“丙酮碘化反应”是研究复杂反应动力学的一个典型物理化学实验，广泛用于国内外本科阶段的物理化学实验教学中。该实验通过测定反应体系的吸光度与反应时间的关系确定反应速率，通过改变反应物浓度获得反应级数，进而可获得反应速率常数、反应活化能等信息^[1]。

在实际教学中，我们发现该实验存在以下问题：(1) 反应温度与吸光度测量温度不一致。对于未配置恒温比色架的分光光度计，需要学生定时将恒温水浴中的反应液转移到比色皿，并测试吸光度。转移过程、测试过程的温度均与反应温度不一致。即使配置了恒温比色架，仍然无法避免转移过程导致的温度变化。(2) 吸光度数据读取时间与实际反应进程不同步。当反应在较高温度下进行时，吸光度变化较快，难以保证对应时间的准确性。(3) 由于无法对比色皿中反应液进行搅拌，因而反应液混合程度、温度均匀程度都对实验结果产生较大影响。(4) 反应液转移过程中，盐酸挥发易导致实验者眼部流泪、打喷嚏、流鼻涕、咳嗽等问题。(5) 分光光度测试过程中，盐酸挥发使分光光度计易被腐蚀。(6) 为保证学生有足够操作时间，该反应通常在25 ℃下进行。然而该温度下普通恒温水浴难以满足控温要求。当反应在35 ℃下进行时，反应液在5–8 min内即呈现无色，因此必须配备恒温比色系统。这些问题对丙酮碘化实验的硬件设备提出较高要求。

针对丙酮碘化反应实验中存在的具体问题，我们在设计原位玻璃反应器基础上，构建了基于智能手机的比色检测系统，并提出了相应的检测方法。与传统实验相比，改进的丙酮碘化反应实验具有以下特点：(1) 丙酮碘化反应在玻璃反应器中进行，利用手机对反应状态进行了实时原位监测，反应温度由循环水浴控制。该装置解决了传统实验中因反应液转移造成的温度不一致问题，消除了盐酸挥发对实验仪器和实验人员的影响，通过磁力搅拌解决了反应的传热、传质问题。(2) 通过手机实时记录反应体系颜色变化，实现实验数据的准确采集，消除数据读取与实际反应进程不一致的问题。(3) 将图片RGB信息与碘浓度关联，实现了基于比色法的碘浓度定量分析。(4) 通过自主搭建测试装置，在提高实验趣味性的同时，深化学生对吸光光度法定量分析的原理理解。

丙酮碘化反应是一个复杂反应，其总包反应为：

(1)

假设该反应的反应速率方程为：

(2)$ −{\rm{d}}C_{碘}/{\rm{d}}t = kC^{x}_{丙酮}C^{y}_{酸}C^{z}_{碘} $

其中k为反应速率常数；C_丙酮、C_酸、C_碘分别为丙酮、氢离子、碘的浓度(mol∙L⁻¹)；x、y、z分别代表丙酮、氢离子和碘的分级数。将该式取对数得：

(3)$ \lg(−{\rm{d}}C_{碘}/{\rm{d}}t) = \lg k + x\lg C_{丙酮} + y\lg C_{酸} + z\lg C_{碘} $

实验表明，该反应的速率几乎与卤素的种类及其浓度无关，但却与溶液中的丙酮和氢离子浓度密切相关，故z = 0。固定C_酸、C_碘浓度不变，改变C_丙酮浓度，并测定相应混合体系的反应速率(−dC_碘/dt)。以lg(−dC_碘/dt)对lgC_丙酮作图，所得直线的斜率即为x值。同理，保持C_丙酮、C_碘浓度不变，改变C_酸浓度，可以得到y值。

根据式(3)，由反应级数、反应速率和浓度数据可以算出速率常数k。改变反应温度进行同样测定，可得到另一反应温度下的k值。根据Arrhenius方程，可得反应活化能E_a。

在化学分析中，可以用比较颜色的深浅来测定溶液中该种有色物质的浓度，这种测定方法称为比色分析法^{[2, 3]}。在本实验中，利用手机拍摄反应体系的颜色变化，通过ImageJ软件或手机“实时取色器”APP获取图像的红色(R)、绿色(G)、蓝色(B)强度数值，根据式(4)计算R、G、B归一化后G的比例G_n：

(4)$ {{\rm{G}}_{n{\rm{ }}}}{\rm{ = G/(R + G + B)}}$

2.000 mol∙L⁻¹丙酮溶液(准确配制)，2.000 mol∙L⁻¹ HCl溶液(标定)，2.000 × 10⁻² mol∙L⁻¹碘溶液(标定)。

玻璃夹套反应瓶1个，100 mL锥形瓶8个，50 mL容量瓶16个，5 mL移液管3支，10 mL移液管3支，恒温水浴，磁力搅拌器，LED光源(色温9000 K，3 W)；智能手机，ImageJ公共图像处理软件或手机“实时取色器”APP。

改进的比色测试系统如图 1所示。在黑色内壁的纸板箱一端开孔；将手机摄像头对准开孔处并贴紧固定；将连接好恒温循环水浴的玻璃夹套反应器置于磁力搅拌器上，并对准光路。为了避免测量值的波动，系统在组装后保持固定。

① 配制一系列浓度在2.000 × 10⁻⁴–1.600 × 10⁻³ mol∙L⁻¹的碘溶液。

② 用手机拍摄30 ℃、35 ℃碘溶液在玻璃夹套反应器中的颜色状态。

③ 计算图片R、G、B信息，得到对应G_n，并绘制C_碘–G_n工作曲线。

对于ImageJ软件，使用“Rectangle”选取图片分析区域，随后用“Analyze”功能中的“Color Histogram”即可统计出该区域的RGB信息。对于手机“实时取色器”APP，须选取分析区域中多点的RGB信息，并求平均值。

① 打开循环水浴，设定水浴温度30 ℃；碘溶液在30 ℃下恒温。

② 按表 1中体积，在50 mL容量瓶中加入盐酸溶液、丙酮溶液以及30 mL蒸馏水，30 ℃下恒温。

③ 在容量瓶中加入表 1中对应体积的碘溶液，用蒸馏水定容。

④ 将反应液加入到玻璃夹套反应器中，开始计时。

⑤ 每2 min拍摄反应液颜色状态(也可采用录影模式)。

⑥ 清洗、润洗反应器后，按照上述方法对其余体系进行测量。

⑦ 设定反应温度35 ℃，重复上述测量步骤。

实验分别测定30 ℃、35 ℃下，浓度在2.000 × 10⁻⁴–1.600 × 10⁻³ mol∙L⁻¹的碘溶液的颜色状态。用ImageJ软件或“实时取色器”APP对相关图片进行RGB分析，并按照式(4)计算G_n，结果如表 2所示。

根据表 2中C_碘与G_n数值，建立C_碘–G_n工作曲线，并进行线性拟合。结果如图 2所示，C_碘在4.000 × 10⁻⁴–1.600 × 10⁻³ mol∙L⁻¹范围之内时，C_碘与G_n具有良好的线性关系。但在2.000 × 10⁻⁴ mol∙L⁻¹浓度时，出现了与Beer定律相似的吸光度与浓度的偏离。

测定表 1中各体系不同时间的颜色状态，并进行RGB分析，得到G_n与反应时间的关系。30 ℃、35 ℃下1–7号反应体系G_n与反应时间关系如图 3所示。

从工作曲线拟合结果可知，C_碘在4.000 × 10⁻⁴–1.600 × 10⁻³ mol∙L⁻¹范围与G_n有良好线性关系。因此，各体系的反应速率可以用G_n与反应时间的关系表示，其中b为工作曲线斜率：

(5)$ −{\rm{d}}C_{碘}/{\rm{d}}t = ({\rm{d}}G_{n}/{\rm{d}}t) × (1/b) $

对于1–4号反应体系，可认为C_丙酮、C_碘浓度固定，C_酸浓度改变。因此以lg(−dC_碘/dt)对lgC_酸作图，线性拟合斜率为酸的分级数y。同理，对于1、5、6、7号反应体系，可认为C_酸、C_碘浓度不变，只改变了C_丙酮浓度。因此，以lg(−dC_碘/dt)对lgC_丙酮作图，线性拟合所得斜率即为丙酮的分级数x。结果如图 4所示。

将反应级数、相应的反应速率和C_丙酮、C_酸带入反应速率方程(式(3))，可得到不同反应温度下的反应速率常数。根据Arrhenius方程计算得到反应的活化能E_a。结果如表 3所示，本改进实验所得反应分级数接近1，活化能E_a = 85.0 kJ∙mol⁻¹，与从文献速率常数计算得到的反应活化能86.2 kJ∙mol⁻¹接近^[1]。

线上虚拟仿真实验教学中，我们发现“丙酮碘化反应”虚拟仿真实验并不能直观模拟出反应体系吸光度与时间关系。为此，我们提出了真实实验数据处理与线上虚拟仿真实验相结合的教学模式。实验教师对实验颜色变化进行视频录制，并将视频发送给学生。学生通过Potplayer共享播放器进行截屏，通过ImageJ软件读取截屏图像RGB信息，按照本实验方法进行数据分析与计算。视频图像不但真实反映了丙酮碘化过程中因碘浓度降低导致的颜色变化，还使学生直观了解了碘浓度对溶液吸光性能的影响，激发了学习兴趣。

根据“丙酮碘化反应”实验中存在的问题，本改进实验在设计新型玻璃夹套反应器基础上，构建基于智能手机的比色分析系统，建立符合“丙酮碘化反应”的检测方法。改进后的实验避免了盐酸挥发引起的仪器腐蚀和对人体的刺激，提高了实验结果准确度，加深了学生对Lamber-Beer定律及比色分析的理解。