結(jié)合加熱試管中火柴頭實驗的二氧化硫褪色實驗

汪 英

（蘇州市平江中學(xué) 江蘇 蘇州 215031）

一、問題的提出

在滬教版九年級化學(xué)教科書上冊第6頁中，編者安排了一個二氧化硫（SO2）褪色演示實驗。該實驗如圖1所示：在小燒杯A中加入2mL~3mL淺紫紅色高錳酸鉀（KMnO4）溶液，將2根含硫火柴點燃，迅速伸入燒杯B中，片刻后取出火柴，振蕩燒杯A，觀察發(fā)生的現(xiàn)象［1］。該實驗的目的是希望通過KMnO4溶液的褪色現(xiàn)象來展示：含硫火柴燃燒會產(chǎn)生一種大氣污染氣體—SO2。借以說明化學(xué)指導(dǎo)人類合理利用資源，以實現(xiàn)社會的可持續(xù)發(fā)展［1-2］。

圖1 SO2褪色實驗

但在實際教學(xué)過程中，該實驗耗時長、污染嚴重、且褪色現(xiàn)象不明顯。實驗具體情況為：一次點燃2根含硫火柴后，KMnO4溶液基本不褪色；往往在連續(xù)點燃3次（6根含硫火柴）后，KMnO4溶液才開始有褪色現(xiàn)象出現(xiàn)；連續(xù)點燃8至12根（甚至更多）含硫火柴后，KMnO4溶液才褪成肉色；此后繼續(xù)點燃含硫火柴，燒杯B中出現(xiàn)大量炭黑且很燙手，同時空氣中彌漫著刺鼻的氣味，而KMnO4溶液卻很難繼續(xù)褪色，實驗進入瓶頸階段。

此時學(xué)生卻表現(xiàn)出極大的興趣，會要求老師繼續(xù)將實驗做下去，希望看到KMnO4溶液完全褪清。而授課教師則陷入兩難境地：若繼續(xù)實驗，不僅浪費寶貴的上課時間，增加不安全因素和空氣污染，而且最終實驗現(xiàn)象也難以達到學(xué)生的預(yù)期，反而使學(xué)生形成一個錯誤的認識：SO2只能使KMnO4溶液的顏色褪成肉色，同時也增加了教師對實驗的解釋難度；而為了節(jié)省上課時間，在溶液顏色褪成肉色后即終止實驗，并告知學(xué)生“只要再多做幾次，KMnO4溶液的顏色就會褪清”，不僅不能滿足學(xué)生的求知欲，還不利于培養(yǎng)學(xué)生以求甚解的科學(xué)探究精神、形成嚴謹治學(xué)的科學(xué)素養(yǎng)。

為此，有的教師干脆放棄實驗演示，改為直接告知學(xué)生實驗現(xiàn)象及結(jié)論，但卻因此失去了一次很好的激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣、培養(yǎng)學(xué)生良好的實驗習(xí)慣和認知化學(xué)學(xué)科重要性的機會。

二、原實驗方案缺陷分析

原SO2褪色實驗現(xiàn)象不顯著，存在明顯缺陷。其原因主要是：此實驗方案中燒杯的容積相對較大，故含硫火柴頭燃燒產(chǎn)生的SO2氣體濃度較?。磺褹、B燒杯之間不能密封，火柴頭燃燒產(chǎn)生的氣體很容易逸散到燒杯外的空氣中，從而進入燒杯A中的SO2氣體非常有限，一次操作根本不出現(xiàn)褪色現(xiàn)象。

為了達到褪色效果，只能多次重復(fù)點燃含硫火柴。既耗時又造成大量的SO2氣體逸散，同時由于多根火柴被限制在有限的空間內(nèi)燃燒，勢必造成燒杯B中氧氣缺乏，容易發(fā)生火柴梗中碳的不完全燃燒，產(chǎn)生有毒的CO氣體。有毒的SO2和CO氣體的大量逸散，造成實驗操作者和周圍學(xué)生的不適。而且火柴梗中碳不完全燃燒產(chǎn)生的炭黑會附著在燒杯B內(nèi)，甚至落入燒杯A中，造成實驗環(huán)境不清晰，影響觀察和判斷。燒杯B中氧氣的缺乏，也會使得火柴頭中的硫無法完全燃燒，產(chǎn)生的SO2就相應(yīng)減少，加之逸散，后繼褪色現(xiàn)象很難持續(xù)。

三、實驗的探究與改進

結(jié)合滬教版九年級化學(xué)教科書上冊第13頁的 “加熱試管中的火柴頭”實驗（如圖 2 所示）［1］，對 SO2褪色實驗進行了改進。

圖2 加熱試管中的火柴頭

1.所需的儀器和用品

100mL 燒杯（1 個）、10mL 量筒（1 個）、膠頭滴管（1個）、20mm×200mm 大試管（1 支）、15mm×150mm 小試管（1 支）、試管配套橡皮塞（大小各 1 個）、試管夾（1 個）、酒精燈（1 臺）。

含硫火柴、高錳酸鉀溶液。

2.實驗裝置

改進后的實驗裝置如圖3所示。

圖3 改進后的實驗裝置

3.實驗探究過程

（1）實驗準備

取2粒芝麻大的KMnO4粉末，溶于1000mL水，配制成KMnO4淺紫紅色溶液備用。

（2）操作并記錄

取1~3根含硫火柴，將火柴頭朝下并列放進試管底部，隨即把橡皮塞輕輕塞到試管口上（不要塞緊），并用試管夾夾持試管（試管口斜向上，不能向著任何人）。在酒精燈上加熱，當溫度升高到一定程度時，試管內(nèi)火柴頭燃燒，產(chǎn)生白煙，待橡皮塞“嘭”的一聲被彈飛后立即將此試管倒插在裝有KMnO4淺紫紅色溶液的小燒杯中。觀察KMnO4溶液的顏色及試管內(nèi)液面高度的變化情況（為加快實驗現(xiàn)象的出現(xiàn)，還可輕輕振蕩燒杯、搖動試管，注意不可讓試管口移出溶液）。

以含硫火柴的根數(shù)、KMnO4溶液的用量、試管的容積大小為變量，分別做了幾組對比實驗，記錄KMnO4溶液的顏色褪成無色時所需時間、觀察試管內(nèi)液面高度的變化情況。相關(guān)實驗數(shù)據(jù)見表1所示。

表1 KMnO4溶液褪清所需時間及試管內(nèi)液面變化

（3）注意事項

由于含硫火柴頭的實際大小不完全一致、試管口插入溶液的快慢、振蕩燒杯和搖動試管的幅度及頻率、實驗操作者對KMnO4溶液褪色程度的判斷、計時等因素的影響，表1中的實驗數(shù)據(jù)不可避免會出現(xiàn)一定的誤差，做實驗時要盡可能注意控制變量、減少誤差。

（4）規(guī)律尋找及反思

由表1可知：①KMnO4溶液用量和試管容積相同時，含硫火柴的根數(shù)越多，褪色越快；②含硫火柴的根數(shù)和試管容積相同時，KMnO4溶液用量越少，褪色越快；③在KMnO4溶液用量和含硫火柴的根數(shù)都相同時，試管容積與褪色快慢會出現(xiàn)交錯現(xiàn)象。分析得出：KMnO4溶液褪色快慢受KMnO4溶液的量、SO2的濃度、SO2與KMnO4溶液的接觸面積3個因素共同制約。①、②兩種情況下，3個影響變量已分別控制了其中的2個，KMnO4溶液褪色快慢只受其中1個因素影響，故呈現(xiàn)規(guī)律性變化；而③中SO2的濃度、SO2與KMnO4溶液的接觸面積2個變量都在變，且大小試管使得這2個變量起相反的效果（大試管中SO2的濃度相對較小，但SO2與KMnO4溶液的接觸面積相對較大，小試管則反之），故出現(xiàn)交錯現(xiàn)象。

試管內(nèi)液面明顯上升的原因：試管內(nèi)的氣體被消耗、氣壓減小，導(dǎo)致外界大氣壓把液體壓進去。

4.改進實驗成功的原因分析

試管內(nèi)的SO2與燒杯內(nèi)的KMnO4溶液在封閉體系下反應(yīng)，無逸散，保證了足夠的SO2濃度和量及兩者的充分反應(yīng)時間。所以所需的含硫火柴的根數(shù)少，而能被褪去顏色的KMnO4溶液的量卻大大增加，且褪色明顯快速，污染少。

四、實驗建議

根據(jù)表1分析歸納出：

若做演示實驗，為了便于全班同學(xué)觀察且實驗褪色現(xiàn)象明顯快捷，建議選取KMnO4溶液10mL、含硫火柴3根、試管規(guī)格為20mm×200mm進行實驗。

若做學(xué)生分組實驗，從節(jié)約藥品、安全環(huán)保、且實驗褪色現(xiàn)象明顯快捷的角度考慮，建議選取KMnO4溶液3mL、含硫火柴1根、試管規(guī)格為15mm×150mm進行實驗。

五、改進后實驗的優(yōu)點

1.操作簡單，實驗快速，褪色現(xiàn)象明顯，實驗的成功率百分之百。

2.SO2與KMnO4溶液反應(yīng)相對封閉，整個操作過程中SO2逸散少，不會造成實驗操作者的不適。同時為學(xué)生學(xué)習(xí)SO2污染的處理埋下伏筆。

3.在試管中加熱火柴，只有火柴頭燃燒（火柴梗不燃燒），減少了二氧化碳、一氧化碳和炭黑的產(chǎn)生，實驗相對干凈。

4.使KMnO4溶液顏色褪清所需要的含硫火柴用量少，既節(jié)約資源，又有利于環(huán)保。

5.將兩個實驗相結(jié)合，提高了課堂教學(xué)效率，極大程度地消除了單獨做加熱試管中火柴頭實驗時所產(chǎn)生的SO2氣體對空氣的污染，同時增強了實驗的趣味性，能有效地激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

6.試管中液面上升的現(xiàn)象及壓強差原理的解釋，為后繼學(xué)生學(xué)習(xí)空氣中氧氣含量的測定（包括為什么選用紅磷而不選用木炭、為什么水進入集氣瓶容積的1/5及數(shù)據(jù)偏大或偏小的原因等問題）、各種裝置的氣密性檢查、啟普發(fā)生器的使用原理、通過水位升降或水柱移動協(xié)助判斷反應(yīng)或溶解過程的熱量變化、協(xié)助判斷無明顯現(xiàn)象產(chǎn)生的氣體的水溶性及氣體和溶液反應(yīng)的發(fā)生等內(nèi)容打下實驗基礎(chǔ)，做好知識儲備。從而開拓了學(xué)生的思維，提高了學(xué)生設(shè)計實驗及動手實驗的能力。

［1］ 中學(xué)化學(xué)國家課程標準研制組.義務(wù)教育課程標準實驗教科書·化學(xué) （九年級上冊）［M］.上海：上海教育出版社，2011：6，13

［2］ 王祖浩.化學(xué)教師教學(xué)指導(dǎo)書（九年級上冊）［M］.上海：上海教育出版社，2005：3