淀粉與碘水自然擴散顯色反應(yīng)過程的研究

楊興+張恒強+吳瓊

摘要：用液膜自然擴散微型實驗方法，研究淀粉與碘的呈色反應(yīng)。使用了自制的點滴皿，每次實驗取用滴量的淀粉溶液和碘水，使反應(yīng)物的溶液滴形成互相擴散的膜，從而提高透視度和分辨率。物質(zhì)在液膜內(nèi)自然擴散反應(yīng)過程中，隨著物質(zhì)的量的規(guī)律性的變化，形成從反應(yīng)物經(jīng)中間物到生成物自然連續(xù)變化的對比現(xiàn)象。此方法能充分反映“不同淀粉與碘水自然擴散過程中的呈色現(xiàn)象規(guī)律”，便于觀察，有利于直接投影演示實驗教學(xué)，也便于直接拍攝記錄實驗過程中的規(guī)律現(xiàn)象，作為教學(xué)插圖和研究資料。此實驗減少了淀粉與碘的用量，減輕了對環(huán)境的污染，提高了綜合實驗效果。

關(guān)鍵詞：點滴皿；液膜自然擴散；微型實驗；淀粉；碘水

文章編號：1005–6629（2015）10–0059–06 中圖分類號：G633.8 文獻標識碼：B

淀粉和碘是人們?nèi)粘Ｉ钪薪?jīng)常用到的物質(zhì)，淀粉溶液遇碘呈現(xiàn)特征顏色的性質(zhì)，經(jīng)常應(yīng)用在實驗教學(xué)中，有關(guān)淀粉與碘顯色反應(yīng)的研究也層出不窮[1～4]。多年來，我們在綠色化學(xué)理念下，根據(jù)實驗教學(xué)需要，不斷吸取各方面的實驗經(jīng)驗[5，6]，在研究使用傳統(tǒng)實驗儀器和方法的同時，逐漸探索實施每次實驗既用少量（一般0.05～0.15mL）的化學(xué)試劑，又能突出實驗效果的“液膜自然擴散微型實驗方法”，結(jié)合實驗方法研制出新儀器——“微型化學(xué)實驗反應(yīng)器皿”（簡稱“點滴皿”，已經(jīng)申報并獲得國家專利[7]），并將其應(yīng)用于淀粉與碘水顯色反應(yīng)過程的研究。首先用“液膜自然擴散實驗方法”探討了常見的淀粉（玉米淀粉、馬鈴薯淀粉、甘薯淀粉等）與碘的顯色性能，同時為了避免選用淀粉的品種少、認識不夠全面，我們結(jié)合化學(xué)實驗教學(xué)有目的地選取多種淀粉原料，逐漸試驗摸索出一種簡單提取淀粉的方法，為研究淀粉與碘的顯色規(guī)律提供了研究方法、新的儀器和可靠試劑。

1 實驗試劑的配制

1.1 簡單提取植物淀粉的方法

首先把選用的植物（如谷物、豆類、薯類等）淀粉原料脫皮，取適量放在燒杯中，加蒸餾水浸沒原料2～3cm，泡12～24h（鮮薯類不用浸泡），用打漿機打漿（或研磨至細漿），加適量水?dāng)嚢枵{(diào)解成有利于過濾的漿液，用雙層紗布過濾，濾液（淀粉漿）靜置沉淀后傾去上層液，將粗淀粉用傾瀉法反復(fù)清洗干凈，脫水干燥備用。

1.2 淀粉溶液的配制

配制0.5%的淀粉溶液100mL：稱取0.5g淀粉放入100mL的小燒杯中，加入少量（約5mL）水調(diào)成糊狀，邊攪拌倒入95mL沸水，煮沸后冷卻至室溫即可用。

1.3 碘水的配制

1.3.1 純碘水的配制

在250mL的碘量瓶中注入180mL的蒸餾水，然后加入0.5g研細的碘，蓋好瓶塞。在室溫（20℃）下振蕩或用攪拌器攪拌30min溶解。碘在水中的溶解度比較小，所配制碘水的濃度經(jīng)測定為：

c（I2）=8.0×10-4 mol/L

1.3.2 配制0.01 mol/L的碘（KI）溶液

稱取5.0g KI和1.3g碘加入200mL水中溶解，稀釋至1.0L。

1.4 實驗常用“點滴皿”的簡單制作方法

選用2～3mm厚的普通玻璃或下角料，用玻璃刀裁成10×10cm2大小，用砂布磨去四邊鋒刃，洗凈即可備用。

2 淀粉與碘水自然擴散過程中的呈色反應(yīng)現(xiàn)象

用液膜自然擴散實驗?zāi)芮逦^察到淀粉與碘顯色反應(yīng)過程的現(xiàn)象變化，從而掌握各種淀粉與碘顯色反應(yīng)的特點和變化規(guī)律。

2.1 幾種典型谷物淀粉與碘水自然擴散過程中的呈色現(xiàn)象

2.1.1 淀粉與碘水自然擴散實驗的常用方法

在點滴皿上，相距約1.5cm處滴加1～2滴淀粉溶液和1～2滴碘水，用尖頭玻璃棒引導(dǎo)兩種液滴形成相鄰溶液膜，并互相靠近至自然擴散呈色反應(yīng)。

2.1.2 大米淀粉與碘水自然擴散過程

圖1、圖2是0.5%的大米淀粉溶液與純碘水、碘（KI）水自然擴散呈色反應(yīng)現(xiàn)象的照片。在點滴皿上，大米淀粉溶液與純碘水液膜相向擴散反應(yīng)呈現(xiàn)藍色；用相同大米淀粉溶液與0.01 mol/L碘（KI）水自然擴散反應(yīng)，從左到右隨著淀粉溶液濃度逐漸減小，碘的濃度逐漸增加，溶液膜呈現(xiàn)五階對比色帶，如下“大米淀粉-I2（KI）水”示意圖：

普通玉米淀粉、蕎麥淀粉、小麥淀粉、高粱米淀粉溶液和碘水自然擴散反應(yīng)與大米淀粉和碘水的呈色現(xiàn)象相似。

2.1.3 糯米淀粉與碘水的自然擴散過程

圖3和圖4是0.5%的糯米淀粉溶液與兩種碘水自然擴散現(xiàn)象的照片。糯米淀粉溶液與純碘水自然擴散呈現(xiàn)紫色；相同糯米淀粉溶液與碘（KI）水?dāng)U散顯色反應(yīng)，隨著溶液膜中從左到右碘濃度逐漸增大的呈色現(xiàn)象，如“糯米淀粉-I2（KI）水”的示意圖：

大黃米、糯玉米、糯高粱和糯米淀粉溶液與碘水自然擴散呈色現(xiàn)象相似。

2.2 常見豆類淀粉與碘水自然擴散呈色現(xiàn)象

2.2.1 豌豆淀粉與碘水的自然擴散呈色過程

圖5、圖6是豌豆淀粉與兩種碘水自然擴散現(xiàn)象的照片，無色0.5%的豌豆淀粉溶液與純碘水自然擴散反應(yīng)呈現(xiàn)艷藍色，用相同豌豆淀粉溶液與較高濃度（0.01 mol/L）碘（KI）水，從左至右自然擴散過程的呈色現(xiàn)象如“豌豆淀粉-I2（KI）水”的示意圖：

豌豆淀粉與碘的顯色反應(yīng)，靈敏度高，現(xiàn)象明顯。紅蕓豆淀粉和豌豆淀粉與碘顯色現(xiàn)象相似。

2.2.2 綠豆淀粉與碘水的自然擴散過程

圖7是綠豆淀粉溶液與碘（KI）水自然擴散現(xiàn)象的照片。在點滴皿上，濃度為0.5%的綠豆淀粉溶液從左向右自然擴散濃度逐漸減小，I2（KI）水濃度逐漸增加的溶液膜顯色現(xiàn)象，如“綠豆淀粉-I2（KI）水”示意圖：

通過實驗常見豆類淀粉與碘水的擴散反應(yīng)顯示各異的藍色，擴散反應(yīng)隨著淀粉濃度增大藍色加深，隨著碘的濃度增大顏色加深。

2.3 常見薯類淀粉與碘水的自然擴散現(xiàn)象

2.3.1 紅薯淀粉溶液與碘水的自然擴散過程

圖8用0.5%紅薯淀粉溶液與純碘水自然擴散液膜呈現(xiàn)藍色。圖9是紅薯淀粉溶液從左到右與碘（KI）水膜自然擴散現(xiàn)象的照片，其中圖9下圖碘（KI）水層相對?。ǔ首攸S色），從左到右隨著碘濃度的增大，淀粉遇碘擴散的液膜由藍色漸變?yōu)樗{黑色；圖9上圖碘（KI）水膜相對偏厚（呈棕紅色），擴散呈色現(xiàn)象，如“紅薯淀粉-I2（KI）水”的液膜示意圖：

在相同條件下，擴散現(xiàn)象與顯色溶液膜的厚度有關(guān)，如果有色溶液膜增厚，透光度降低，液膜顏色加深。

2.3.2 馬鈴薯淀粉溶液與碘（KI）水的自然擴散過程

圖10為0.5%的馬鈴薯淀粉溶液與純碘水自然擴散現(xiàn)象的照片，兩種溶液相向擴散液膜變藍。圖11是相同濃度的馬鈴薯淀粉溶液與0.01 mol/L的碘（KI）水自然擴散過程的顯色反應(yīng)現(xiàn)象，如“馬鈴薯淀粉-I2（KI）水”的示意圖：

馬鈴薯淀粉溶液的特點：與其他同質(zhì)量分數(shù)濃度的淀粉溶液相比較，它的稠度大，溶液互相擴散的速度慢，擴散的液膜顏色變化的界面清晰濃重。

上述幾例天然植物淀粉與碘水自然擴散顯色實驗中，用0.5%淀粉溶液與8.0×10-4 mol/L純碘水的顯色反應(yīng)現(xiàn)象作為參照。因為不同植物淀粉與碘（KI）水自然擴散的溶液膜呈色現(xiàn)象各有特點和規(guī)律，在生產(chǎn)實踐中可以利用它們的這種呈色規(guī)律特點，分別鑒別不同的淀粉或淀粉原料，也可以用此方法，把不同的淀粉分類。

淀粉與碘的呈色現(xiàn)象與溶液的濃度等條件有關(guān)系，但淀粉的組成結(jié)構(gòu)決定了它們的顯色性。直鏈淀粉與支鏈淀粉對碘的吸附能力不同。呈螺旋結(jié)構(gòu)的直鏈淀粉分子能夠吸附碘形成絡(luò)合物，每6個葡萄糖殘基形成一個螺旋圈，恰好可容納1個碘分子[8-9]。每1g純直鏈淀粉能吸附約200mg碘，即重量的20%。當(dāng)直鏈淀粉和支鏈淀粉同時存在時，若碘的濃度很低，碘只能被支鏈淀粉吸附，當(dāng)?shù)鉂舛壬?0-4mol/L時，支鏈淀粉才開始吸附碘。而且支鏈淀粉吸附碘的量很少，不到1%。支鏈淀粉與碘結(jié)合后呈現(xiàn)的顏色與分子分支化度和外鏈的鏈長有關(guān)，隨著分支化度的提高和外鏈鏈長的變短，與碘結(jié)合的顏色由紫紅色轉(zhuǎn)為紅色最后呈碘本色（棕色）[10]。常見植物淀粉中直鏈淀粉含量與碘（KI）水?dāng)U散顯色規(guī)律歸納總結(jié)于表1。

通過實驗可知，相同條件、不同植物淀粉含直鏈淀粉與支鏈淀粉的量不同與碘的顯色現(xiàn)象不同，同種植物淀粉溶液與不同濃度的碘水?dāng)U散顯色現(xiàn)象不同。但不同植物中直鏈淀粉與支鏈淀粉的含量相近，相同濃度的淀粉溶液與相同濃度的碘水?dāng)U散反應(yīng)顯色規(guī)律相同。

3 淀粉與碘水自然擴散呈色過程中的干化變化現(xiàn)象

3.1 淀粉與純碘水自然擴散過程中的干化變化

圖12和圖13是玉米淀粉溶液與飽和純碘水自然擴散過程中的同一個實驗不同時間的照片。此實驗是在點滴皿上滴加2滴0.5%玉米淀粉溶液滴，形成圓形液膜的中心處，滴加2滴純碘水，碘從圓心向外擴散與外圓淀粉溶液自然擴散反應(yīng)的對比現(xiàn)象，示意圖如下：

圖13是圖12實驗的繼續(xù)，在點滴皿上實驗（圖13）現(xiàn)象隨著時間的延長，溶液中水不斷自然蒸發(fā)、I2升華，10分鐘后反應(yīng)液逐漸干化，呈色也隨之失去，留下淡淡的水痕跡。如果再滴加適量的水，不能恢復(fù)原顏色，這是淀粉溶液與純碘水顯色變化過程的不可逆現(xiàn)象。

通過淀粉與純碘水自然擴散的干化現(xiàn)象說明，淀粉遇碘的顯色反應(yīng)，不是化學(xué)反應(yīng)，而是物理吸附作用。

3.2 淀粉與碘（KI）水自然擴散過程中的干化變化

圖14是0.5%木薯淀粉溶液與0.01 mol/L不同厚度（上圖厚、下圖薄）碘（KI）水自然擴散的顯色現(xiàn)象。

圖15是與圖14同一實驗溶液膜隨時間延長、水蒸發(fā)的干化現(xiàn)象，從左至右未反應(yīng)的淀粉溶液干化至淺白色，擴散液中靠近淀粉溶液部分，淀粉含量相對偏高，干化膜顯藍黑或黑色，隨著擴散反應(yīng)的進行，淀粉含量逐漸降低，碘含量逐漸升高，擴散顯色溶液膜干化后的現(xiàn)象示意圖如下：

碘（KI）水膜干化形成的微晶粒呈棕黃或黃色。說明晶體中依然含有單質(zhì)碘，由于I2和I-發(fā)生反應(yīng)：

3.3 淀粉與兩種碘水自然擴散過程干化現(xiàn)象的對比

上述例舉了淀粉溶液分別與純碘水、碘（KI）水自然擴散實驗，同時通過照片記錄了淀粉溶液與兩種碘水自然擴散過程中溶液濃度變化而顯色現(xiàn)象的變化。由于液膜擴散實驗取用試劑量少（一般0.05～0.15mL），而且形成液膜易于觀察，有利于水蒸發(fā)、I2升華。此實驗方法不但展示了擴散過程連續(xù)顯色現(xiàn)象規(guī)律，還展現(xiàn)了液膜自然干化過程的現(xiàn)象變化，綜合于表2。

4 淀粉水解過程中的物質(zhì)遇碘水呈色變化規(guī)律

淀粉自然水解比較慢，用時長，通常在水解酶作用或調(diào)解淀粉溶液酸堿性來加快淀粉的水解速度。為了研究方便又不影響淀粉與碘水的反應(yīng)效果，所以此實驗選用酸性條件下的淀粉水解過程。

4.1 酸性條件下淀粉與碘水的自然擴散過程

圖16是在常溫條件下，新配制酸性（10mL 0.5%的馬鈴薯淀粉溶液加2mL 6 mol/L硫酸）淀粉溶液與純碘水、碘（KI）水的自然擴散現(xiàn)象。圖16與馬鈴薯淀粉和碘水自然擴散過程的顏色現(xiàn)象相同（見圖10、圖11），說明適度調(diào)解溶液酸性對淀粉與碘的呈色反應(yīng)影響不大。

4.2 淀粉水解過程中的產(chǎn)物與碘水自然擴散呈色現(xiàn)象

圖17是取用與圖16相同的酸性馬鈴薯淀粉溶液，在水解反應(yīng)過程（煮沸2分鐘）中，取適量水解反應(yīng)液冷卻至常溫（20℃），在同一塊點滴皿上，與純碘水?dāng)U散反應(yīng)顯淡紫色（圖17上）；與碘（KI）水自然擴散呈色（圖17下）現(xiàn)象的示意圖如下：馬鈴薯淀粉︱淀粉水解液-I2絡(luò)合物︱I2（KI）水

無色 紫色 棕紅 棕色 棕黃色

當(dāng)對馬鈴薯淀粉酸性溶液煮沸水解4分鐘，冷卻至常溫，同樣做碘的自然擴散呈色實驗，無顯色現(xiàn)象（照片略）。

馬鈴薯淀粉水解過程中的產(chǎn)物與碘水顯色變化規(guī)律：藍色→紫色→棕紅→棕色→無色。驗證了馬鈴薯淀粉隨著水解反應(yīng)的進行分子鏈逐漸變短，聚合度隨著水解逐漸減小，吸附碘的直連淀粉分子隨著聚合度的不同呈現(xiàn)不同的顏色反應(yīng)，聚合度45以上呈藍色、35～40呈紫色、20～30呈紅色、12～15呈棕色、聚合度12以下的短鏈遇碘不呈現(xiàn)顏色變化。

5 用液膜自然擴散法研究淀粉與碘水顯色規(guī)律的應(yīng)用小結(jié)

上述用液膜自然擴散實驗探究了淀粉溶液與碘水反應(yīng)過程的顯色規(guī)律。每個實驗取用滴量的淀粉溶液和碘水，在點滴皿上，一般在1min內(nèi)自然擴散反應(yīng)形成規(guī)律的對比現(xiàn)象，有利于中學(xué)教師直接投影演示實驗教學(xué)。此實驗用于學(xué)生實驗，有助于觀察、分析和理解；有利于拍照、攝錄實驗中物質(zhì)變化過程中的現(xiàn)象，作為系列實驗現(xiàn)象影像，是珍貴的教學(xué)插圖和研究資料。液膜自然擴散實驗減少了藥品的用量，節(jié)省了實驗經(jīng)費，減輕了對環(huán)境的污染，有利于化學(xué)實驗的普及，提高了化學(xué)實驗的綜合效果，倡導(dǎo)了綠色化學(xué)理念。

參考文獻：

[1]王瑛席.淀粉遇碘都顯藍色嗎[J].化學(xué)教學(xué)，2007，（1）：75～76.

[2]鐘俊英.影響淀粉與碘顯色的因素初探[J].化學(xué)教學(xué)，2001，（3）：8～9.

[3]徐建飛，劉艷琴.淀粉的種類及其與碘顯色作用[J].化學(xué)教學(xué)，2015，（2）：87～88.

[4]楊星.點滴投影實驗[J].化學(xué)教學(xué)，2000，（4）：10～11.

[5]楊興，王曉忠.液膜擴散微型實驗方法鑒定NO3-和Co2+ [J].化學(xué)教育，2011，32（8）：58～67.

[6]楊興，張恒強，王曉忠.液膜自然擴散微型化學(xué)實驗教學(xué)研究[J].化學(xué)教育，2015，（8）：34～38.

[7]楊興.中華人民共和國. CN201441917 U.2010.

[8]谷亨杰，吳泳，丁金昌.有機化學(xué)（第2版）[M].北京：高等教育出版社，2006：413～421.

[9]邢其毅，裴偉偉，徐瑞秋，裴堅.基礎(chǔ)有機化學(xué)（第3版）[M].北京：高等教育出版社，2011：967～969.

[10]余平，石彥忠.淀粉與淀粉制品工藝學(xué)[M].北京：中國輕工業(yè)出版社，2011：7～29.

[11]李兆豐，顧正彪，洪雁.豌豆淀粉的研究進展[J].食品與發(fā)酵工業(yè)，2003，29（10）：70～74.

[12]孫世云，陳碧華.老話新說——碘與淀粉的顯色反應(yīng)[J].化學(xué)教學(xué)，2008，（5）：11～12.