二氧化氮與淀粉碘化鉀反應的研究
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作者:張磊
摘要：在高中階段有時會用淀粉碘化鉀試紙來檢驗二氧化氮氣體，而實際操作過程中往往使用的是濕潤的淀粉碘化鉀試紙，濕潤后，二氧化氮遇水會產生具有氧化性的硝酸，也可能會氧化碘離子。針對此問題，通過化學實驗來探究到底是二氧化氮還是生成的硝酸使淀粉碘化鉀試紙變藍？實驗結果表明：該過程中，是二氧化氮使濕潤的淀粉碘化鉀試紙變藍的。關鍵詞：二氧化氮；淀粉碘化鉀試紙；氧化；實驗探究
文章編號：1008-0546（2023）03-0094-04 中圖分類號：G632.41 文獻標識碼：B
doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2023.03.020
一、問題提出
在學習二氧化氮的性質時，學生常常遇到這樣一個問題：能不能用淀粉碘化鉀試紙檢驗二氧化氮氣體呢？二氧化氮氣體具有氧化性，可以將碘離子氧化成碘分子使淀粉變藍，所以應該可以用淀粉碘化鉀試紙來檢驗二氧化氮氣體。也有一些中學化學老師認為這是常識。[1]
但學生指出，在實際操作過程中必需使用濕潤的淀粉碘化鉀試紙，為什么一定要用濕潤的試紙呢，如果濕潤則不可避免二氧化氮遇水會生成強氧化性酸――硝酸，生成的稀硝酸是否也能使淀粉碘化鉀試紙變藍呢？[2]針對以上兩個問題，特作以下理論分析和實驗探究。
二、理論分析
查閱標準電極電勢，已知在酸性條件下：I2+2e-=2I-，φθ（I2/I-）=0.536 V；NO2+2H++2e-=NO+H2O，φθ（NO2/ NO）=1.035 V；HNO3+3H++3e-=NO+2H2O，φθ（HNO3/ NO）=0.957 V，則：
對于二氧化氮氧化碘離子的反應 H2O+NO2+2I-= NO +I2+2OH-的ΔEθ=φθ（NO2/NO）-φθ（I2/I-）=1.035-0.536=0.499 V，據 nFEθ=RTlnK1算得其平衡常數 K1≈7.5×1016。平衡常數 K1很大，可知在酸性條件下，二氧化氮很容易氧化I-，這就是可以用淀粉碘化鉀試紙檢驗二氧化氮氣體的理論依據。
而對稀硝酸氧化碘離子的反應8H++2NO3（-）+6I-=2NO+3I2+4H2O 的ΔEθ=φθ（HNO3/NO）-φθ（I2/I-）=0.957-0.536=0.421 V，求得平衡常數 K2≈5.1×1042。反應平衡常數 K2更大，說明稀硝酸更容易氧化I-，這就可能對二氧化氮氣體的檢驗造成干擾。
但需要注意的是，通過上述熱力學方法進行計算只能從理論的角度分析該反應能否發生以及反應可能進行的程度。理論上有可能反應不代表現實中一定反應，還必須要考慮化學動力學因素的影響。為了進一步確定稀硝酸溶液能否氧化碘化鉀，配制不同濃度的硝酸溶液，分別用淀粉碘化鉀試紙檢驗，通過觀察現象，根據淀粉碘化鉀試紙的顏色變化，明確稀硝酸與碘化鉀反應的原理。
三、儀器及藥品
儀器：燒杯，淀粉碘化鉀紙，50 mL容量瓶，各種規格的移液槍，三通閥，儲氣袋（圖1a），針筒（圖1b）等。
藥品：淀粉溶液，碘化鉀固體，二氧化氮氣體，去離子水，甲醇，不同濃度硝酸溶液等。
四、實驗探究
1.實驗探究1――二氧化氮與不同條件下的淀粉碘化鉀試紙反應
實驗目的：將淀粉碘化鉀試紙通過不同的方式進行預處理，再分別與二氧化氮氣體接觸，觀察二氧化氮與不同條件下的淀粉碘化鉀試紙反應。
實驗1：取三張淀粉碘化鉀試紙，一張保持干燥，一張用甲醇潤濕，一張用去離子水潤濕，將三張試紙分別靠近二氧化氮氣體，觀察現象。如圖2所示，被水潤濕的淀粉碘化鉀試紙很快變藍，另外兩張略顯黃色。
由實驗1中的現象可知，淀粉碘化鉀試紙只有在被水潤濕的條件下才能被二氧化氮氧化變色，干燥或甲醇潤濕的略顯黃色，可能是附著或者溶解的二氧化氮所致，所以在實際檢測時必需用水潤濕。
2.實驗探究2――不同濃度的硝酸能否使濕潤的淀粉碘化鉀試紙變藍
實驗目的：檢驗不同濃度的硝酸溶液能否使淀粉碘化鉀試紙變藍。
實驗2：分別配制0.1 mol/L、0.2 mol/L、0.4 mol/L、0.8 mol/L、1.6 mol/L、3.2 mol/L等不同濃度的硝酸溶液，分別與淀粉碘化鉀試紙反應，實驗結果如表1所示。
由實驗2中的現象可知，稀硝酸溶液可以使淀粉碘化鉀試紙變藍，但顏色變化不是很明顯，直至濃度達到3.2 mol/L時，需要反應一段時間后才出現明顯變化，并且隨著硝酸溶液濃度的增加顏色越來越深（如圖3），可知硝酸的氧化性和濃度成正比，濃度越大氧化性越強。當遇到濃硝酸時，淀粉碘化鉀試紙先明顯變藍后褪色，可知濃硝酸的氧化性漂白使得顏色褪去。而在
實際檢驗二氧化氮氣體時，由于二氧化氮溶于水的生成的硝酸濃度比較小，[3]氧化性不夠強，反應緩慢，顏色變化不會太明顯，所以不會影響二氧化氮的檢驗。
3.實驗探究3――二氧化氮分別與淀粉碘化鉀水溶液、淀粉碘化鉀甲醇溶液反應
實驗目的：探究實驗中溶劑對二氧化氮氧化碘化鉀的影響。
實驗3：稱取兩份質量為0.10 g 的碘化鉀固體于兩個燒杯中，其中一個燒杯加入6 mL去離子水，另一個燒杯加入6 mL 甲醇。在兩個燒杯中分別通一定量的二氧化氮氣體，滴加2-3 d淀粉水溶液，觀察顏色變化（圖4，圖5）。用水做溶劑的燒杯中溶液由無色變為藍色，有甲醇的燒杯中未出現顏色變化。
由實驗3中的現象可知，水作溶劑時，二氧化氮氣體可以將碘化鉀氧化成碘分子，碘遇淀粉溶液變藍；而有機物質作溶劑時，二氧化氮氣體不能將碘化鉀氧化成碘分子，加入淀粉溶液不變色。
4.實驗探究4――二氧化氮與碘化鉀水/甲醇溶液反應
實驗目的：探究水在二氧化氮氧化碘化鉀實驗中的重要作用。
實驗4：稱取八份質量為0.10 g 的碘化鉀固體于八個燒杯中，都先用3 mL 甲醇將其溶解，再如表2所示，向每個燒杯中加入不同體積的去離子水（0μL，20μL，40μL，80μL，200μL，500μL，1000μL，3000μL）；配好溶液后分別通一定量的二氧化氮氣體，滴加2-3 d 淀粉水溶液，觀察顏色變化（如表2所示）。
由實驗4中的現象可知，在沒有水的條件下，二氧化氮氣體不能將碘化鉀氧化成碘分子使淀粉變藍，但溶液會變黃，可能是溶解二氧化氮所致（圖6a，圖7a）；當遇到水和甲醇組成的混合溶劑時，二氧化氮可以將碘離子氧化，但生成的碘分子遇到淀粉是否變藍，取決于水和甲醇的相對含量。若水的含量較低，則有機溶劑甲醇占主導地位，碘遇淀粉顯色不明顯；反之，若水的含量比較多，則水占主導地位，碘遇淀粉可以變藍，當水的含量在50%左右時顯色較為明顯（圖6，圖7）。
值得深思的是，在滴加淀粉溶液時會觀察到一特殊現象：即滴加淀粉溶液瞬間，與淀粉水溶液接觸的區域會立刻變藍，這是因為在有大量水存在的條件下，碘離子被溶解的二氧化氮氧化成碘分子遇淀粉變藍；振蕩之后藍色褪去，但生成的碘分子使溶液顏色加深。由于碘分子在甲醇中的溶解度比在水中大，溶解在甲醇中不能和淀粉結合顯藍色（圖8）。此即表明，碘遇淀粉是否呈現藍色，關鍵在于所使用的溶劑――水。[4]
5.實驗結論
?。?）為什么淀粉碘化鉀試紙使用前一定要潤濕？多年來，碘分子與淀粉發生顯色反應的顯色原理一直是人們研究討論的重要話題，其中最主要的原因是淀粉與碘分子形成碘－淀粉包合物而顯示特殊的藍色。天然淀粉中含有20%～30%的直鏈淀粉，直鏈淀粉能溶于熱水而不形成糊狀，它是由葡萄糖分子脫水而成的鏈狀化合物，借分子內氫鍵卷曲成螺旋狀結構，每個葡萄糖單元仍有羥基暴露在外，碘分子與這些羥基通過分子間作用力相互作用而嵌入到螺旋結構的空隙處，借范德華力結合成為藍色管道型包合物，[5]由于水的存在增強了碘分子與淀粉間的分子間作用力，有利于形成藍色包合物，同時在水的幫助下可以形成自由移動的碘離子，從而更易發生氧化還原反應，所以在淀粉碘化鉀試紙使用前一定要用水濕潤。
?。?）通過上面一系列實驗可知，稀硝酸可以氧化碘離子雖然在熱力學上是可行的，但是由于實際條件下，氧化碘離子的不是硝酸根，而是它與碘離子形成的中間體，由于硝酸根比較穩定，要到中間體的勢壘高度太高，所以動力學上很慢，反映到實驗中，就是氧化反應進行比較緩慢，顏色變化不會太明顯，正如《無機元素化學》上所說“2HNO2+2I-+2H+=2NO+I2+2H2O這個反應可用于鑒定稀溶液中亞硝酸根和硝酸根（稀溶液中硝酸根不能氧化碘離子，亞硝酸根可以氧化碘離子，這是NO3（-）和NO2（-）的重要區別之一），[6]所以因二氧化氮溶于水而形成的稀硝酸在檢驗二氧化氮氣體過程中不會產生影響。
五、總結
該實驗研究起源于學生在學習途中所遇到的問題，當學生面臨新授知識與已有認知發生沖突時，引導學生利用文獻調研、實驗探究來解決相關問題并成功探究了用濕潤的淀粉碘化鉀試紙鑒別二氧化氮的合理性。在實驗分析過程中，學生需要先了解二氧化氮和稀硝酸等物質的化學性質，在此基礎上選擇控制變量法，系統地、全面地研究水在反應過程中起到的重要作用。因此，在整個實驗探究過程中，有利于加深Χ氧化氮、稀硝酸等物質性質的認識，有利于促進現象、問題與結論之間的思考，有利于建立理論與現實之間的聯系，有利于培養從多角度認識化學變化過程的思維方式，也為學生開辟出一條化學學習的新思路，促進化學學習方式的轉變，最終提升學生化學學科核心素養。
參考文獻
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[4]王瑛.淀粉遇碘都顯藍色嗎[J].化學教學，2007（1）：75-76.[5]袁傳軍.碘―淀粉顯色作用的實驗探究[J].化學教育（中英文），2020（21）：55-58.
[6]朱亞先.無機元素化學學習指導[M].北京：科學出版社，2010.
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