大学化学, 2021, 36(2): 1912074-0 doi: 10.3866/PKU.DXHX201912074

化学实验

I2与水溶性高分子显色体系的探究

刘红瑜,1, 原思浩3, 金谷2

Study on the Colour Reaction System of Iodine and Water-Soluble Polymer

Liu Hongyu,1, Yuan Sihao3, Jin Gu2

通讯作者: 刘红瑜, Email: liuhyhx@ustc.edu.cn

收稿日期: 2019-12-30   接受日期: 2020-01-9  

基金资助: 2018年度中国科学技术大学本科教学研究项目.  2018xjyxm12

Received: 2019-12-30   Accepted: 2020-01-9  

Abstract

This paper introduces a comprehensive inquiry experiment. Two water-soluble polymers, starch and polyvinyl alcohol (PVA), were selected to form a color developing system with iodine. By spectrophotometry, the effects of different reaction conditions, such as pH, reaction temperature, concentration of reactants and reaction time, on the color rendering results were investigated, and the optimum reaction conditions were determined. The working curve of absorbance was constructed and the application of the color rendering system was discussed. Rationality of quantitative measurement of substances.

Keywords: Color reaction ; Iodine ; Starch ; PVA ; Quantitative analysis

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刘红瑜, 原思浩, 金谷. I2与水溶性高分子显色体系的探究. 大学化学[J], 2021, 36(2): 1912074-0 doi:10.3866/PKU.DXHX201912074

Liu Hongyu. Study on the Colour Reaction System of Iodine and Water-Soluble Polymer. University Chemistry[J], 2021, 36(2): 1912074-0 doi:10.3866/PKU.DXHX201912074

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-1 I2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-1 I2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-1 PVA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-1 I2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 I2-淀粉体系

4.1.1 吸收曲线

取1.00 mL 0.2000 g·L-1 I2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

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-1 I2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。

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

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-1 I2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。

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

图3   pH对显色体系的影响


4.1.4 淀粉浓度对定量测定I2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

图4   不同淀粉浓度时I2的工作曲线


4.1.5 I2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

图5   不同I2浓度时淀粉的工作曲线c


4.2 I2-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

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

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

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

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。

参考文献

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理化检验

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