀粉溶液浓度逐渐减小，碘的浓度逐渐增加，溶液膜呈现五阶对比色带，如下“大米淀粉-I2（KI）水”示意图：

普通玉米淀粉、荞麦淀粉、小麦淀粉、高粱米淀粉溶液和碘水自然扩散反应与大米淀粉和碘水的呈色现象相似。

2.1.3 糯米淀粉与碘水的自然扩散过程

图3和图4是0.5%的糯米淀粉溶液与两种碘水自然扩散现象的照片。糯米淀粉溶液与纯碘水自然扩散呈现紫色；相同糯米淀粉溶液与碘（KI）水扩散显色反应，随着溶液膜中从左到右碘浓度逐渐增大的呈色现象，如“糯米淀粉-I2（KI）水”的示意图：

大黄米、糯玉米、糯高粱和糯米淀粉溶液与碘水自然扩散呈色现象相似。

2.2 常见豆类淀粉与碘水自然扩散呈色现象

2.2.1 豌豆淀粉与碘水的自然扩散呈色过程

图5、图6是豌豆淀粉与两种碘水自然扩散现象的照片，无色0.5%的豌豆淀粉溶液与纯碘水自然扩散反应呈现艳蓝色，用相同豌豆淀粉溶液与较高浓度（0.01 mol/L）碘（KI）水，从左至右自然扩散过程的呈色现象如“豌豆淀粉-I2（KI）水”的示意图：

豌豆淀粉与碘的显色反应，灵敏度高，现象明显。红芸豆淀粉和豌豆淀粉与碘显色现象相似。

2.2.2 绿豆淀粉与碘水的自然扩散过程

图7是绿豆淀粉溶液与碘（KI）水自然扩散现象的照片。在点滴皿上，浓度为0.5%的绿豆淀粉溶液从左向右自然扩散浓度逐渐减小，I2（KI）水浓度逐渐增加的溶液膜显色现象，如“绿豆淀粉-I2（KI）水”示意图：

通过实验常见豆类淀粉与碘水的扩散反应显示各异的蓝色，扩散反应随着淀粉浓度增大蓝色加深，随着碘的浓度增大颜色加深。

2.3 常见薯类淀粉与碘水的自然扩散现象

2.3.1 红薯淀粉溶液与碘水的自然扩散过程

图8用0.5%红薯淀粉溶液与纯碘水自然扩散液膜呈现蓝色。图9是红薯淀粉溶液从左到右与碘（KI）水膜自然扩散现象的照片，其中图9下图碘（KI）水层相对薄（呈棕黄色），从左到右随着碘浓度的增大，淀粉遇碘扩散的液膜由蓝色渐变为蓝黑色；图9上图碘（KI）水膜相对偏厚（呈棕红色），扩散呈色现象，如“红薯淀粉-I2（KI）水”的液膜示意图：

在相同条件下，扩散现象与显色溶液膜的厚度有关，如果有色溶液膜增厚，透光度降低，液膜颜色加深。

2.3.2 马铃薯淀粉溶液与碘（KI）水的自然扩散过程

图10为0.5%的马铃薯淀粉溶液与纯碘水自然扩散现象的照片，两种溶液相向扩散液膜变蓝。图11是相同浓度的马铃薯淀粉溶液与0.01 mol/L的碘（KI）水自然扩散过程的显色反应现象，如“马铃薯淀粉-I2（KI）水”的示意图：

马铃薯淀粉溶液的特点：与其他同质量分数浓度的淀粉溶液相比较，它的稠度大，溶液互相扩散的速度慢，扩散的液膜颜色变化的界面清晰浓重。

上述几例天然植物淀粉与碘水自然扩散显色实验中，用0.5%淀粉溶液与8.0×10-4 mol/L纯碘水的显色反应现象作为参照。因为不同植物淀粉与碘（KI）水自然扩散的溶液膜呈色现象各有特点和规律，在生产实践中可以利用它们的这种呈色规律特点，分别鉴别不同的淀粉或淀粉原料，也可以用此方法，把不同的淀粉分类。

淀粉与碘的呈色现象与溶液的浓度等条件有关系，但淀粉的组成结构决定了它们的显色性。直链淀粉与支链淀粉对碘的吸附能力不同。呈螺旋结构的直链淀粉分子能够吸附碘形成络合物，每6个葡萄糖残基形成一个螺旋圈，恰好可容纳1个碘分子[8-9]。每1g纯直链淀粉能吸附约200mg碘，即重量的20%。当直链淀粉和支链淀粉同时存在时，若碘的浓度很低，碘只能被支链淀粉吸附，当碘浓度升至10-4mol/L时，支链淀粉才开始吸附碘。而且支链淀粉吸附碘的量很少，不到1%。支链淀粉与碘结合后呈现的颜色与分子分支化度和外链的链长有关，随着分支化度的提高和外链链长的变短，与碘结合的颜色由紫红色转为红色最后呈碘本色（棕色）[10]。常见植物淀粉中直链淀粉含量与碘（KI）水扩散显色规律归纳总结于表1。

通过实验可知，相同条件、不同植物淀粉含直链淀粉与支链淀粉的量不同与碘的显色现象不同，同种植物淀粉溶液与不同浓度的碘水扩散显色现象不同。但不同植物中直链淀粉与支链淀粉的含量相近，相同浓度的淀粉溶液与相同浓度的碘水扩散反应显色规律相同。

3 淀粉与碘水自然扩散呈色过程中的干化变化现象

3.1 淀粉与纯碘水自然扩散过程中的干化变化

图12和图13是玉米淀粉溶液与饱和纯碘水自然扩散过程中的同一个实验不同时间的照片。此实验是在点滴皿上滴加2滴0.5%玉米淀粉溶液滴，形成圆形液膜的中心处，滴加2滴纯碘水，碘从圆心向外扩散与外圆淀粉溶液自然扩散反应的对比现象，示意图如下：

图13是图12实验的继续，在点滴皿上实验（图13）现象随着时间的延长，溶液中水不断自然蒸发、I2升华，10分钟后反应液逐渐干化，呈色也随之失去，留下淡淡的水痕迹。如果再滴加适量的水，不能恢复原颜色，这是淀粉溶液与纯碘水显色变化过程的不可逆现象。

通过淀粉与纯碘水自然扩散的干化现象说明，淀粉遇碘的显色反应，不是化学反应，而是物理吸附作用。

3.2 淀粉与碘（KI）水自然扩散过程中的干化变化

图14是0.5%木薯淀粉溶液与0.01 mol/L不同厚度（上图厚、下图薄）碘（KI）水自然扩散的显色现象。

图15是与图14同一实验溶液膜随时间延长、水蒸发的干化现象，从左至右未反应的淀粉溶液干化至浅白色，扩散液中靠近淀粉溶液部分，淀粉含量相对偏高，干化膜显蓝黑或黑色，随着扩散反应的进行，淀粉含量逐渐降低，碘含量逐渐升高，扩散显色溶液膜干化后的现象示意图如下：

碘（KI）水膜干化形成的微晶粒呈棕黄或黄色。说明晶体中依然含有单质碘，由于I2和I-发生反应：

3.3 淀粉与两种碘水自然扩散过程干化现象的对比

上述例举了淀粉溶液分别与纯碘水、碘（KI）水自然扩散实验，同时通过照片记录了淀粉溶液与两种碘水自然扩散过程中溶液浓度变化而显色现象的变化。由于液膜扩散实验取用试剂量少（一般0.05～0.15mL），而且形成液膜易于观察，有利于水蒸发、I2升华。此实验方法不但展示了扩散过程连续显色现象规律，还展现了液膜自然干化过程的现象变化，综合于表2。

4 淀粉水解过程中的物质遇碘水呈色变化规律

淀粉自然水解比较慢，用时长，通常在水解酶作用或调解淀粉溶液酸碱性来加快淀粉的水解速度。为了研究方便又不影响淀粉与碘水的反应效果，所以此实验选用酸性条件下的淀粉水解过程。

4.1 酸性条件下淀粉与碘水的自然扩散过程

图16是在常温条件下，新配制酸性（10mL 0.5%的马铃薯淀粉溶液加2mL 6 mol/L硫酸）淀粉溶液与纯碘水、碘（KI）水的自然扩散现象。图16与马铃薯淀粉和碘水自然扩散过程的颜色现象相同（见图10、图11），说明适度调解溶液酸性对淀粉与碘的呈色反应影响不大。

4.2 淀粉水解过程中的产物与碘水自然扩散呈色现象

图17是取用与图16相同的酸性马铃薯淀粉溶液，在水解反应过程（煮沸2分钟）中，取适量水解反应液冷却至常温（20℃），在同一块点滴皿上，与纯碘水扩散反应显淡紫色（图17上）；与碘（KI）水自然扩散呈色（图17下）现象的示意图如下：马铃薯淀粉︱淀粉水解液-I2络合物︱I2（KI）水

无色 紫色 棕红 棕色 棕黄色

当对马铃薯淀粉酸性溶液煮沸水解4分钟，冷却至常温，同样做碘的自然扩散呈色实验，无显色现象（照片略）。

马铃薯淀粉水解过程中的产物与碘水显色变化规律：蓝色→紫色→棕红→棕色→无色。验证了马铃薯淀粉随着水解反应的进行分子链逐渐变短，聚合度随着水解逐渐减小，吸附碘的直连淀粉分子随着聚合度的不同呈现不同的颜色反应，聚合度45以上呈蓝色、35～40呈紫色、20～30呈红色、12～15呈棕色、聚合度12以下的短链遇碘不呈现颜色变化。

5 用液膜自然扩散法研究淀粉与碘水显色规律的应用小结

上述用液膜自然扩散实验探究了淀粉溶液与碘水反应过程的显色规律。每个实验取用滴量的淀粉溶液和碘水，在点滴皿上，一般在1min内自然扩散反应形成规律的对比现象，有利于中学教师直接投影演示实验教学。此实验用于学生实验，有助于观察、分析和理解；有利于拍照、摄录实验中物质变化过程中的现象，作为系列实验现象影像，是珍贵的教学插图和研究资料。液膜自然扩散实验减少了药品的用量，节省了实验经费，减轻了对环境的污染，有利于化学实验的普及，提高了化学实验的综合效果，倡导了绿色化学理念。

参考文献：

[1]王瑛席.淀粉遇碘都显蓝色吗[J].化学教学，2007，（1）：75～76.

[2]钟俊英.影响淀粉与碘显色的因素初探[J].化学教学，2001，（3）：8～9.

[3]徐建飞，刘艳琴.淀粉的种类及其与碘显色作用[J].化学教学，2015，（2）：87～88.

[4]杨星.点滴投影实验[J].化学教学，2000，（4）：10～11.

[5]杨兴，王晓忠.液膜扩散微型实验方法鉴定NO3-和Co2+ [J].化学教育，2011，32（8）：58～67.

[6]杨兴，张恒强，王晓忠.液膜自然扩散微型化学实验教学研究[J].化学教育，2015，（8）：34～38.

[7]杨兴.中华人民共和国. CN201441917 U.2010.

[8]谷亨杰，吴泳，丁金昌.有机化学（第2版）[M].北京：高等教育出版社，2006：413～421.

[9]邢其毅，裴伟伟，徐瑞秋，裴坚.基础有机化学（第3版）[M].北京：高等教育出版社，2011：967～969.

[10]余平，石彦忠.淀粉与淀粉制品工艺学[M].北京：中国轻工业出版社，2011：7～29.

[11]李兆丰，顾正彪，洪雁.豌豆淀粉的研究进展[J].食品与发酵工业，2003，29（10）：70～74.

[12]孙世云，陈碧华.老话新说——碘与淀粉的显色反应[J].化学教学，2008，（5）：11～12.