铁离子与碘离子可逆反应实验的改进
作者： 张晓莉 林倩楠
摘 要： 把氧化还原反应类型的可逆反应设计成原电池，利用微电流传感器、阴阳离子交换膜等材料对实验装置进行改进。利用改进装置探究铁离子与碘离子、银离子与亚铁离子的可逆反应，借助图像表征电流方向的变化，证明可逆反应的存在。建构探究氧化还原类型的可逆反应的分析模型。改进装置操作简单、耗时短、一器多用，适合学生分组实验或拓展性实验。
关键词： 可逆反应； 氧化还原反应； 原电池； 实验改进
文章编号： 10056629（2024）10007804
中图分类号： G633.8
文献标识码： B
1 问题提出
《普通高中化学课程标准（2017年版2020年修订）》对教学提出实施建议：“条件有限的学校，可采取教师演示实验或者利用替代品进行实验，鼓励实验的绿色化设计”“充分认识化学实验的独特价值，精心设计实验探究活动，适当增加微型实验、数字化实验、创新实践活动，让学生在实验探究活动中学习科学方法，体会、认识技术手段的创新对化学科学的重要价值，形成严谨求实、敢于实践的科学态度，发展实践能力”［1］。这些论述已成为我们实验创新的理论依据和教学质量的衡量标准。
在人教版、鲁科版、苏教版高中化学必修教材中，对化学反应的限度均有所介绍。如人教版采用学生已有认知：SO2与H2O的反应，由于H2SO3不稳定，部分分解为SO2与H2O，故认为此反应为可逆反应，不能进行到底［2］，这里只是推理说明并没有实验证据证明化学反应存在限度。苏教版［3］与鲁科版［4］都用了少量氯化铁溶液与足量碘化钾溶液反应，验证反应后体系中仍然存在铁离子，证明反应存在某种限度。苏教版还利用苯进行萃取并分离出碘单质后，向萃余液中加入硫氰酸钾溶液检测出了铁离子，而鲁科版则在少量氯化铁溶液与足量碘化钾溶液反应后的体系中直接滴加硫氰酸钾溶液来证明原本少量的铁离子并没有反应完全。虽然两个版本的教材都设计了铁离子与碘离子可逆反应的实验，但还是存在以下不足：（1）药品用量太大；（2）利用萃取，有机物易挥发，过程复杂，耗时较长，不利于学生实验；（3）从宏观现象看，学生能理解可逆反应进行得不彻底，具有限度，但对既能正向进行也能逆向进行的微观动态过程却不很理解。
2 对已有实验改进案例的述评
针对教材中铁离子与碘离子可逆反应实验的不足之处，很多教师从理论上论证和对装置进行了改进，优化了实验方案。大量文献中对已有的铁离子与碘离子反应实验改进的案例进行了分析。赵丽霞［5］把铁离子与碘离子的氧化还原反应设计成原电池，但是关注点在于利用蘸有饱和氯化钠溶液的棉线代替盐桥，加深对盐桥功能与原电池的工作原理的理解却没有涉及铁离子与碘离子的可逆反应。杨杰等老师［6］向硫酸铁与碘化钾反应体系中加入了四氯化碳，利用有机相显色的深浅来指示此反应生成碘单质含量的多少，目的使可逆反应可视化，但实验过程复杂，试剂用量大，利用率不高，还使用了有毒的四氯化碳。沈杰、顾仲良老师［7］利用色度传感器与氧化还原传感器测量在硫酸铁溶液的烧杯中加入碘化钾溶液的透光率与吸光度及正、逆反应的电位，通过透光率与吸光度及正、逆反应的电位变化，曲线最终趋于水平，证明化学反应存在限度。但是对可逆反应既可以正向进行也可以逆向进行仍然没有直观的证据。李文博，吴文中［8］讨论了铁离子与碘离子反应实验设计的限度问题，尤其是各溶液浓度的控制对铁离子转化率的影响问题作了深入探讨。田一鸣、廖志刚［9］利用盐桥设计成双液原电池，利用电流传感器测出不同浓度改变量的可逆氧化还原反应的电流变化，其中利用加入硝酸银溶液减小碘离子的浓度引起电极电势的变化而导致电流变化，但体系会因此引入银离子，银离子与体系中生成的亚铁离子也会发生氧化还原反应，也会使电流方向相反，所以不足以说明电流方向相反是亚铁离子与碘单质发生反应造成的；本身铁离子与碘离子产生的电流较小，加入银离子减小了碘离子浓度，导致电流会更小；使用阻力较大、离子迁移速率较慢的盐桥，虽然利用了较为灵敏的电流传感器，但是电流曲线的变化仍然不明显。综上所述，本研究将此实验进行了再改进，力求操作简单方便、试剂用量少无污染、耗时短、利用图像直观明了，帮助学生理解可逆反应既可以正向进行又可以逆向进行。
3 实验装置改进
3.1 实验原理
2Fe3++3I-2Fe2++I－3
设计成原电池，如图1所示。
3.1.1 计算使2Fe3++3I-2Fe2++I－3向左进行的Fe2+最低浓度
将反应拆成2个半反应：
① Fe3++e-Fe2+ φθ（Fe3+/Fe2+）=0.77V［10］
② 3I--2e-I－3φθ（I－3/I-）=0.53V［11］
由于溶液中离子间存在相互作用，当溶液中离子浓度较大时，需要考虑离子强度，而稀溶液则可忽略该作用。因此假设c（I-）=c（Fe3+）=0.01mol/L，又根据
I-+I2I－3 K=710［12］
可知：c（I－3）=7.10mol/L。只改变c（Fe2+），根据能斯特方程可知：
φ（Fe3+/Fe2+）=φθ（Fe3+/Fe2+）+0.059 lgc（Fe3+）c（Fe2+）
φ（I－3/I-）=φθ（I－3/I-）+0.0592 lgc（I-3）c3（I-）
若使反应向左进行，则有φ（I－3/I-）-φ（Fe3+/Fe2+）>0，
即φθ（I－3/I-）+0.0592 lgc（I-3）c3（I-）-φθ（Fe3+/Fe2+）+0.059 lgc（Fe3+）c（Fe2+）>0
解得： c（Fe2+）>3.98×10-2mol/L时，该反应可实现向左进行。
3.1.2 计算2Fe3++3I-2Fe2++I－3向右进行的I-最低浓度
假设c（I－3）=c（Fe3+）=c（Fe2+）=0.01mol/L，只改变c（I-），根据能斯特方程可知：
φ（Fe3+/Fe2+）=φθ（Fe3+/Fe2+）
φ（I－3/I-）=φθ（I－3/I-）+0.0592 lgc（I3-）c3（I-）
若使反应向右进行，则有φ（Fe3+/Fe2+）-φ（I－3/I-）>0
即φθ（Fe3+/Fe2+）-φθ（I－3/I-）+0.0592 lgc（I3-）c3（I-）>0
解得：c（I-）>4.18×10-4mol/L时，该反应可实现向右进行。
电流传感器是一种用于测量电流的装置，将其连接被测电路中，它将电流转换成与之成正比的电流信号，从而实现对电流的测量。微电流传感器（单位：微安）比电流传感器（单位：安）更灵敏，图像变化更明显。
负极：带阴离子交换膜的塑料瓶盛装有硫酸亚铁溶液
正极：带阳离子交换膜的塑料瓶盛装有碘水溶液
离子导体：硫酸钠溶液
电流方向：从正极沿导线流向负极
一段时间后，向负极加硫酸铁固体，电流方向相反。
3.2 实验材料
直径6cm、高4cm带盖小塑料盒，直径2cm、高8cm的塑料瓶2只，阴离子交换膜、阳离子交换膜（网购）、石墨电极
3.3 装置的制作
其制作的过程如下：
（1） 直径2cm、高8cm的塑料瓶底部开直径0.5cm的口，用于放置石墨电极。
（2） 塑料瓶盖打孔，确保离子导体与氧化剂溶液、还原剂溶液直接接触。
（3） 把裁剪成与塑料瓶盖内径大小相当的阴、阳离子交换膜，分别固定在两塑料瓶盖内，作为阴极室和阳极室，该塑料瓶盖已开孔。
（4） 取有盖小塑料盒作为反应容器，顶端盖上开两个直径2cm的孔，用于放置正极区塑料瓶和负极区塑料瓶。装置材料及尺寸如图2所示。
3.4 装置的使用
3.4.1 实验器材及药品
（1） 实验器材：改进原电池装置一套、微电流传感器、数据处理器、注射器、玻璃棒
（2） 实验药品：0.1mol/L硫酸亚铁溶液，0.01mol/L碘水、硫酸铁固体，0.01mol/L硫酸钠溶液、0.5mol/L硝酸银溶液、0.01mol/L硝酸钾溶液、蒸馏水
（3） 电极材料：石墨电极
3.4.2 亚铁离子与碘水的可逆反应
用注射器向负极中加注0.1mol/L的硫酸亚铁溶液5mL，用5mL蒸馏水稀释，插入石墨电极；用注射器向正极加注碘水10mL，插入石墨电极；在反应容器中加入0.01mol/L硫酸钠溶液作为离子导体；两电极区塑料瓶固定在反应容器盖孔内，确保电极区溶液与离子导体接触；接入微电流传感器及数据处理器，连接电路，打开软件，采集数据（采样频率10Hz/s，下同）。观察到电流曲线逐渐减小并趋于水平。
负极：2Fe2+-2e-2Fe3+
正极：I－3+2e-3I-
总反应：2Fe2++I－32Fe3++3I-
3分钟后，取出负极石墨棒，用药匙从上端开口处向其中加入2.0g的Fe2（SO4）3固体，用玻璃棒稍微搅拌。再插入石墨电极，可观察电流方向相反，电流逐渐减小并趋于水平。电流变化如图3所示。
负极：3I--2e-I－3
正极：2Fe3++2e-2Fe2+
总反应：2Fe3++3I-2Fe2++I－3
综合电流方向的变化，证明此反应既可以正向进行又可以逆向进行，因而是可逆反应。
2Fe3++3I-2Fe2++I－3
3.4.3 亚铁离子与银离子的可逆反应
3.4.3.1 实验原理
Fe2++Ag+Fe3++Ag↓
设计成原电池，如图1所示。
满足c（Fe3+）>3.2×10-2mol/L， c（Ag+）<0.31mol/L［13］，反应逆向进行。
负极：带阳离子交换膜的塑料瓶盛装有硫酸亚铁溶液
正极：带阴离子交换膜的塑料瓶盛装有硝酸银溶液
离子导体：硝酸钾溶液
电流方向：从正极沿导线流向负极
一段时间后，向负极加硫酸铁固体，电流方向相反。
3.4.3.2 实验操作
用注射器向负极加注0.1mol/L的硫酸亚铁溶液1mL，用9mL蒸馏水稀释，插入石墨电极；用注射器向正极加注0.5mol/L硝酸银溶液0.2mL，用10mL水稀释，插入石墨电极；在反应容器中加入0.01mol/L硝酸钾溶液；两电极区塑料瓶固定在反应容器盖孔内，确保电极区溶液与离子导体接触；接入微电流传感器及数据处理器，连接电路，打开软件，采集数据。观察到电流曲线的逐渐减小，并趋于水平。
负极：Fe2+-e-Fe3+
正极：Ag++e-Ag↓
总反应：Fe2++Ag+Fe3++Ag↓
约4分钟后，取出负极石墨棒，用药匙从上端开口处向其中加入1.6g的Fe2（SO4）3固体，用玻璃棒稍微搅拌。再插入石墨电极，可观察电流方向相反，电流逐渐减小并趋于水平。电流变化如图4所示。
负极：Ag-e-Ag+
正极：Fe3++e-Fe2+
总反应：Fe3++AgFe2++Ag+
综合电流方向的变化，证明此反应为可逆反应。