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靛蓝胭脂红和葡萄糖反应“红绿灯”实验的探究

摘要：?利用氧化还原传感器测量靛蓝胭脂红和葡萄糖反应的“红绿灯”实验中靛蓝胭脂红与其还原态靛蓝胭脂红隐色酸盐之间存在的电势差以及随时间变化的情况。电势上升表明靛蓝胭脂红隐色酸盐被氧气氧化，电势下降表明靛蓝胭脂红被葡萄糖还原。通过调整温度、反应物浓度等条件，观察溶液颜色变化周期的时长，以此来探究外界条件变化对化学反应速率的影响。通过分析实验现象并结合理论研究，推断靛蓝胭脂红和葡萄糖反应的可能机理。

关键词：?“红绿灯”实验；振荡反应；氧化还原传感器；化学反应速率

1?问题提出

在众多探究化学反应速率影响因素的实验中，靛蓝胭脂红与葡萄糖反应的“红绿灯”实验是一个重要的演示实验。以往的研究大部分是从宏观现象入手，观察溶液的颜色和反应周期时长变化，但缺少对反应过程的量化表征。也有人利用色度计探究了浓度对靛蓝胭脂红和葡萄糖反应速率的影响［1］，但没有对其他影响因素进行探究，教师无法直接利用该实验的结论进行完整课时的教学。靛蓝胭脂红在溶液中被葡萄糖还原时，靛蓝胭脂红与其还原态靛蓝胭脂红隐色酸盐之间存在的电势差会发生改变。本研究将利用氧化还原传感器对氧化过程和还原过程中的电势变化进行量化表征。数字化实验通过配套软件所绘制的属性曲线图像，可使数据更具有直观性，为学生头脑中的抽象概念建立模型认知，克服认知难点，丰富实验结果的呈现或实现实验条件的自动化控制［2，3］。本實验通过分析得到的电势—时间曲线，旨在探究温度和浓度对靛蓝胭脂红和葡萄糖反应速率的影响，将实验结论全面落实在高中化学知识点上。实验结果可以直接用于一线教学，为教师提供外界条件影响化学反应速率的实验数据，培养学生的证据推理能力；也可以作为学生数字化实验的方法指导，引导学生从传统实验过渡到数字化实验中来。

关于靛蓝胭脂红和葡萄糖反应的原理，有人通过类比靛蓝胭脂红在通电条件下发生的氧化还原反应的原理，推断得出其在空气中未通电时的反应原理。

如图1、图2所示，该文献认为还原过程的原理为，绿色的靛红磺酸盐在碱性溶液中，被葡萄糖先后还原为红色的靛蓝胭脂红和黄色的靛蓝胭脂红隐色酸盐；氧化过程的原理为，靛蓝胭脂红隐色酸盐被氧气先后氧化为靛蓝胭脂红和靛红磺酸盐［4］。

此推断存在的问题是：

（1）从反应条件的角度看，在通电条件下进行的氧化还原过程与自发进行的氧化还原过程可能是不同的，外界施加的电压可能会使不能自发的化学反应发生。如何能由在通电条件下发生的氧化还原反应简单地推论到在空气中自然发生的氧化还原反应呢？

（2）从发色基团的角度看，靛蓝胭脂红与靛蓝（蓝色）有着相同的发色团，为何会出现红色溶液的显色成分？靛红磺酸盐和靛红（红色）有着相同的发色团，又为何会出现绿色溶液的显色成分？

（3）从实践的角度看，我国古代利用靛蓝染色的反应原理是，靛蓝被还原成可溶于水的靛蓝隐色酸盐后被织物吸附，经透风氧化变为靛蓝［5］。该原理表明，在空气中靛蓝隐色酸盐大部分会被氧化到靛蓝而非靛红。作为与靛蓝有着十分相似的氧化还原性能的靛蓝磺化产物，靛蓝胭脂红隐色酸盐在空气中为何能大部分被氧化成靛红磺酸盐？

为此，本研究将分析实验所得电势——时间曲线，结合理论研究，对靛蓝胭脂红和葡萄糖的反应机理进行重新推断。

2?实验方案

2.1?实验原理

有一类反应在一定条件下，其中间产物的浓度会随时间呈周期性变化，这类反应叫做化学振荡反应［6］。靛蓝胭脂红和葡萄糖反应的“红绿灯”实验就是这样一个振荡反应。

靛蓝胭脂红又名靛蓝二磺酸钠，是靛蓝的磺化产物。相对于靛蓝，靛蓝胭脂红在水中的溶解性更强，氧化还原性能则十分相似［7］。其结构如图3所示。

葡萄糖的分子结构如图4所示。

葡萄糖分子内含有醛基，醛基具有还原性，可还原靛蓝胭脂红。向靛蓝胭脂红的水溶液中加入适量碱，溶液呈绿色，加入葡萄糖后靛蓝胭脂红被葡萄糖还原，经红色中间体半醌到黄色的靛蓝胭脂红隐色酸盐。振摇时与氧气反应，由靛蓝胭脂红隐色酸盐经半醌又变回靛蓝胭脂红，反应过程如图5所示。

对于本实验来说，温度、反应物浓度均能影响此振荡反应的周期时长，振荡周期的长短反映了化学反应速率的快慢，溶液的碱性强度能影响反应的现象。

2.2?实验用品

2.2.1?实验试剂

葡萄糖（AR），靛蓝胭脂红（BS），氢氧化钠（AR），蒸馏水

2.2.2?实验仪器

锥形瓶，滴管，量筒，玻璃棒，磁力搅拌器，铁夹，温度计，手机支架，氧化还原传感器，电脑及配套软件VernierGraphicalAnalysis

2.3?实验装置

如图6所示，将锥形瓶放置在磁力搅拌器上，在磁力搅拌器的支架上用铁夹夹持氧化还原传感器，使传感器的玻璃泡浸没在溶液中但不触碰磁子。氧化还原传感器通过蓝牙无线连接电脑。

氧化还原电势传感器能够测量溶液中氧化剂的氧化能力或还