利用數(shù)字化實驗探究硫酸型酸雨的形成

姬欣睿

摘要：借助數(shù)字化實驗，測量SO2空氣的混合氣體溶于水后，SO2濃度、pH的變化，驗證SO2（g）+H2O=H2SO3反應(yīng)的存在，并進(jìn)一步提出酸雨形成機理的探究性問題。將sO2與O2依次通入水中，分析pH的變化曲線，探究酸雨形成過程中的化學(xué)反應(yīng)：SOz（g）+H2O=H2SO3，H2SO3=H⁺+HSO3;2H2SO3+O2=2H2SO4，H2SO4=2H⁺+SO4^2-。

關(guān)鍵詞：數(shù)字化實驗;酸雨;電離平衡;氧化還原反應(yīng);定量探究

文章編號：1008-0546（2019）05-0092-04

中圖分類號：G633.8 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2019.05.029

一、問題提出

人類活動產(chǎn)生的sO2和氮氧化物氣體排放到空氣中，被雨水吸收并發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，形成pH<5.6的酸雨。我國以含硫量高的煤炭為主要燃料，煤炭中的硫元素，在燃燒時生成sO2氣體，形成硫酸型酸雨。九年級化學(xué)教材（下冊）第十一單元“化學(xué)與社會發(fā)展”第四節(jié)“化學(xué)與環(huán)境保護(hù)”Ⅲ，高中化學(xué)教材（必修1）第四章“非金屬及其化合物”第三節(jié)“硫和氮的氧化物”，都把硫酸型酸雨作為綠色化學(xué)內(nèi)容的核心知識，教科書設(shè)計了豐富多彩的活動重點探討硫酸型酸雨的形成：活動與探究、資料卡片、社會實踐活動等。

文獻(xiàn)表明，學(xué)者們大多通過改進(jìn)傳統(tǒng)教學(xué)實驗、開發(fā)基于數(shù)字化實驗的現(xiàn)代探究實驗兩個方面來設(shè)計實驗?zāi)M硫酸型酸雨的形成：（1）改進(jìn)傳統(tǒng)的教學(xué)實驗。如：改用三口燒瓶、錐形瓶、玻璃水槽等作為反應(yīng)器;改用燃燒單質(zhì)硫產(chǎn)生SO2;改用酸度計、紫羅蘭花瓣、石蕊試紙、pH試紙來測量酸雨的酸性強弱。（2）利用現(xiàn)代化的數(shù)字化實驗開展模擬硫酸型酸雨形成的實驗，如用pH傳感器測定不同濃度sO2水溶液的pH。綜上，模擬硫酸型酸雨形成的實驗大都聚焦于SO2與H2O反應(yīng)生成的水溶液顯酸性這一點上，較少關(guān)注酸雨形成過程中SO2濃度、溶液酸性的變化趨勢。加上高一還沒有學(xué)習(xí)電離平衡知識，這就很容易產(chǎn)生錯誤認(rèn)識，認(rèn)為sO2溶于H2O只發(fā)生SO2（g）+H2O=HzSO3的反應(yīng)。模擬硫酸型酸雨的形成，分析酸雨形成過程中sO2濃度、溶液酸性的變化曲線，能夠引發(fā)認(rèn)知沖突，促使學(xué)生自己提出探究性問題，開展“真實的探究活動”，來探究硫酸型酸雨的形成機理。

本研究首先模擬硫酸型酸雨的形成，利用數(shù)字化實驗測量SO2濃度、pH的變化，繪制sO2濃度、pH隨時間變化的曲線，驗證sO2與H2O反應(yīng)生成H2SO3的事實，并提出探究性問題。然后，設(shè)計硫酸型酸雨形成機理的探究實驗，利用數(shù)字化實驗測量pH的變化，繪制pH隨時間變化的曲線，以探析硫酸型酸雨形成過程中發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)。

二、模擬硫酸型酸雨的形成

大氣中SO2濃度≥0.5ppm時，對人體有潛在影響;1～3ppm時，多數(shù)人開始感到刺激;10～15ppm時，呼吸道纖毛運動和粘膜的分泌功能均受到抑制;達(dá)到20ppm時，引起咳嗽并刺激眼睛;400-500ppm時，出現(xiàn)潰瘍和肺水腫直至窒息死亡。我國大氣環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定居住區(qū)大氣中最高容許濃度為：0.06ppm（日平均），0.19ppm（任何一次）。

模擬硫酸型酸雨形成的實驗中，需要測量S02氣體的濃度和水溶液pH的變化。SO2傳感器量程?。ā?0ppm），需要控制SO2氣體的濃度不要過大。但是，如果SO2濃度太小，則pH變化不明顯。綜合考慮大氣中sO2濃度的實際情況和實驗條件的限制、要求，筆者認(rèn)為模擬酸雨形成的實驗中應(yīng)將sO2濃度控制在20ppm左右，且在測量pH變化的實驗中，還要持續(xù)通入sO2與空氣的混合氣體。因此，需要分別開展測量SO2濃度和溶液pH的實驗：測SO2濃度變化時，向三口瓶通入sO2與空氣的混合氣體，調(diào)節(jié)SO2與空氣的通人量，當(dāng)sO2濃度基本穩(wěn)定在20ppm時，停止通入SO2和空氣的混合氣體，加入少量的水，觀察“sO2-t”的變化曲線;測pH變化時，持續(xù)將sO2和空氣的混合氣體通入大量水中，觀察“pH-t”的變化曲線。

1.實驗試劑及儀器用品

儀器：平板電腦、DISLab8.0數(shù)據(jù)采集器、SO2傳感器、pH傳感器、三口瓶、橡皮塞、注射器、止水夾、錐形瓶、分液漏斗、打氣球、燒杯。

實驗藥品：Na2SO3固體、70%H2sO4溶液、H2O、NaOH溶液。

2.實驗裝置

3.實驗步驟和現(xiàn)象

（1）如圖1搭建實驗裝置：組裝固液反應(yīng)氣體發(fā)生器，向分液漏斗中加入適量的70%HzSO4溶液，向錐形瓶中加入一定量的NazSO3固體;連接平板電腦、數(shù)據(jù)采集器、二氧化硫傳感器、pH傳感器，打開平板電腦，進(jìn)入DISLab8.0“通用軟件”。

（2）調(diào)節(jié)分液漏斗旋塞，將70%H2SO4溶液滴人盛有Na2SO3固體的錐形瓶中，將生成SO2氣體通過多孔球泡，通人盛有NaOH溶液的三口瓶，并用打氣球向其中鼓入空氣。

（3）把二氧化硫傳感器軟件調(diào)零后，打開“組合圖線”，添加“S02-t”圖線，顯示三口瓶⑥內(nèi)SO2氣體濃度的變化。

（4）調(diào)節(jié)多孔球泡浸沒入NaOH溶液中的程度和鼓入的空氣量，使三口瓶⑥內(nèi)SO2氣體濃度保持在20ppm基本不變。

（5）停止通入SO2和空氣的混合氣體。

（6）用注射器向三口瓶⑥中緩慢注入約5mLH2O，振蕩，觀察“SO2-t”曲線的變化（如圖2）。

（7）向三口瓶中加入約50mL蒸餾水。

（8）把pH傳感器軟件調(diào)零后，打開“組合圖線”，添加“pH-t”圖線表示三口瓶內(nèi)pH的變化。

（9）將SO2和空氣的混合氣體持續(xù)通入三口瓶⑥中，觀察“pH-t”曲線的變化（如圖3）。

4.結(jié)果與討論

（1）sO2與空氣的混合氣體通入水中，發(fā)生反應(yīng)生成H2SO3和其它酸性物質(zhì)。

如圖2，將濃度為20ppm的SO2與空氣的混合氣體通人三口瓶中，SO2氣體的濃度逐漸上升。最后，基本維持在20ppm保持不變。加入少量H2O，振蕩三口瓶，sO2的濃度逐漸下降，最后基本維持在5ppm保持不變。這說明，SO2能夠溶解于水中，且存在一定的溶解限度。

如圖3，將濃度為20ppmSO2與空氣的混合氣體持續(xù)通人50mL水中，溶液顯酸性，且溶液的pH逐漸降低。

綜上，SO2溶于水，達(dá)到一定程度后，盡管二氧化硫的濃度保持不變，但溶液的pH卻始終保持逐

四、實驗設(shè)計特色

1.實驗既能夠驗證自己的假設(shè)，又能夠促使自己繼續(xù)提出問題

一方面，通過“觀察模擬酸雨形成的實驗”可以驗證自己提出的初步假設(shè)：SO2和H2O反應(yīng)能夠生成H2SO3。另一方面，在觀察SO2濃度、pH變化曲線時也會產(chǎn)生困惑：反應(yīng)進(jìn)行到一定階段后，SO2濃度就會像“靜止”下來一樣，不再發(fā)生變化。但是，pH卻持續(xù)下降。由于高一還沒有學(xué)習(xí)化學(xué)反應(yīng)限度的知識，又不知道H2SO3可以被O2氧化為H2SO4，這就產(chǎn)生了認(rèn)知沖突，進(jìn)而引發(fā)自己開展下一步的探究活動。

2.實驗操作更容易

在模擬硫酸型酸雨形成的實驗中，將SO2與空氣混合氣體發(fā)生器、pH傳感器、SO2傳感器、尾氣吸收裝置安裝在三口瓶上，并加入藥品。實驗中用調(diào)節(jié)多孔球泡浸入氫氧化鈉溶液的程度和鼓入空氣的量，來控制SO2的濃度。在探究硫酸型酸雨的形成機理的實驗中，將用三通連接起來SO2氣體發(fā)生器與O2氣體發(fā)生器、pH傳感器、尾氣吸收裝置安裝在三口瓶上，并加入相應(yīng)的藥品。實驗中用旋塞控制反應(yīng)的進(jìn)行與停止，用止水夾控制向三口瓶中通入SO2、O2。這些將繁瑣的實驗操作系統(tǒng)化、整合化的實驗改進(jìn)措施，增強了實驗的可操作性，使得本來由2～3名同學(xué)協(xié)作才能完成的實驗操作，自己就能輕松完成。

3.實驗結(jié)果的圖形化

將SO2氣體濃度、水溶液pH值的數(shù)據(jù)信息轉(zhuǎn)化為“SO2-t”和“pH-t”變化曲線，能夠直觀發(fā)現(xiàn)S02氣體濃度、水溶液pH變化的趨勢，驗證自己的初始假設(shè)，并提出探究性問題，開展探究活動，從而掌握抽象的化學(xué)反應(yīng)限度理論知識。數(shù)字化實驗，重視通過獲取具體實驗數(shù)據(jù)來說明問題。通過分析處理數(shù)據(jù)，能夠幫助自己更好地學(xué)習(xí)抽象的化學(xué)理論。但是，數(shù)據(jù)的精密度和偶然誤差問題，使得發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)變化的趨勢較為困難。通過處理數(shù)據(jù)符號，來建構(gòu)抽象的化學(xué)理論，也會加大自己的認(rèn)知負(fù)荷。將數(shù)據(jù)符號轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)據(jù)圖形，使得更容易把握數(shù)據(jù)信息變化的基本趨勢，容易發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)圖形“蘊含”的抽象的化學(xué)理論，又降低了自己的認(rèn)知負(fù)荷。實驗數(shù)據(jù)信息的圖形化，可以使自己更加高效地掌握抽象的化學(xué)反應(yīng)理論知識。

4.強化安全意識和環(huán)保意識

在模擬硫酸型酸雨形成過程中，需要制備大量SO2氣體，如果氣體散逸到實驗室中，會對人體健康和環(huán)境產(chǎn)生危害，應(yīng)該采取必要的措施加以避免。實驗在通風(fēng)櫥內(nèi)進(jìn)行，并將SO2尾氣通入NaOH溶液中加以吸收，減少了對環(huán)境的污染。這些防止環(huán)境污染的措施，會在潛移默化中強化學(xué)生的安全意識和環(huán)保意識。