l2与水溶性高分子显色体系的探究

刘红瑜，原思浩，金谷

1化学国家级实验教学示范中心(中国科学技术大学)，合肥 230026

2中国科学技术大学化学与材料科学学院，合肥 230026

3中国科学技术大学少年班学院，合肥 230026

I2遇淀粉显蓝色是一个非常灵敏的显色反应，这一方法常常被用来相互定性检验溶液中I2和淀粉的存在。学生通常知道该反应是一个定性反应，对于其在定量方面的应用还未涉猎。因此我们设计了一个探究实验，以此拓宽学生的理论和实验技能，同时让学生学会如何利用所学知识建立新的分析方法。

有文献用此显色反应定量测定食盐中的I2含量[1]，也有用此显色反应定量测定烟草中的淀粉含量，测定波长从580 nm到620 nm[2]。本反应非常复杂，没有固定的摩尔比，是一个可逆反应，当其中一个反应物的量一定时，随着另一个反应物量的增加，生成的复合物的量也在增加，溶液的颜色变深。对于稀溶液只在一定范围内符合朗伯-比尔定律，用此显色反应测定I2和淀粉的含量时，标准系列溶液配制应非常严格，外界因素对此反应的影响非常大。I2和淀粉的显色反应比较复杂，I2分子进入淀粉螺旋圈内，形成淀粉-I2复合物，直链淀粉为蓝色，支链淀粉为紫红色[3]。直链淀粉的构像是卷曲盘绕的螺旋形，每转一圈约含 6个葡萄糖单位，同时，主链上还有少数分支[3]。聚乙烯醇(PVA)具有和淀粉相似的高聚多羟基结构，可以形成和 I2-淀粉体系类似的电荷转移复合物而显色。加入硼酸时，该显色反应具有比较稳定且定量的性质[4]，常用于测定退浆废水中PVA含量的测定[5]。本实验就下述问题展开了探究：(1) I2和淀粉反应过程中，对淀粉浓度和I2浓度对显色反应的影响进行研究，得出测定浓度的上下限和最佳显色浓度；(2) I2-PVA-硼酸体系中，显色剂(PVA、硼酸)的比例、浓度，I2的浓度对体系的影响，以及最佳显色浓度；(3) pH、最大吸收波长、反应时间等条件的优化。本实验探究性强，有利于培养学生的综合创新能力，同时能让学生学会独立建立新的分析方法。

1 实验目的

探究I2-淀粉体系、I2-PVA-硼酸体系能否成为定量测定I2、PVA的方法。

2 实验原理

淀粉由直链淀粉和支链淀粉组成，这两部分在结构和性质上有所不同。直链淀粉相对分子质量较小，可溶于热水形成胶体溶液。支链淀粉相对分子质量比直链大得多，不溶于冷水，热水中膨胀成糊状。

现代科学已经通过X射线、红外光谱等先进的科学技术手段，证明了I2与淀粉显色原因。除了考虑到淀粉会吸附I2外，主要是由于形成了“淀粉-I2包合物”的结构：螺旋状的直链淀粉外侧有葡萄糖基暴露的部分羟基，这些羟基与I2分子作用，使I2分子嵌入淀粉螺旋体的轴心部位，与圈内6个葡萄糖基配位，形成包合物。该物质改变了原先的吸光性能，可以吸收除蓝光外波长范围为400-750 nm的可见光，故I2和直链淀粉溶液作用成蓝色。

3 试剂和仪器

3.1 试剂

淀粉、I2、KI、PVA、硼酸溶液、氨水、氯化铵、醋酸、醋酸钠、盐酸，试剂均为分析纯，购自国药集团化学试剂有限公司。

3.2 仪器

722可见光分光光度计(上海精密科学仪器有限公司)。

3.3 溶液配制

(1) 2.000 g·L−1淀粉标准溶液的配制。

称取0.5000 g可溶性淀粉于500 mL干净烧杯中，用蒸馏水打湿，搅匀，加入50 mL沸腾的蒸馏水，搅拌均匀，在电炉上再保持沸腾5 min，拿下，再加入蒸馏水50 mL，搅拌冷却至室温后转移至250 mL无色容量瓶中，用蒸馏水定容。

(2) 淀粉体系 2.000 g·L−1I2溶液的配制。

称取0.5000 g I2和1.25 g碘化钾，放入500 mL烧杯中，加蒸馏水溶解，转移至250 mL棕色容量瓶中，用蒸馏水定容。

(3) 0.2000 g·L−1I2溶液的配制。

移取(2)中标准溶液10.00 mL于100 mL棕色容量瓶中用蒸馏水定容。

(4) 0.101 g·L−1PVA 标准溶液。

准确称取0.0101 g PVA (聚合度为175)溶于80 mL热水中，冷却后移入100 mL容量瓶，定容。

(5) PVA 体系中 1.617 g·L−1I2溶液的配制。

称取0.1617 g I2和1.25 g碘化钾，定容至100 mL棕色容量瓶中。

(6) 39.55 g·L−1硼酸溶液的配制。

称取3.9550 g硼酸，溶解定容至100 mL容量瓶中。

(7) 显色剂的配制。

I2溶液(1.617 g·L−1)/硼酸溶液(39.55 g·L−1)体积比为 3 : 3、3 : 5、3 : 7。

4 实验过程及结果讨论

4.1 l2-淀粉体系

4.1.1 吸收曲线

取1.00 mL 0.2000 g·L−1I2溶液、5.00 mL pH 5.0的醋酸-醋酸钠缓冲溶液、1.00 mL淀粉标准溶液于25 mL容量瓶，定容。摇匀后从680 nm开始，到510 nm，每隔5-10 nm测一次吸光度。吸收曲线如图1所示。可以看出，最大吸收波长为610 nm。

图1 I2-淀粉的吸收曲线

4.1.2 反应时间

取4.00 mL 0.2000 g·L−1I2溶液，50.00 mL淀粉标准溶液于100 mL容量瓶，定容，定容后淀粉浓度为 1.000 g·L−1、I2溶液浓度为 0.0080 g·L−1，每 30 min 测一次吸光度。

如图2所示，一开始，吸光度有微小变化，20 min后，吸光度不发生明显变化。混合各反应物后，需要一定时间来形成稳定的淀粉-I2包合物。因此，反应20 min后认为显色体系基本稳定，测得吸光度准确。

图2 I2-淀粉显色反应的吸光度和时间的关系

4.1.3 pH对显色体系的影响

取 1.00 mL 0.2000 g·L−1I2溶液，加入 5.00 mL 不同 pH 的缓冲溶液，1.00 mL 2.000 g·L−1淀粉溶液于25 mL容量瓶，定容，分别测定其吸光度。

如图3所示，中性、弱碱性条件下体系显淡蓝色，检测不灵敏；强碱性条件下，I2发生歧化反应故体系中基本没有I2存在；强酸性条件(pH 1.0)条件下，淀粉部分水解为糊精，与I2形成的包合物为红色，故体系呈蓝色和红色的混合色，即蓝紫色；pH 3.0-5.0的条件下，淀粉和I2都稳定存在，并结合形成蓝色包合物。因此弱酸性条件是理想的显色条件。

图3 pH对显色体系的影响

4.1.4 淀粉浓度对定量测定l2的影响

在不同淀粉浓度时测定 I2的工作曲线找出最佳淀粉浓度。由图 4可见，淀粉浓度为 0.1000、0.2000 g·L−1时，工作曲线线性较差，可以看到吸光度有趋于饱和的趋势。浓度为0.4000 g·L−1时，虽然线性较好，但吸光度太大，容易超量程。故选取淀粉浓度0.3000 g·L−1(用量3.75 mL)。

图4 不同淀粉浓度时I2的工作曲线

4.1.5 l2浓度对定量测定淀粉的影响

在不同I2浓度时测定淀粉工作曲线找出最佳I2浓度。对比图5中的四条曲线，可以发现当I2浓度大于等于 0.0080 g·L−1时，淀粉的线性范围在 0.0000-0.0120 g·L−1之间；对比 I2浓度分别为 0.0080、0.0120、0.0160 g·L−1时的曲线，I2浓度为 0.0120 g·L−1时线性关系较好，测定比较准确。

图5 不同I2浓度时淀粉的工作曲线

4.2 l2-PVA-硼酸体系

4.2.1 吸收曲线

取PVA标准溶液5.00 mL，加入6.00 mL显色剂(配制方法见3.3小节(7))，稀释至25.00 mL，定容后PVA浓度为0.0203 g·L−1、I2浓度为0.3880 g·L−1，摇匀显色15 min，以PVA体积为0.00 mL的溶液作参比，测定范围590-750 nm。如图6所示，最大吸收波长在660 nm处。

图6 I2-PVA-硼酸体系的吸收曲线

4.2.2 吸光度随时间变化

取2.25 mL I2溶液，50.00 mL PVA标准溶液于100 mL容量瓶，定容，定容后PVA浓度为0.0507 g·L−1、I2浓度为0.0364 g·L−1，每隔一定时间测一次吸光度。如图7所示，吸光度在15 min之后保持不变，故实验中要静置混合液15 min后再测定。

图7 I2-PVA-硼酸体系吸光度随时间的变化曲线

4.2.3 探究显色剂最佳比例

因为I2-PVA-硼酸显色体系中，I2起到显色的作用，而硼酸通过B和PVA的羟基形成配位键而增强显色的效果。我们采取固定I2体积(2.25 mL)而改变硼酸体积的方式探究最佳比例。制成二者体积比为3 : 3、3 : 5、3 : 7的显色剂，在最大吸收波长处测PVA的工作曲线，对比图8中的三条曲线，可以发现I2和硼酸的体积比为3 : 7时线性关系最好(图8)。

图8 不同显色剂比例下PVA的工作曲线

4.2.4 探究最佳显色剂体积

固定I2和硼酸的体积比为3 : 7，在不同显色剂体积时测定PVA的工作曲线找出最佳的显色剂体积。对比图9中的曲线，可以看出当显色剂用量为5.00 mL、7.50 mL时，PVA的线性范围为0-0.0160 g·L−1，用10.00 mL显色剂时线性范围可扩大至0-0.0200 g·L−1。故在测量时可以根据需求选择，需要测0.0160-0.0200 g·L−1可以用10.00 mL显色剂，0.0160 g·L−1以下时用7.50 mL显色剂即可得到满意结果。

图9 不同显色剂体积时PVA的工作曲线

4.3 实验结论

(1) 由于淀粉、PVA具有多羟基结构，可以和I2络合形成电荷转移配合物而显色，使用分光光度计可以进行定量测定。

(2) 在淀粉-I2测量体系中，最大吸收波长为610 nm。

(3) 使用弱酸性体系比较理想。

(4) 体系不宜静置太久，且控制显色时间尽量相同，可能因为淀粉会缓慢水解，导致吸光度缓慢上升。

(5) 测定 I2时，I2的线性范围在 0-0.0120 g·L−1，淀粉浓度 0.3000 g·L−1为最佳。

(6) 测定淀粉时，淀粉的线性范围在 0-0.1200 g·L−1，I2浓度 0.0120 g·L−1为最佳。

(7) 在I2-PVA-硼酸测量体系中，最大吸收波长为660 nm；

(8) 体系最好静置15 min。

(9) PVA 线性范围为 0-0.0160 g·L−1。

(10) PVA体系中显色剂最佳配比是I2和硼酸的体积比为3 : 7。待测PVA浓度在0.0160 g·L−1以下时，I2浓度为0.1455 g·L−1、硼酸浓度为8.306 g·L−1即可得到很好的结果。待测PVA浓度为0.0160-0.0200 g·L−1时，I2浓度为 0.1940 g·L−1、硼酸浓度为 11.07 g·L−1能获得较好的结果。

5 实验注意事项

(1) 实验中用到的淀粉和PVA均为高分子化合物，不易溶解，学生在配制其溶液时应该先调成糊状，然后再少量多次加水，便于其溶解。

(2) I2不稳定，所以其溶液应该在棕色试剂瓶中密封保存。

6 实验组织运行建议

(1) 本实验是一个综合探究实验，主要是培养学生自主建立分析方法的能力，适于面向化学院及地球和空间科学学院二年级本科生开设。小班开课，每个班16人左右，建议采用分组形式开展，4人一组开展本实验。该实验运行一轮，分两次课完成，每次时间大概6 h。建议教师课前引导学生开展文献调研，同时教师和助教也应在课前做好预备实验。

(2) 实验讲解采用分组讨论式。

(3) 实验报告要求学生详细记录不同条件下的测定结果，通过对比并结合文献，确定最佳的测定条件及有效的标准曲线。

(4) 需要单独组织学生对实验结果进行课堂汇报，并对实验过程中出现的各种实验结果进行讨论。

7 结语

本文介绍了一个分析化学探究实验。通过分光光度法，分别探究了淀粉和聚乙烯醇(PVA)两种水溶性高分子与I2构成显色体系在不同反应pH、反应温度、反应物浓度、反应时间等条件下显色结果的差异，从而确定该显色体系的最佳反应条件；进一步绘制出吸光度工作曲线，讨论了该显色体系用于物质定量测量的合理性。该实验探究性较强，非常有利于培养学生的综合实验能力，尤其是有利于培养学生自主建立新的分析方法的能力。本实验已经在中国科学技术大学化学与材料科学学院开设了4年，学生评价通过做该实验他们学会了自己建立新的分析方法，为以后的学习和工作打下了坚实的理论和实验基础，该实验项目非常值得推广。