二氧化硫性質(zhì)實(shí)驗(yàn)的微型化設(shè)計(jì)

西華師范大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院(637000) 葛美娟 王 丹 文豐玉

1 問題的提出

二氧化硫是一種具有酸性、氧化性、漂白性以及還原性的有毒氣體,它的性質(zhì)實(shí)驗(yàn)是高中化學(xué)教學(xué)中的重要實(shí)驗(yàn)之一,但是人教版新課程教材中的實(shí)驗(yàn)方案存在以下問題：①教材給出的實(shí)驗(yàn)方法操作繁瑣、藥品用量大,不利于開展學(xué)生分組實(shí)驗(yàn)；②二氧化硫的性質(zhì)不能一次得到驗(yàn)證,耗時(shí)較長；③實(shí)驗(yàn)中二氧化硫易逸散,既危害教師和學(xué)生的身體健康,又污染環(huán)境,而且實(shí)驗(yàn)效果不佳。對于學(xué)生而言實(shí)驗(yàn)裝置越簡單越好,故筆者設(shè)計(jì)了該實(shí)驗(yàn)的微型化改進(jìn)裝置。雖然該裝置的整體設(shè)計(jì)比較簡單,但能夠充分驗(yàn)證二氧化硫的性質(zhì),可操作性強(qiáng)。該設(shè)計(jì)不僅能達(dá)到現(xiàn)象明顯、綠色環(huán)保、操作簡單、高效省時(shí)、應(yīng)用較廣的效果,而且能夠充分培養(yǎng)學(xué)生的 “科學(xué)態(tài)度與社會責(zé)任”“科學(xué)探究與創(chuàng)新意識”等化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)。

2 實(shí)驗(yàn)再改進(jìn)

2.1 實(shí)驗(yàn)用品

儀器材料：鐵架臺(帶鐵夾)、微型Y 型管、注射器(5mL)、微型錐形瓶、酒精燈、氣球、導(dǎo)管、燒杯、濾紙、剪刀、止水夾、鑷子、橡膠圈、透明膠帶。

藥品：Na2SO3固體、濃度為70%的H2SO4溶液、紫色石蕊試液、品紅溶液、0.01 mol/L 酸性KMnO4溶液、2mol/LNa2S溶液、蒸餾水。

2.2 實(shí)驗(yàn)裝置

該裝置主要包括氣體制備、性質(zhì)檢驗(yàn)及尾氣處理3個(gè)部分,如圖1所示。氣體制備部分是采用微型錐形瓶(盛放Na2SO3固體)和5 mL 的注射器(盛放70%的H2SO4溶液)結(jié)合完成SO2的制取；性質(zhì)檢驗(yàn)部分是在Y 型管內(nèi)一次性完成SO2的漂白性、氧化性、酸性、還原性等其諸多性質(zhì)的驗(yàn)證；由于實(shí)驗(yàn)所用的藥品較少,產(chǎn)生的SO2氣體很少,因此尾氣處理部分是采用氣球(橡膠圈套緊)收集,即平衡了氣壓又吸收了有害氣體,同時(shí)還可以用收集好空氣的注射器注入裝置將殘留的SO2氣體趕至氣球處收集。

圖1 改進(jìn)裝置設(shè)計(jì)圖

2.3 實(shí)驗(yàn)步驟及現(xiàn)象分析

采用上述改進(jìn)后的裝置進(jìn)行二氧化硫的性質(zhì)實(shí)驗(yàn),實(shí)驗(yàn)步驟及現(xiàn)象分析如下。

(1)檢查裝置氣密性。按圖2連接好裝置,加熱左側(cè)錐形瓶,癟氣球鼓起來,說明裝置氣密性良好。反之,則氣密性不好。

(2)添加藥品。在錐形瓶中加入0.5gNa2SO3固體,如圖1 所示。注射器內(nèi)吸入2 mL 濃度為70%的H2SO4溶液。制作2 個(gè)大小相同的濾紙環(huán),用透明膠帶將其固定在2 根并列導(dǎo)管的1、2處,紙環(huán)間距約0.5cm左右,用膠頭滴管分別滴加紫色石蕊試液和Na2S溶液于濾紙環(huán)上。在Y 型管3處加入1 mL 品紅溶液,在Y 型管4處加入1mL酸性KMnO4溶液,塞上橡膠塞,固定好裝置。

(3)制備二氧化硫。向錐形瓶中緩慢注入H2SO4溶液,與Na2SO3固體迅速反應(yīng),立即產(chǎn)生大量氣泡。反應(yīng)原理：H2SO4(濃)＋Na2SO3═Na2SO4＋SO2↑＋H2O。

(4)二氧化硫的性質(zhì)檢驗(yàn)。加入H2SO4溶液的同時(shí)仔細(xì)觀察Y 型管內(nèi)的現(xiàn)象。

②2處滴有Na2S溶液的濾紙環(huán)變?yōu)榈S色,證明SO2具有氧化性,將Na2S中的S2－氧化為單質(zhì)S。反應(yīng)原理：2Na2S＋3SO2═3S↓＋2Na2SO3。

③3處的品紅溶液紅色逐漸褪去,證明SO2具有漂白性,對比現(xiàn)象②中滴有紫色石蕊試液的濾紙環(huán)變紅,而不是褪色,說明SO2不能漂白酸堿指示劑。

④4 處的KMnO4溶液紫色逐漸褪去,證明SO2具有還原性。反應(yīng)原理：5SO2＋2MnO－4＋2H2O ═2Mn2＋＋5SO2－4＋4H＋。

待上述現(xiàn)象均出現(xiàn)時(shí),用酒精燈加熱Y 型管的3處和4處,繼續(xù)觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。

⑤3處褪色的品紅溶液又恢復(fù)為紅色,說明SO2的漂白作用具有可逆性和不穩(wěn)定性。反應(yīng)原理：

⑥4處的KMnO4溶液顏色無明顯變化,進(jìn)一步證明其褪色原理與品紅溶液褪色的原理不同,KMnO4溶液紫色褪去的原理為：KMnO4具有強(qiáng)氧化性,SO2具有還原性,二者發(fā)生氧化還原反應(yīng),且反應(yīng)不可逆。

(5)尾氣處理。實(shí)驗(yàn)結(jié)束后,用1支注射器吸入空氣并注入裝置內(nèi),將裝置內(nèi)殘留的SO2氣體全部趕至氣球內(nèi)并收集,以保證拆卸裝置時(shí)無SO2氣體泄漏。

3 改進(jìn)意義

(1)微型微量。本實(shí)驗(yàn)裝置微型,所用藥品微量,便于攜帶,大大降低了實(shí)驗(yàn)成本。

(2)簡單實(shí)用。本實(shí)驗(yàn)中的裝置組裝簡單,操作簡便,實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象明顯,適于課堂演示實(shí)驗(yàn)和學(xué)生分組實(shí)驗(yàn),可操作性強(qiáng)。同時(shí),該設(shè)計(jì)可推廣到其他氣體的性質(zhì)實(shí)驗(yàn)中,例如氯氣、氨氣、乙烯、乙炔等有毒氣體,只需更換裝置內(nèi)的試劑,具有較強(qiáng)的實(shí)用性。

(3)省時(shí)高效。本實(shí)驗(yàn)采用一體化設(shè)計(jì),可同時(shí)檢驗(yàn)氣體的多個(gè)性質(zhì),實(shí)驗(yàn)過程中既能節(jié)省時(shí)間,也能有效提高課堂教學(xué)效果。

(4)綠色環(huán)保。本實(shí)驗(yàn)在密閉體系中進(jìn)行實(shí)驗(yàn),無有害氣體逸出,該設(shè)計(jì)有利于培養(yǎng)學(xué)生綠色環(huán)保的意識和社會責(zé)任感。