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摘要：海带提碘是高中化学重要的定性实验，在现行教材中，通常用氯水和双氧水作为氧化剂，将碘离子氧化为碘单质，为促进学生更深入学习氧化还原反应原理，基于数字传感器，选取氯水、双氧水、铁离子这三种氧化剂来滴定海带提取液，比较其氧化性强弱，并结合实验室、工业上海带提碘流程的区别，进行教学实践研究。
关键词：海带提碘;氧化还原滴定;电位传感器
文章编号：1008-0546（ 2021）01-0075-03
中图分类号：G632.41
文献标识码：B
doi： 10.3969/j .issn.1008-0546.2021.01.020
一、问题提出
碘元素是人体生命中重要的微量元素，也是国家必要的战略物资，是制造无机和有机碘化物的基础原料，在食品、医疗、化工、冶金等领域有着广泛的用途[1]。海水中有丰富的碘元素，从海带中提取碘是高中化学中重要的实验之一，也是学习氧化还原反应原理在实际工业生产应用中的缩影。在现行的沪教版教材中，采用氯水氧化海带提取液中的碘离子[2]。但由于氯水的氧化性很强，不僅容易将碘离子氧化到碘单质，还会进一步把碘单质氧化为碘酸根离子，且很难控制氧化剂的量;新制氯水稳定性小，易光分解，所含成分复杂，每种成分的量模糊不易确定;制备过程中毒性大，该氧化剂不适用于化学课堂上的演示实验。因此，选择一种最佳的氧化剂将碘离子精确氧化到最大量的碘单质，成了当前化学课堂中必不可少的实验探究环节，也是培养学生“将理论与实际相结合”观念的重要教学活动。本文以人教版高中化学教材必修《化学2》[3]第四章第一节海带提碘教学为例，基于氧化还原电势传感器，在碘离子转化为碘单质的最佳氧化剂的选择上，做了一些教学实践。
二、教学设计
以海带提碘为教学情境，运用氧化还原反应原理，比较氯水、双氧水、铁离子的氧化性强弱顺序，解决“将碘离子精确氧化到碘单质”的问题，教学流程如图1所示。
1.问题驱动，激发思考
[情境]海带中富含碘元素，目前我国工业上主要以海带为原料来提取碘，提取碘的两种主要方法是“浸泡法”与“灼烧法”。这是在实验室里通过灼烧法得到的海带灰提取液，理论上认为其中碘的主要存在状态为碘离子。
[提问]如何检测证明该试剂中提取到了碘元素呢？
[设计方案]根据氧化还原反应原理，利用氯水做氧化剂氧化海带提取液中的物质（碘离子），再用淀粉溶液检验其中是否存在碘单质。
[学生实验]在试管中取ImL（约1滴管）海带灰提取液（含I一），加2滴淀粉溶液，再逐滴加入氯水，不断振荡。
[观察现象]溶液先出现蓝色，后又变成无色。
[提问]淀粉遇碘显蓝色，为什么溶液又变成无色呢？
2.实验探究，证据推理
[猜想]可能是氯水过量或氯水氧化性太强，把碘离子氧化成碘单质后，继续氧化成为高价态的碘化合物，可能为碘酸盐。
[板书]反应1：2I- Cl2= 2Cl- I2
反应2：I2 SCl2 6H2O= 2HIO3 10HCl
[提问]工业生产如何保证I2量的最大化？如何将I一精准地氧化成为I2呢？
[讨论]氯水过量会导致生成碘酸盐;逐滴加入氯水是实验关键点，需要控制该反应只生成单质碘。
[设计方案]利用现有试剂氯水，采取酸性条件下的氧化还原电位测定法可以较为准确地控制氧化剂的加入量，使I-的氧化反应停留在生成I2的阶段。
[演示实验]利用氧化还原电位（ORP）传感器测量反应溶液，实时检测，控制物质被氧化的程度，实验装置如图2所示。随着氯水的不断滴加，海带提取液由无色到出现蓝色，蓝色不断加深，接着又逐渐褪成无色。
[讲解]图3曲线中纵坐标“电极电位”表示物质氧化性的强弱，数值越大，氧化性越强。
[收集证据]在滴人氯水过程中，开始时电位曲线较低，反映的是溶液中碘离子的氧化性，当溶液中物质的氧化性升高后曲线大致保持在一个水平线上，此时溶液中的物质可能是碘单质;继续滴加氯水，曲线变化呈现上升突跃，此刻反映溶液中有更高价态的氧化产物生成，可能是碘酸根;当滴加的氯水过量时，溶液中碘酸根的量保持不变，曲线最后的位置显示的则是过量氯水的氧化性。
[推理]由图3的曲线表明，可以通过逐渐滴加氯水，从而精准控制只生成碘单质的氯水滴加量。
3.现象论证，原理建模
[提问]通常使用的氧化剂有哪些物质呢？它们氧化性强弱的顺序如何？
[讨论]高锰酸钾、氯水、双氧水、铁离子……
[信息呈现]各种氧化剂的氧化性（电极电位数据）强弱顺序。
氧化性：KMnO4（H ）>Cl2>H2O2（一定条件下）> Fe3
[提问]是否可以使用某种氧化剂，把海带提取液中的碘离子精准地氧化为碘单质呢？又不会使得碘离子再继续氧化为更高价态的碘酸根呢？请同学们设计解决方案。
[讨论]从氧化剂的选择、实验方案的确定、现象的观察、结论的得出这几个方面来考虑。
问题1：氧化剂如何选择？
分析1：氧化剂的氧化性一定要强于作为氧化产物的碘单质，但不可过强，以免进一步氧化碘单质成为碘酸根。双氧水（一定酸度）和铁离子的氧化性比氯水、酸性高锰酸钾弱，能精确氧化碘离子。
问题2：如何设计实验？
分析2：使用电位传感器检测双氧水（稀硫酸酸化）、铁离子滴定海带提取液中的碘离子（如图4、5所示）。
问题3：如何定性检验碘单质的生成？
分析3：利用淀粉溶液指示氧化还原反应过程中碘单质的生成。 问题4：有何实验现象？
分析4：双氧水滴加过程中，溶液变蓝，不再褪色;铁离子滴加过程中，溶液变蓝后又逐渐变棕色。
问题5：证据支持了何种结论？
分析5：双氧水和铁离子作为氧化剂氧化碘离子，可以得到最大量碘单质，而且不再被继续氧化成高价态的碘酸根。双氧水具有绿色化学特点，是无污染的氧化剂，但必须控制溶液的酸度确定其氧化性;铁离子氧化性虽不受溶液酸度影响，但因产物亚铁离子颜色的影响，溶液不再呈现蓝色，而是蓝色和浅绿色的综合——棕色，影响实验观察。
[得出结论]双氧水和铁离子作为氧化剂可以控制碘离子的氧化程度，即可以氧化到碘单质。
4.概况总结，思想升华
[提问]总结实验室提碘流程（见图6）。工业提碘流程（见图7）是怎样的呢？
[评价]工业海带提碘与实验室模拟海带提碘相比，更具绿色环保。富集碘单质时不使用四氯化碳、不需要蒸馏四氯化碳，能耗低，不用灼烧海带造成空气污染，还可以提取甘露醇;另外，氯水在这三种氧化剂中是最便宜、最易得的。工业上海带提碘不仅要考虑氧化剂的可行性，还要考虑原料的经济性等其他因素，正是利用了灵敏的分析仪器实时监测，来控制氯水的量，从而得到碘单质的最大量、最纯化，这就是化学为工业生产做出巨大贡献的具体体现。
[总结]这节课学习了由碘离子被氧化成碘单质过程中的氧化还原反应原理。运用电位传感器测出的图像数据定量地表现了氧化剂的氧化程度等问题。伽利略曾说“一种科学只有在成功运用数学时，才算达到完善的程度！”
三、教学启示
1.借助数字化传感器，结合宏观现象理解化学变化的微观本质
化学反应体系是一个复杂、多变的体系，仅仅呈现宏观现象不足以帮助学生认识反应本质与微观变化，这时数字化传感器可以替代人体感官，客观、直接、准确地记录实验数据并实时呈现[4]，傳感器的介入使化学反应过程达到了实证化、动态化和定量化[5]。引导学生认识数字化传感器的用途，例如本教学中测量碘离子被氧化为碘单质（加入淀粉溶液显蓝），以及可被氯水继续氧化为碘酸根（淀粉溶液蓝色褪去），形成数据表征的量化图像，从定性分析方法上升到定量研究方法。
2.认识化学在社会发展中的重要价值，形成科学态度陶冶科学精神
认识从植物中提取某些化学成分（例如本节课中从海带中提取碘）的重要价值和方法，提高参与化学工业和科技活动的热情和兴趣，催发将化学知识应用于化工生产、日常生活实践的意识，及其对人类社会、生态环境产生的影响展开评估，形成科学价值观，提升学生的绿色环保的科学态度和社会责任。
3.从科学探究中深化物质守恒原理，建立量变与质变观念
落实科学探究的第一步就是发现和提出有探究价值的化学问题，基于真实的问题驱动进行假设猜想、设计方案、实验探究、得出结论等一系列探究活动，结合量变与质变，深化物质转化过程中守恒的原理。
参考文献
[1] 高利伟，史联军，郑江华，回收碘的研究[J].贵州工业大学学报：自然科学版（4）：16-19
[2] 高级中学课本·化学（试用本）[M].上海：上海科学教育出版社，2007：39-44
[3] 宋心琦.普通高中课程标准实验教科书·实验化学[M].北京：人民教育出版社，2007（2）：20-21
[4]王帼君.由宏观现象探究微观反应本质——利用传感器技术探究“海带提碘”实验中发现的问题[J].化学教与学，2018（9）
[5] 马宏佳.化学数字化实验的理论与实践[M].北京：人民教育出版社，2016：4
关键词：海带提碘;氧化还原滴定;电位传感器
文章编号：1008-0546（ 2021）01-0075-03
中图分类号：G632.41
文献标识码：B
doi： 10.3969/j .issn.1008-0546.2021.01.020
一、问题提出
碘元素是人体生命中重要的微量元素，也是国家必要的战略物资，是制造无机和有机碘化物的基础原料，在食品、医疗、化工、冶金等领域有着广泛的用途[1]。海水中有丰富的碘元素，从海带中提取碘是高中化学中重要的实验之一，也是学习氧化还原反应原理在实际工业生产应用中的缩影。在现行的沪教版教材中，采用氯水氧化海带提取液中的碘离子[2]。但由于氯水的氧化性很强，不僅容易将碘离子氧化到碘单质，还会进一步把碘单质氧化为碘酸根离子，且很难控制氧化剂的量;新制氯水稳定性小，易光分解，所含成分复杂，每种成分的量模糊不易确定;制备过程中毒性大，该氧化剂不适用于化学课堂上的演示实验。因此，选择一种最佳的氧化剂将碘离子精确氧化到最大量的碘单质，成了当前化学课堂中必不可少的实验探究环节，也是培养学生“将理论与实际相结合”观念的重要教学活动。本文以人教版高中化学教材必修《化学2》[3]第四章第一节海带提碘教学为例，基于氧化还原电势传感器，在碘离子转化为碘单质的最佳氧化剂的选择上，做了一些教学实践。
二、教学设计
以海带提碘为教学情境，运用氧化还原反应原理，比较氯水、双氧水、铁离子的氧化性强弱顺序，解决“将碘离子精确氧化到碘单质”的问题，教学流程如图1所示。
1.问题驱动，激发思考
[情境]海带中富含碘元素，目前我国工业上主要以海带为原料来提取碘，提取碘的两种主要方法是“浸泡法”与“灼烧法”。这是在实验室里通过灼烧法得到的海带灰提取液，理论上认为其中碘的主要存在状态为碘离子。
[提问]如何检测证明该试剂中提取到了碘元素呢？
[设计方案]根据氧化还原反应原理，利用氯水做氧化剂氧化海带提取液中的物质（碘离子），再用淀粉溶液检验其中是否存在碘单质。
[学生实验]在试管中取ImL（约1滴管）海带灰提取液（含I一），加2滴淀粉溶液，再逐滴加入氯水，不断振荡。
[观察现象]溶液先出现蓝色，后又变成无色。
[提问]淀粉遇碘显蓝色，为什么溶液又变成无色呢？
2.实验探究，证据推理
[猜想]可能是氯水过量或氯水氧化性太强，把碘离子氧化成碘单质后，继续氧化成为高价态的碘化合物，可能为碘酸盐。
[板书]反应1：2I- Cl2= 2Cl- I2
反应2：I2 SCl2 6H2O= 2HIO3 10HCl
[提问]工业生产如何保证I2量的最大化？如何将I一精准地氧化成为I2呢？
[讨论]氯水过量会导致生成碘酸盐;逐滴加入氯水是实验关键点，需要控制该反应只生成单质碘。
[设计方案]利用现有试剂氯水，采取酸性条件下的氧化还原电位测定法可以较为准确地控制氧化剂的加入量，使I-的氧化反应停留在生成I2的阶段。
[演示实验]利用氧化还原电位（ORP）传感器测量反应溶液，实时检测，控制物质被氧化的程度，实验装置如图2所示。随着氯水的不断滴加，海带提取液由无色到出现蓝色，蓝色不断加深，接着又逐渐褪成无色。
[讲解]图3曲线中纵坐标“电极电位”表示物质氧化性的强弱，数值越大，氧化性越强。
[收集证据]在滴人氯水过程中，开始时电位曲线较低，反映的是溶液中碘离子的氧化性，当溶液中物质的氧化性升高后曲线大致保持在一个水平线上，此时溶液中的物质可能是碘单质;继续滴加氯水，曲线变化呈现上升突跃，此刻反映溶液中有更高价态的氧化产物生成，可能是碘酸根;当滴加的氯水过量时，溶液中碘酸根的量保持不变，曲线最后的位置显示的则是过量氯水的氧化性。
[推理]由图3的曲线表明，可以通过逐渐滴加氯水，从而精准控制只生成碘单质的氯水滴加量。
3.现象论证，原理建模
[提问]通常使用的氧化剂有哪些物质呢？它们氧化性强弱的顺序如何？
[讨论]高锰酸钾、氯水、双氧水、铁离子……
[信息呈现]各种氧化剂的氧化性（电极电位数据）强弱顺序。
氧化性：KMnO4（H ）>Cl2>H2O2（一定条件下）> Fe3
[提问]是否可以使用某种氧化剂，把海带提取液中的碘离子精准地氧化为碘单质呢？又不会使得碘离子再继续氧化为更高价态的碘酸根呢？请同学们设计解决方案。
[讨论]从氧化剂的选择、实验方案的确定、现象的观察、结论的得出这几个方面来考虑。
问题1：氧化剂如何选择？
分析1：氧化剂的氧化性一定要强于作为氧化产物的碘单质，但不可过强，以免进一步氧化碘单质成为碘酸根。双氧水（一定酸度）和铁离子的氧化性比氯水、酸性高锰酸钾弱，能精确氧化碘离子。
问题2：如何设计实验？
分析2：使用电位传感器检测双氧水（稀硫酸酸化）、铁离子滴定海带提取液中的碘离子（如图4、5所示）。
问题3：如何定性检验碘单质的生成？
分析3：利用淀粉溶液指示氧化还原反应过程中碘单质的生成。 问题4：有何实验现象？
分析4：双氧水滴加过程中，溶液变蓝，不再褪色;铁离子滴加过程中，溶液变蓝后又逐渐变棕色。
问题5：证据支持了何种结论？
分析5：双氧水和铁离子作为氧化剂氧化碘离子，可以得到最大量碘单质，而且不再被继续氧化成高价态的碘酸根。双氧水具有绿色化学特点，是无污染的氧化剂，但必须控制溶液的酸度确定其氧化性;铁离子氧化性虽不受溶液酸度影响，但因产物亚铁离子颜色的影响，溶液不再呈现蓝色，而是蓝色和浅绿色的综合——棕色，影响实验观察。
[得出结论]双氧水和铁离子作为氧化剂可以控制碘离子的氧化程度，即可以氧化到碘单质。
4.概况总结，思想升华
[提问]总结实验室提碘流程（见图6）。工业提碘流程（见图7）是怎样的呢？
[评价]工业海带提碘与实验室模拟海带提碘相比，更具绿色环保。富集碘单质时不使用四氯化碳、不需要蒸馏四氯化碳，能耗低，不用灼烧海带造成空气污染，还可以提取甘露醇;另外，氯水在这三种氧化剂中是最便宜、最易得的。工业上海带提碘不仅要考虑氧化剂的可行性，还要考虑原料的经济性等其他因素，正是利用了灵敏的分析仪器实时监测，来控制氯水的量，从而得到碘单质的最大量、最纯化，这就是化学为工业生产做出巨大贡献的具体体现。
[总结]这节课学习了由碘离子被氧化成碘单质过程中的氧化还原反应原理。运用电位传感器测出的图像数据定量地表现了氧化剂的氧化程度等问题。伽利略曾说“一种科学只有在成功运用数学时，才算达到完善的程度！”
三、教学启示
1.借助数字化传感器，结合宏观现象理解化学变化的微观本质
化学反应体系是一个复杂、多变的体系，仅仅呈现宏观现象不足以帮助学生认识反应本质与微观变化，这时数字化传感器可以替代人体感官，客观、直接、准确地记录实验数据并实时呈现[4]，傳感器的介入使化学反应过程达到了实证化、动态化和定量化[5]。引导学生认识数字化传感器的用途，例如本教学中测量碘离子被氧化为碘单质（加入淀粉溶液显蓝），以及可被氯水继续氧化为碘酸根（淀粉溶液蓝色褪去），形成数据表征的量化图像，从定性分析方法上升到定量研究方法。
2.认识化学在社会发展中的重要价值，形成科学态度陶冶科学精神
认识从植物中提取某些化学成分（例如本节课中从海带中提取碘）的重要价值和方法，提高参与化学工业和科技活动的热情和兴趣，催发将化学知识应用于化工生产、日常生活实践的意识，及其对人类社会、生态环境产生的影响展开评估，形成科学价值观，提升学生的绿色环保的科学态度和社会责任。
3.从科学探究中深化物质守恒原理，建立量变与质变观念
落实科学探究的第一步就是发现和提出有探究价值的化学问题，基于真实的问题驱动进行假设猜想、设计方案、实验探究、得出结论等一系列探究活动，结合量变与质变，深化物质转化过程中守恒的原理。
参考文献
[1] 高利伟，史联军，郑江华，回收碘的研究[J].贵州工业大学学报：自然科学版（4）：16-19
[2] 高级中学课本·化学（试用本）[M].上海：上海科学教育出版社，2007：39-44
[3] 宋心琦.普通高中课程标准实验教科书·实验化学[M].北京：人民教育出版社，2007（2）：20-21
[4]王帼君.由宏观现象探究微观反应本质——利用传感器技术探究“海带提碘”实验中发现的问题[J].化学教与学，2018（9）
[5] 马宏佳.化学数字化实验的理论与实践[M].北京：人民教育出版社，2016：4