利用氧化還原電勢傳感器測定加碘食鹽中的碘含量

劉雯 丁偉

摘要： 基于碘量法原理，采用硫代硫酸鈉標(biāo)準(zhǔn)溶液測定被測物中碘元素的含量。借助氧化還原電勢傳感器和液滴數(shù)傳感器獲得滴定曲線圖并確定滴定終點(diǎn)，從而測得加碘食鹽中碘元素的含量。與傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)相比，運(yùn)用數(shù)字化實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行表征使氧化還原滴定過程可視化，幫助學(xué)生深入理解氧化還原滴定的原理，提升學(xué)生的化學(xué)思維品質(zhì)。

關(guān)鍵詞： ORP傳感器； 氧化還原滴定； 碘鹽； 碘含量測定； 實(shí)驗(yàn)探究

文章編號(hào)： 10056629（2023）07006904

中圖分類號(hào)： G633.8

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： B

1 問題提出

碘是人體必需的微量元素之一，它是人體合成甲狀腺素的主要原料，對維持人體新陳代謝起著極為重要的作用。人體自身不能合成碘，需要從外界攝入，最常見的方法就是合理攝入加碘食鹽。蘇教版高中化學(xué)必修一教材將加碘食鹽中碘元素的定性檢驗(yàn)安排為課后興趣實(shí)驗(yàn)。其原理是碘在加碘鹽中以IO－3形式存在，在酸性條件下IO－3和I－發(fā)生反應(yīng)，生成碘單質(zhì)，利用淀粉溶液變藍(lán)色將碘元素定性檢驗(yàn)出來。

碘元素的定量測定有很重要的應(yīng)用價(jià)值。食用鹽中加入一定量的碘酸鉀，是為了滿足人體對碘的需要。但值得注意的是，人體攝入過多的碘也是有害的?！妒称钒踩珖覙?biāo)準(zhǔn)食用鹽碘含量》（GB 26878—2011）［1］中規(guī)定了加碘食鹽中碘含量的平均水平（以碘元素計(jì)）為20～30mg/kg。

數(shù)字化實(shí)驗(yàn)是信息技術(shù)發(fā)展和科學(xué)教育研究相結(jié)合的產(chǎn)物。與傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)相比，數(shù)字化實(shí)驗(yàn)最大的特色就是借助傳感器和信息處理終端進(jìn)行實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集與分析，實(shí)現(xiàn)了人類感官的延伸［2］。本文運(yùn)用氧化還原電勢傳感器手持技術(shù)展開加碘鹽中碘元素含量測定的研究，作為對教材實(shí)驗(yàn)的擴(kuò)展和補(bǔ)充。

2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

2.1 碘量法

碘量法［3］是以I2的氧化性和I－的還原性為基礎(chǔ)的一種氧化還原方法，可分為直接碘量法和間接碘量法。

2.1.1 直接碘量法（碘滴定法）

當(dāng)E＜E（I2/I－），用I2標(biāo)準(zhǔn)溶液直接滴定還原劑（如Sn2＋、 As2O3、 S2－、 SO2－3）的滴定方法稱為直接碘量法，又稱為碘滴定法。該反應(yīng)原理為：

I2＋Red2I－＋Ox

該種方法滴定應(yīng)在酸性或中性介質(zhì)中進(jìn)行，因?yàn)樵趬A性條件下I2易發(fā)生歧化反應(yīng)：3I2＋6OH－IO－3＋5I－＋3H2O。但是如果溶液的酸度過高，處于強(qiáng)酸性介質(zhì)中，I－會(huì)發(fā)生氧化導(dǎo)致終點(diǎn)拖后。由于I2的氧化性不強(qiáng)，能被其氧化的物質(zhì)不多，所以直接碘量法應(yīng)用有限。

2.1.2 間接碘量法（滴定碘法）

直接碘量法只能夠測定還原性的物質(zhì)，而間接碘量法是利用I－的還原性間接測定氧化性物質(zhì)（如MnO－4、 Cr2O2－7、 H2O2、 Cu2+等含量）的方法。該法是用Na2S2O3標(biāo)準(zhǔn)溶液滴定析出的I2，所以又稱滴定碘法。該反應(yīng)原理為：

2I－＋OxI2＋Red（析碘反應(yīng)）

I2+2S2O2－32I－+S4O2-6（滴碘反應(yīng)）

與直接碘量法類似，反應(yīng)的酸度也需嚴(yán)格控制，必須在中性或弱酸性條件下進(jìn)行。

2.2 實(shí)驗(yàn)原理

2.2.1 氧化還原電勢（ORP）傳感器工作原理

氧化還原電勢（ORP）傳感器能夠測量溶液中氧化劑的氧化能力或還原劑的還原能力。ORP傳感器有兩個(gè)組件，其一是鉑金屬，浸在所測溶液中，另一組件為密封的銀／氯化銀凝膠（用作鉑半電池的標(biāo)準(zhǔn)），測量時(shí)通過電壓放大器呈現(xiàn)出電勢差，從而確定該溶液氧化性或還原性的強(qiáng)弱［4］。

2.2.2 實(shí)驗(yàn)滴定原理

先在一定量食鹽樣品中加入過量醋酸酸化的碘化鉀溶液，把碘酸鉀中的碘元素還原為碘分子，再用硫代硫酸鈉標(biāo)準(zhǔn)溶液滴定生成的碘分子即可。碘化鉀可以防止碘的揮發(fā)，增大碘在水中的溶解度；稀醋酸則為硫代硫酸鈉和碘反應(yīng)提供弱酸性環(huán)境；最后用硫代硫酸鈉標(biāo)準(zhǔn)溶液滴定處理好的樣品溶液。

用硫代硫酸鈉標(biāo)準(zhǔn)溶液滴定加碘鹽樣品溶液時(shí)，ORP電極測量的電勢將迅速下降，形成“突躍”。通過滴數(shù)傳感器可以得到反應(yīng)終點(diǎn)時(shí)消耗的硫代硫酸鈉標(biāo)準(zhǔn)溶液的體積，根據(jù)硫代硫酸鈉標(biāo)準(zhǔn)溶液的濃度和體積，測得加碘鹽中碘元素的含量。

反應(yīng)的方程式為：IO－3+5I－+6H+3I2+3H2O

I2+2S2O2－32I－+S4O2-6

2.2.3 傳統(tǒng)滴定方法

傳統(tǒng)的滴定方法是用標(biāo)準(zhǔn)液硫代硫酸鈉溶液滴定待測液中的碘單質(zhì)，選擇淀粉溶液為指示劑，當(dāng)待測液恰好由藍(lán)色變?yōu)闊o色，且充分振蕩溶液不變色時(shí)即到達(dá)滴定終點(diǎn)，此時(shí)準(zhǔn)確記錄消耗的標(biāo)準(zhǔn)液體積。滴定實(shí)驗(yàn)的關(guān)鍵，一是正確判斷滴定的終點(diǎn)；二是準(zhǔn)確測定液體的體積。傳統(tǒng)方法存在如下問題：（1）用肉眼判斷滴定終點(diǎn)和讀取液體的體積均存在一定誤差；（2）應(yīng)在臨近終點(diǎn)時(shí)加入淀粉指示劑，滴定至溶液藍(lán)色消失為終點(diǎn)［5］。如果淀粉指示劑加入過早，溶液中大量的碘分子被淀粉表面牢固地吸附著，會(huì)出現(xiàn)終點(diǎn)遲鈍現(xiàn)象而產(chǎn)生滴定誤差。

2.2.4 氧化還原電位滴定

本實(shí)驗(yàn)用氧化還原電勢（ORP）傳感器，在氧化還原電位滴定中，隨著氧化劑的加入，物質(zhì)氧化態(tài)和還原態(tài)的濃度逐漸改變，有關(guān)電對的電位也隨著不斷改變，其變化情況可以用滴定曲線表示［6］。當(dāng)硫代硫酸鈉溶液滴定生成的碘分子時(shí)，當(dāng)兩者恰好完全反應(yīng)時(shí)，ORP傳感器測得的電勢將迅速增加，此時(shí)電勢的變化最大。我們可以根據(jù)氧化還原滴定曲線，通過數(shù)據(jù)處理，計(jì)算碘分子的物質(zhì)的量，進(jìn)而計(jì)算樣品中碘元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。

3 實(shí)驗(yàn)過程

3.1 實(shí)驗(yàn)儀器及藥品

儀器：電子天平、25.00mL滴管、燒杯、ORP傳感器、滴數(shù)傳感器、磁力攪拌器、數(shù)據(jù)采集器（VENIER LabPro）、計(jì)算機(jī)及其相配套軟件LoggerPro3

藥品：加碘鹽樣品、0.0100mol/L硫代硫酸鈉標(biāo)準(zhǔn)溶液、除氧蒸餾水

3.2 實(shí)驗(yàn)步驟及數(shù)據(jù)處理

3.2.1 待測樣品處理

（1）電子天平稱取10.00g加碘食鹽樣品，用除氧蒸餾水50mL溶解。

（2）再加10%稀醋酸10mL酸化，最后加碘化鉀0.5g，攪拌使其充分反應(yīng)，待測。

3.2.2 氧化還原電勢傳感器滴定

（1） 實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示，將ORP傳感器、滴數(shù)傳感器分別與數(shù)據(jù)采集器相連，數(shù)據(jù)采集器再與計(jì)算機(jī)相連，之后將磁力攪拌器、小燒杯、ORP傳感器、滴管依次放好，打開LoggerPro3（軟件）。

（2） 先用硫代硫酸鈉標(biāo)準(zhǔn)溶液潤洗滴管，裝液25.00mL，排氣泡。再將上述酸化的待測樣品溶液置于小燒杯中，準(zhǔn)備滴定。

（3） 打開軟件中數(shù)據(jù)采集功能，為使反應(yīng)物混合均勻，采用磁力攪拌器攪拌溶液。

（4） 打開滴液器開關(guān)，緩慢打開滴管活塞，讓硫代硫酸鈉標(biāo)準(zhǔn)溶液逐滴滴入燒杯中，數(shù)據(jù)采集器自動(dòng)記錄數(shù)據(jù)，并自動(dòng)繪制滴定曲線。

（5） 重復(fù)三次實(shí)驗(yàn)，完成實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄（如表1所示）。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

4.1 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

硫代硫酸鈉溶液滴定生成的碘單質(zhì)溶液過程中ORP傳感器測量溶液的電勢隨硫代硫酸鈉溶液體積增加的曲線圖如圖2（a）所示，利用軟件所帶的程序?qū)D2（a）中的曲線進(jìn)行求導(dǎo)，得到一次導(dǎo)數(shù)曲線如圖2（b）所示。

因此，由計(jì)算得知10.00g樣品中碘元素的含量為0.243mg/kg，與食鹽包裝袋所示含量（18～33mg/kg）相符合。

4.2 實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新點(diǎn)

（1） 滴定分析中的定量計(jì)算是高中化學(xué)教學(xué)的重難點(diǎn)之一。中學(xué)化學(xué)教材所涉及的滴定實(shí)驗(yàn)僅限于酸堿中和滴定，而氧化還原滴定也是一種重要的滴定方法，可以作為對酸堿中和滴定的深化和拓展。此外，中學(xué)化學(xué)教材中只有對加碘食鹽中碘元素的定性檢驗(yàn)而缺少定量測定。筆者基于此內(nèi)容設(shè)計(jì)了該實(shí)驗(yàn)，幫助學(xué)生學(xué)習(xí)氧化還原滴定的原理和方法，以彌補(bǔ)教材實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的不足。

（2） 在氧化還原滴定的定量測定中，利用ORP傳感器測量電勢變化，可以不需要指示劑就能精確測量出氧化還原反應(yīng)恰好進(jìn)行完全的等量點(diǎn)，消除指示劑顏色變化帶來的誤差，使氧化還原滴定的實(shí)驗(yàn)結(jié)果更準(zhǔn)確［7］（見表2）。與滴數(shù)傳感器結(jié)合使用，精準(zhǔn)記錄滴加標(biāo)準(zhǔn)溶液的體積，同時(shí)利用自帶軟件生成圖像并處理數(shù)據(jù)，更準(zhǔn)確地得到所消耗標(biāo)準(zhǔn)溶液的體積。

（3） 在教學(xué)過程中，可以用四重表征（宏觀表征、微觀表征、符號(hào)表征、曲線表征）來加深對氧化還原滴定的理解（見表3）。滴定過程中溶液由藍(lán)色變?yōu)闊o色這一宏觀表征與曲線中的“突躍”這一現(xiàn)象的完美結(jié)合，既有效消除了由淀粉溶液作指示劑帶來的誤差問題，同時(shí)也使氧化還原滴定可視化，加深學(xué)生對“突躍”的理解［8］。數(shù)字化實(shí)驗(yàn)?zāi)軌驑O大地激發(fā)學(xué)生求知的欲望，進(jìn)一步培養(yǎng)學(xué)生的思維能力，培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新能力，使其更深入地思考和分析物質(zhì)的定性檢驗(yàn)與定量測定，對學(xué)科知識(shí)的理解得到升華。

4.3 誤差分析

4.3.1 介質(zhì)的選擇

間接碘量法的滴定應(yīng)在中性或弱酸性溶液中進(jìn)行。因?yàn)樵趬A性溶液中會(huì)發(fā)生如下副反應(yīng)：

S2O2－3+4I2+10OH－2SO2－4+8I－+5H2O

3I2+6OH－IO－3+5I－+3H2O

在強(qiáng)酸性溶液中，S2O2－3容易分解，I－也容易被空氣中的O2緩慢氧化，發(fā)生的反應(yīng)如下：

S2O2－3+2H+S↓+SO2↑+H2O

4I－+O2+4H+2I2+2H2O

4.3.2 I2易揮發(fā)

I2易揮發(fā)，可能是造成誤差的原因。因此為了防止碘揮發(fā)，可采取如下措施：①過量加入KI溶液助溶，防止揮發(fā)，提高速率；②溶液溫度不宜高；③在碘量瓶中進(jìn)行反應(yīng)，快滴慢搖。

4.3.3 I－具有強(qiáng)還原性

I－具有強(qiáng)還原性，可能是造成誤差的原因。在酸性條件下易被空氣中的O2氧化，為此可采取下列措施：①暗處放置避免強(qiáng)光；②除去催化性雜質(zhì)（NO、 NO2、 Cu2+）；③控制溶液酸度；④密塞放置；⑤I2完全析出后立即滴定。

5 結(jié)語

和傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)相比，運(yùn)用手持技術(shù)數(shù)字化實(shí)驗(yàn)進(jìn)行表征使氧化還原滴定過程可視化，使定量實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)便捷、測定結(jié)果更準(zhǔn)確，提升學(xué)生的實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新能力。在實(shí)際教學(xué)中，氧化還原電勢傳感器不僅可以測定加碘鹽中碘元素的含量，還可應(yīng)用于其他氧化還原滴定教學(xué)中。

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