电导率法探究碘在水中的溶解性

束金华

摘要： 针对用过量碘单质与水配成的碘水溶液颜色会逐渐变深的实验现象，分析其实验原理。设计相关的探究实验，在17天内测定碘水溶液电导率的变化，并对电导率仪温度补偿原理进行说明。实验结果表明，随着时间的延长，碘水的电导率逐渐增大。测量溶液pH前后的变化，估算溶解碘的质量，证实碘在水中溶解度增大，碘水浓度增大。该探究实验可以促进学生对碘单质在水中溶解本质的理解。

关键词： 电导率;碘的溶解度估算;岐化反应;多碘离子;实验探究

文章编号： 10056629（2018）3007003 中图分类号： G633.8 文献标识码： B

1 问题的提出

碘是一种紫黑色晶体，在水中的溶解度很小，25℃时100g水中只能溶解0.030g碘 [1]。但如果水中含碘离子会使碘单质的溶解度增大，因为发生如下反应： I 2+I -I - 3 [2]。所以实验室配制碘水，通常加入KI来促进I 2在水中的溶解。

因此有学生认为碘微溶于水，要配制较高浓度的碘水，光用碘单质和水是不行的，必须要加入KI。那么，在配制碘水时，是否仅用蒸馏水和碘单质就得不到较高浓度的碘水呢？对此，笔者曾多次做过这样的实验： 在室温下（25℃），将过量的碘（0.7g）加入100mL蒸馏水中配制碘水（不加KI），振荡溶解。实验发现刚开始碘水的颜色较浅，为浅黄色。在试剂瓶中密封保存，放置17天，发现试剂瓶中碘水的颜色逐渐变深，呈棕褐色。我们根据颜色深浅推断，似乎碘水的浓度变大了。那么，从浅黄色到棕褐色，碘水的颜色为什么会逐渐变深？这里面发生了什么反应？如何证实碘水的浓度变大了呢？我们考虑用测量碘水溶液电导率变化的方法进行验证。

2 实验部分

2.1 实验器材

2.3 实验内容

2.3.1 碘水的配制

我们将一张滤纸放置在电子天平上，清零。将少量碘倒在滤纸上，称得其质量m 碘。将称量好的碘倒入试剂瓶中，盖上试剂瓶盖，发现试剂瓶内出现紫红色蒸气。然后在试剂瓶中倒入100mL蒸馏水（25℃时，电导率28.3μS/cm， pH=6.91），振荡使碘溶解，发现碘绝大部分没有溶解，同时得到浅黄色溶液。

2.3.2 电导率的测量

我们采用DDS11A型电导率仪（手动温度补偿、电极常数0.989）进行电导率的测量。我们预测电导率σ与离子浓度c、温度t和时间x相关： σ=f（c， t， x）;而离子浓度c与温度t、时间x相关： c=g（t， x）。在某一时刻，电导率σ只跟浓度c、温度t相关，即σ=F（c， t）;同时浓度c只随温度t而变，即c=G（t）。因此σ=F[G（t）， t]，或σ=H（t）。现有的电导率仪会将电导率σ统一换算到25℃下，以便于比较。這种换算其实综合了温度t和碘水浓度c两个因素影响。从σ=H（t）， t=G -1（c），可以得出σ=H[G -1（c）]，或σ=S（c），说明电导率σ还可只跟浓度c相关。因此长时间多次所测的电导率σ变化其实也反映了25℃下浓度c的变化。因此需要进行手动测定碘水温度，设定相应补偿温度，这样仪器会把实际所测电导率换算为25℃时对应浓度下的电导率。换算依据为： σ 实际=σ 25[1+α（t 实际-25）]， α=2% [4]。首次打开DDS11A型电导率仪，需设定电极常数为0.989。测量时，仪器先预热30分钟后，用温度计测量观察当时碘水温度并进行相应温度补偿设定，振荡试剂瓶使溶液均匀，将电极置于碘水中测量刚配制的碘水的电导率（已换算为25℃时的值）并记录。此后每过24小时即进行一次电导率的测量（测量前振荡试剂瓶）。经过17天发现碘水电导率逐渐增大，从32.8μS/cm增加到50.8μS/cm。

为了验证H +增多，可以测量实验前后25℃时溶液的pH（因pH计无换算功能，需控制温度）进行验证。在刚配制好的碘水测量完电导率后，控制室温于25℃（房间内空调控制），打开便携式pH计，经过两点校正后，将便携式pH计置于碘水中，测量碘水pH并记录;经过17天，在测量完电导率后，同样控制室温于25℃，将pH计置于碘水中测量碘水pH并记录。

2.3.3 溶解度的估算

为了估算100mL水中溶解了多少碘，我们可以称量实验前后碘单质质量，然后求差值，从而估算出溶解于水中的碘单质质量。浓度c与温度t、时间x相关，c=g（t， x），而某一时刻浓度c只随温度t而变，即c=G（t）。最后控制室温于25℃（消除温度对溶解度的影响，便于比较），将碘水中的水缓慢倒入烧杯中，沥干。将未溶解碘取出，迅速置于滤纸上，滤纸有吸水作用，水分在滤纸上扩散。再取另一张滤纸，在碘颗粒上擦拭吸干碘颗粒上的水分。干燥后，在电子天平上放置一张滤纸，清零，将剩余的碘颗粒转移到滤纸上称其质量m 剩余碘。根据m 溶解碘=m 碘-m 剩余碘可估算出溶解于水中碘的质量。

2.4 原始数据记录

2.4.1 电导率值

注意： 每天不同温度下测得的电导率已经过仪器的手动温度补偿处理，仪器自动换算到25℃的电导率值，见表1。

根据电导率σ（已换算为25℃时的值）与溶液配制时间x的实验数据作关系图，得到电导率（已换算为25℃时的值）σ与配制时间x大致呈线性关系，σ=1.029x+34.792，说明碘水电导率（已换算为25℃时的值）随着配制时间增大而增大，证明碘水的浓度增大了。电导率与时间关系见图1。

图1 碘水电导率与配制时间关系图

2.4.2 溶液pH（25℃）记录

注意： 前后两次都是在25℃下测定。

刚配制好时溶液pH： 6.55。

17天后溶液pH： 5.08。

溶液的pH变小，溶液的酸性有所增强。H +增多，也说明有碘单质逐渐发生反应I 2+H 2OH ++I -+HIO而溶解。碘水浓度增大。

2.4.3 碘的溶解度（25℃）

称量所得碘的质量m 碘： 0.7g。

剩余碘的质量m 剩余碘： 0.5g。

溶解碘的质量m 溶解碘=m 碘-m 剩余碘=

0.7g-0.5g=0.2g。

经过17天，室温25℃下，估算出100mL水（100g）中能溶解0.2g碘单质，可见碘单质溶解度增大了，说明碘水浓度变大了。

2.5 实验现象解释

溶液刚配制时颜色较浅，得不到较高浓度的碘水，是因为刚开始碘单质微溶于水，而反应I 2+H 2OH ++I -+HIO， I 2+I -I - 3缓慢，更多的碘单质溶解需要一定时间;刚刚配制时溶液pH为6.55，17天后为5.08，溶液酸性增强，是因为碘单质与水反应生成氢碘酸和次碘酸，氢碘酸完全解离成H +，导致溶液越来越呈酸性;碘水电导率增大是因为在I -作用下使得碘单质产生诱导偶极，I 2又和I -生成I - 3，碘水中导电离子逐渐增多（主要为H +、 I -、 I - 3）。所以不加KI也能得到浓度较高的碘水，其原理与加KI原理是一致的，两者共同原因都有I 2+I -I - 3的作用。

3 结语

实验证明，仅用蒸馏水与碘配制碘水，经过较长时间放置，浓度逐渐增大，是可以得到较高浓度的碘水的。但现有的多数中学化学教科书中，并未提及上述实验事实。在碘单质的性质教学过程中，我们可以把这个探究实验制作成微课，作为间接化学实验事实 [5]，供中学化学教学参考，也可以供中学生拓展学习，有助于他们消除关于碘单质溶解性的一些不準确的前概念 [6]，促进学生对碘在水中溶解本质的理解，培养学生的实验探究精神。

参考文献：

[1]严宣申，王长富.普通无机化学（第2版）[M].北京： 北京大学出版社，1999： 25.

[2]北京师范大学等.无机化学（下册）（第4版）[M].北京： 高等教育出版社，2001： 470.

[3]武汉大学等.无机化学（下册）（第3版）[M].北京： 高等教育出版社，1994： 523.

[4]张国城.电导率仪温度补偿两套公式的根源及其优劣[J].中国计量，2010，（8）： 87.

[5]刘知新.化学教学论（第4版）[M].北京： 高等教育出版社，2009： 205.

[6]王祖浩等.化学教育心理学[M].南宁： 广西教育出版社，2007： 387，405～406.