摘 要： 把氧化還原反應類型的可逆反應設計成原電池，利用微電流傳感器、陰陽離子交換膜等材料對實驗裝置進行改進。利用改進裝置探究鐵離子與碘離子、銀離子與亞鐵離子的可逆反應，借助圖像表征電流方向的變化，證明可逆反應的存在。建構探究氧化還原類型的可逆反應的分析模型。改進裝置操作簡單、耗時短、一器多用，適合學生分組實驗或拓展性實驗。

關鍵詞： 可逆反應； 氧化還原反應； 原電池； 實驗改進

文章編號： 10056629（2024）10007804

中圖分類號： G633.8

文獻標識碼： B

1 問題提出

《普通高中化學課程標準（2017年版2020年修訂）》對教學提出實施建議：“條件有限的學校，可采取教師演示實驗或者利用替代品進行實驗，鼓勵實驗的綠色化設計”“充分認識化學實驗的獨特價值，精心設計實驗探究活動，適當增加微型實驗、數(shù)字化實驗、創(chuàng)新實踐活動，讓學生在實驗探究活動中學習科學方法，體會、認識技術手段的創(chuàng)新對化學科學的重要價值，形成嚴謹求實、敢于實踐的科學態(tài)度，發(fā)展實踐能力”［1］。這些論述已成為我們實驗創(chuàng)新的理論依據(jù)和教學質(zhì)量的衡量標準。

在人教版、魯科版、蘇教版高中化學必修教材中，對化學反應的限度均有所介紹。如人教版采用學生已有認知：SO2與H2O的反應，由于H2SO3不穩(wěn)定，部分分解為SO2與H2O，故認為此反應為可逆反應，不能進行到底［2］，這里只是推理說明并沒有實驗證據(jù)證明化學反應存在限度。蘇教版［3］與魯科版［4］都用了少量氯化鐵溶液與足量碘化鉀溶液反應，驗證反應后體系中仍然存在鐵離子，證明反應存在某種限度。蘇教版還利用苯進行萃取并分離出碘單質(zhì)后，向萃余液中加入硫氰酸鉀溶液檢測出了鐵離子，而魯科版則在少量氯化鐵溶液與足量碘化鉀溶液反應后的體系中直接滴加硫氰酸鉀溶液來證明原本少量的鐵離子并沒有反應完全。雖然兩個版本的教材都設計了鐵離子與碘離子可逆反應的實驗，但還是存在以下不足：（1）藥品用量太大；（2）利用萃取，有機物易揮發(fā)，過程復雜，耗時較長，不利于學生實驗；（3）從宏觀現(xiàn)象看，學生能理解可逆反應進行得不徹底，具有限度，但對既能正向進行也能逆向進行的微觀動態(tài)過程卻不很理解。

2 對已有實驗改進案例的述評

針對教材中鐵離子與碘離子可逆反應實驗的不足之處，很多教師從理論上論證和對裝置進行了改進，優(yōu)化了實驗方案。大量文獻中對已有的鐵離子與碘離子反應實驗改進的案例進行了分析。趙麗霞［5］把鐵離子與碘離子的氧化還原反應設計成原電池，但是關注點在于利用蘸有飽和氯化鈉溶液的棉線代替鹽橋，加深對鹽橋功能與原電池的工作原理的理解卻沒有涉及鐵離子與碘離子的可逆反應。楊杰等老師［6］向硫酸鐵與碘化鉀反應體系中加入了四氯化碳，利用有機相顯色的深淺來指示此反應生成碘單質(zhì)含量的多少，目的使可逆反應可視化，但實驗過程復雜，試劑用量大，利用率不高，還使用了有毒的四氯化碳。沈杰、顧仲良老師［7］利用色度傳感器與氧化還原傳感器測量在硫酸鐵溶液的燒杯中加入碘化鉀溶液的透光率與吸光度及正、逆反應的電位，通過透光率與吸光度及正、逆反應的電位變化，曲線最終趨于水平，證明化學反應存在限度。但是對可逆反應既可以正向進行也可以逆向進行仍然沒有直觀的證據(jù)。李文博，吳文中［8］討論了鐵離子與碘離子反應實驗設計的限度問題，尤其是各溶液濃度的控制對鐵離子轉(zhuǎn)化率的影響問題作了深入探討。田一鳴、廖志剛［9］利用鹽橋設計成雙液原電池，利用電流傳感器測出不同濃度改變量的可逆氧化還原反應的電流變化，其中利用加入硝酸銀溶液減小碘離子的濃度引起電極電勢的變化而導致電流變化，但體系會因此引入銀離子，銀離子與體系中生成的亞鐵離子也會發(fā)生氧化還原反應，也會使電流方向相反，所以不足以說明電流方向相反是亞鐵離子與碘單質(zhì)發(fā)生反應造成的；本身鐵離子與碘離子產(chǎn)生的電流較小，加入銀離子減小了碘離子濃度，導致電流會更小；使用阻力較大、離子遷移速率較慢的鹽橋，雖然利用了較為靈敏的電流傳感器，但是電流曲線的變化仍然不明顯。綜上所述，本研究將此實驗進行了再改進，力求操作簡單方便、試劑用量少無污染、耗時短、利用圖像直觀明了，幫助學生理解可逆反應既可以正向進行又可以逆向進行。

3 實驗裝置改進

3.1 實驗原理

2Fe3++3I-2Fe2++I－3

設計成原電池，如圖1所示。

3.1.1 計算使2Fe3++3I-2Fe2++I－3向左進行的Fe2+最低濃度

將反應拆成2個半反應：

① Fe3++e-Fe2+ φθ（Fe3+/Fe2+）=0.77V［10］

② 3I--2e-I－3φθ（I－3/I-）=0.53V［11］

由于溶液中離子間存在相互作用，當溶液中離子濃度較大時，需要考慮離子強度，而稀溶液則可忽略該作用。因此假設c（I-）=c（Fe3+）=0.01mol/L，又根據(jù)

I-+I2I－3 K=710［12］

可知：c（I－3）=7.10mol/L。只改變c（Fe2+），根據(jù)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-）

若使反應向左進行，則有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時，該反應可實現(xiàn)向左進行。

3.1.2 計算2Fe3++3I-2Fe2++I－3向右進行的I-最低濃度

假設c（I－3）=c（Fe3+）=c（Fe2+）=0.01mol/L，只改變c（I-），根據(jù)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-）

若使反應向右進行，則有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時，該反應可實現(xiàn)向右進行。

電流傳感器是一種用于測量電流的裝置，將其連接被測電路中，它將電流轉(zhuǎn)換成與之成正比的電流信號，從而實現(xiàn)對電流的測量。微電流傳感器（單位：微安）比電流傳感器（單位：安）更靈敏，圖像變化更明顯。

負極：帶陰離子交換膜的塑料瓶盛裝有硫酸亞鐵溶液

正極：帶陽離子交換膜的塑料瓶盛裝有碘水溶液

離子導體：硫酸鈉溶液

電流方向：從正極沿導線流向負極

一段時間后，向負極加硫酸鐵固體，電流方向相反。

3.2 實驗材料

直徑6cm、高4cm帶蓋小塑料盒，直徑2cm、高8cm的塑料瓶2只，陰離子交換膜、陽離子交換膜（網(wǎng)購）、石墨電極

3.3 裝置的制作

其制作的過程如下：

（1） 直徑2cm、高8cm的塑料瓶底部開直徑0.5cm的口，用于放置石墨電極。

（2） 塑料瓶蓋打孔，確保離子導體與氧化劑溶液、還原劑溶液直接接觸。

（3） 把裁剪成與塑料瓶蓋內(nèi)徑大小相當?shù)年?、陽離子交換膜，分別固定在兩塑料瓶蓋內(nèi)，作為陰極室和陽極室，該塑料瓶蓋已開孔。

（4） 取有蓋小塑料盒作為反應容器，頂端蓋上開兩個直徑2cm的孔，用于放置正極區(qū)塑料瓶和負極區(qū)塑料瓶。裝置材料及尺寸如圖2所示。

3.4 裝置的使用

3.4.1 實驗器材及藥品

（1） 實驗器材：改進原電池裝置一套、微電流傳感器、數(shù)據(jù)處理器、注射器、玻璃棒

（2） 實驗藥品：0.1mol/L硫酸亞鐵溶液，0.01mol/L碘水、硫酸鐵固體，0.01mol/L硫酸鈉溶液、0.5mol/L硝酸銀溶液、0.01mol/L硝酸鉀溶液、蒸餾水

（3） 電極材料：石墨電極

3.4.2 亞鐵離子與碘水的可逆反應

用注射器向負極中加注0.1mol/L的硫酸亞鐵溶液5mL，用5mL蒸餾水稀釋，插入石墨電極；用注射器向正極加注碘水10mL，插入石墨電極；在反應容器中加入0.01mol/L硫酸鈉溶液作為離子導體；兩電極區(qū)塑料瓶固定在反應容器蓋孔內(nèi)，確保電極區(qū)溶液與離子導體接觸；接入微電流傳感器及數(shù)據(jù)處理器，連接電路，打開軟件，采集數(shù)據(jù)（采樣頻率10Hz/s，下同）。觀察到電流曲線逐漸減小并趨于水平。

負極：2Fe2+-2e-2Fe3+

正極：I－3+2e-3I-

總反應：2Fe2++I－32Fe3++3I-

3分鐘后，取出負極石墨棒，用藥匙從上端開口處向其中加入2.0g的Fe2（SO4）3固體，用玻璃棒稍微攪拌。再插入石墨電極，可觀察電流方向相反，電流逐漸減小并趨于水平。電流變化如圖3所示。

負極：3I--2e-I－3

正極：2Fe3++2e-2Fe2+

總反應：2Fe3++3I-2Fe2++I－3

綜合電流方向的變化，證明此反應既可以正向進行又可以逆向進行，因而是可逆反應。

2Fe3++3I-2Fe2++I－3

3.4.3 亞鐵離子與銀離子的可逆反應

3.4.3.1 實驗原理

Fe2++Ag+Fe3++Ag↓

設計成原電池，如圖1所示。

滿足c（Fe3+）>3.2×10-2mol/L， c（Ag+）<0.31mol/L［13］，反應逆向進行。

負極：帶陽離子交換膜的塑料瓶盛裝有硫酸亞鐵溶液

正極：帶陰離子交換膜的塑料瓶盛裝有硝酸銀溶液

離子導體：硝酸鉀溶液

電流方向：從正極沿導線流向負極

一段時間后，向負極加硫酸鐵固體，電流方向相反。

3.4.3.2 實驗操作

用注射器向負極加注0.1mol/L的硫酸亞鐵溶液1mL，用9mL蒸餾水稀釋，插入石墨電極；用注射器向正極加注0.5mol/L硝酸銀溶液0.2mL，用10mL水稀釋，插入石墨電極；在反應容器中加入0.01mol/L硝酸鉀溶液；兩電極區(qū)塑料瓶固定在反應容器蓋孔內(nèi)，確保電極區(qū)溶液與離子導體接觸；接入微電流傳感器及數(shù)據(jù)處理器，連接電路，打開軟件，采集數(shù)據(jù)。觀察到電流曲線的逐漸減小，并趨于水平。

負極：Fe2+-e-Fe3+

正極：Ag++e-Ag↓

總反應：Fe2++Ag+Fe3++Ag↓

約4分鐘后，取出負極石墨棒，用藥匙從上端開口處向其中加入1.6g的Fe2（SO4）3固體，用玻璃棒稍微攪拌。再插入石墨電極，可觀察電流方向相反，電流逐漸減小并趨于水平。電流變化如圖4所示。

負極：Ag-e-Ag+

正極：Fe3++e-Fe2+

總反應：Fe3++AgFe2++Ag+

綜合電流方向的變化，證明此反應為可逆反應。

Fe2++Ag+Fe3++Ag↓

說明：在本組實驗前，亞鐵離子與銀離子已經(jīng)放電一段時間，硝酸銀溶液中的石墨電極上已附著少量銀。

3.5 驗證氧化還原類型的可逆反應分析模型

本研究把氧化反應與還原反應分開進行，設計成雙液原電池，氧化劑與還原劑在兩極區(qū)放電，產(chǎn)生電流。改變某種微粒濃度，使電流方向相反，根據(jù)電流方向的不同，證明是可逆反應。

3.6 實驗改進的優(yōu)點

把氧化還原類型的可逆反應設計成原電池，并采用微電流傳感器、離子交換膜，學生不僅感受到電化學與氧化還原反應模塊間的關聯(lián)，也體會到科學技術對化學學科的重要價值。此裝置操作簡單、耗時短、試劑用量少、一器多用，適合學生分組實驗或拓展性實驗。同時學生借助曲線方向的變化，建構證明可逆反應的一種思維模型，學生證據(jù)推理與模型認知能力得到發(fā)展。

通過實驗的改進，學生更容易理解魯科版與蘇教版中利用二氧化硫與氧氣催化氧化生成三氧化硫為可逆反應，并為后續(xù)從速率角度建構化學平衡過程與化學平衡狀態(tài)的學習搭建了平臺。

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