不同價態(tài)含硫物質(zhì)的轉(zhuǎn)化的一體化實驗設(shè)計

陳 菲 劉曉玲

(江西師范大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院，江西 南昌 330022)

1 新舊教材對比

在2004版和2019版人教版的課本中，對硫及其化合物的內(nèi)容做了一定的調(diào)整。

表1 新舊教材硫及其化合物內(nèi)容的對比

從地位上來看，新版教材將非金屬元素的學(xué)習(xí)調(diào)整到了必修二當(dāng)中，且將同一元素的內(nèi)容整合成一節(jié)，知識體系相對更加集中、完整。從內(nèi)容排布上來看，舊版教材是將硫和氮元素化合物的知識穿插起來講解，且知識排布相對簡單，著重講解了二氧化硫和硫酸的性質(zhì)。新版教材從單質(zhì)硫過渡到二氧化硫再過渡到硫酸的性質(zhì)的講解，再到硫酸根離子的檢驗，最后是不同價態(tài)含硫物質(zhì)的轉(zhuǎn)化，內(nèi)容排布有著清晰的知識線，且邏輯條理清楚，由點到面，由各價態(tài)物質(zhì)性質(zhì)到整體轉(zhuǎn)化的總結(jié)，知識體系更加系統(tǒng)完整。從實驗上來看，數(shù)量上新版教材遠(yuǎn)多于舊版教材；新版教材新增一個探究實驗，讓學(xué)生設(shè)計實驗探究不同價態(tài)含硫物質(zhì)之間的轉(zhuǎn)化，該實驗可以讓學(xué)生運用并鞏固之前所學(xué)，幫助學(xué)生構(gòu)建含硫物質(zhì)相互轉(zhuǎn)化的模型。

2 問題的提出

由于教材的更改，對教學(xué)提出了新的要求，除了讓學(xué)生通過實驗認(rèn)識二氧化硫、硫酸等的性質(zhì)，也要讓學(xué)生通過含硫物質(zhì)的相互轉(zhuǎn)化的實驗建立硫的轉(zhuǎn)化模型。因此設(shè)計不同價態(tài)含硫物質(zhì)的轉(zhuǎn)化的一體化實驗是有必要的。教師秦元平做了九組實驗以實現(xiàn)四種價態(tài)含硫物質(zhì)的相互轉(zhuǎn)化，如圖1[1]。該教師完整的展現(xiàn)了不同價態(tài)硫元素間的轉(zhuǎn)化，但實驗之間相對獨立，實驗不具連續(xù)性，操作復(fù)雜。

圖1 不同價態(tài)硫元素的轉(zhuǎn)化

教師劉寶國利用裝置(如圖2)，實現(xiàn)了不同價態(tài)硫元素的轉(zhuǎn)化[2]。該教師實現(xiàn)了不同價態(tài)硫元素轉(zhuǎn)化的一體化實驗，裝置簡單，且污染小。該實驗實現(xiàn)了硫元素0→+4、+4→+6、-2→0、+4→0的轉(zhuǎn)化。但實驗通過雙氧水與二氧化錳制備氧氣，再利用硫在氧氣燃燒得到二氧化硫的方式復(fù)雜。在硫元素的轉(zhuǎn)化實驗中設(shè)計藍(lán)色石蕊試紙和品紅溶液試紙以檢驗二氧化硫性質(zhì)，模糊了不同價態(tài)硫元素轉(zhuǎn)化的重點。

圖2 不同價態(tài)硫元素間的轉(zhuǎn)化

教師孫雅靜在設(shè)計“硫和含硫化合物的相互轉(zhuǎn)化”一課時，通過構(gòu)建硫和含硫化合物相互轉(zhuǎn)化的價態(tài)與類別的二維圖(如圖3)，采用合作學(xué)習(xí)的方式讓學(xué)生自主探究認(rèn)知到同價態(tài)的含硫化合物的轉(zhuǎn)化是通過非氧化還原反應(yīng)實現(xiàn)的，不同價態(tài)含硫化合物的轉(zhuǎn)化是通過氧化還原反應(yīng)實現(xiàn)的。該教師充分利用了學(xué)生的自主性，調(diào)動了學(xué)生的探究熱情，自主通過實驗構(gòu)建知識體系，也采用了圖表的形式幫助學(xué)生將零散的知識點整合為一個整體，幫助學(xué)生從整體上認(rèn)知硫及其化合物，構(gòu)建知識體系，但實驗之間沒有串聯(lián)起來，對于含硫化合物相互轉(zhuǎn)化的整體性缺乏直觀認(rèn)識。

圖3 不同價態(tài)含硫化合物轉(zhuǎn)化的價-類二維圖

3 設(shè)計理念和思路

硫元素常見的化合價有-2、0、+4、+6，可以通過氧化還原反應(yīng)實現(xiàn)不同價態(tài)含硫物質(zhì)的相互轉(zhuǎn)化。

實驗設(shè)計關(guān)鍵在于：一、保證實驗成功，有易于觀察的實驗現(xiàn)象，便于學(xué)生直觀感受物質(zhì)的轉(zhuǎn)化；二、要實現(xiàn)多種價態(tài)間物質(zhì)的轉(zhuǎn)化，將不同價態(tài)含硫化合物轉(zhuǎn)化的實驗串聯(lián)起來，便于學(xué)生構(gòu)建含硫物質(zhì)的轉(zhuǎn)化體系；三、要消除實驗產(chǎn)物二氧化硫、硫化氫等污染物對教學(xué)環(huán)境的影響，采用微型化實驗方法，精選、改進(jìn)實驗器材和試劑用量，降低資源素材的損耗，使實驗綠色化。

圖4 不同價態(tài)含硫物質(zhì)的轉(zhuǎn)化

在設(shè)計實驗時要注意以下問題：一、選擇合適氧化劑或還原劑以及反應(yīng)順序，讓上一反應(yīng)的生成物可做下一反應(yīng)的反應(yīng)物，將多個實驗項目串聯(lián)起來進(jìn)行規(guī)劃設(shè)計，盡量實現(xiàn)藥品和試劑的“重復(fù)使用”，以提高藥品和試劑的利用效率。二、設(shè)計尾氣處理裝置。三、實驗中的藥品和試劑的取用要適當(dāng)合理，實驗中的藥品和試劑的取用要適當(dāng)合理。

4 實驗原理

主要涉及以下幾個反應(yīng)：

(1)硫和濃硫酸在加熱的條件下生成二氧化硫：

S+2H2SO4=3SO2↑+2H2O

(2)二氧化硫與酸性高錳酸鉀反應(yīng)生成硫酸根：

5SO2+2KMnO4+2H2O=2H2SO4+K2SO4+2MnSO4

(3)硫化鈉與二氧化硫反應(yīng)生成硫單質(zhì)：

2Na2S+3SO2=3S↓+2Na2SO3

(5)尾氣處理：

SO2+2NaOH=Na2SO3+H2O

5 實驗方案

5.1 實驗材料

試管1個、W型導(dǎo)管、橡皮管若干、酒精燈、錐形瓶、鐵架臺

濃硫酸、硫粉、酸性高錳酸鉀、硫化鈉、稀硫酸、飽和氫氧化鈉溶液

5.2 實驗裝置

圖5 實驗裝置

6 實驗現(xiàn)象及原因

表2 實驗現(xiàn)象及原因

7 實驗結(jié)論

本實驗實現(xiàn)了硫元素0→+4、+6→+4、+4→+6、-2→0、+4→0的轉(zhuǎn)化，最大程度實現(xiàn)了不同價態(tài)含硫物質(zhì)的轉(zhuǎn)化，且實驗裝置簡單、操作簡便、實驗現(xiàn)象易于觀察，污染小，有利于學(xué)生構(gòu)建含硫物質(zhì)轉(zhuǎn)化的模型。

8 實驗創(chuàng)新及不足

本實驗成功串聯(lián)了多個含硫物質(zhì)的轉(zhuǎn)化實驗，整合了含硫物質(zhì)的轉(zhuǎn)化實驗，使得含硫物質(zhì)的相互轉(zhuǎn)化的實驗更具有直觀性，利于學(xué)生構(gòu)建硫及含硫化合物轉(zhuǎn)化的知識體系，能夠激發(fā)學(xué)生探究熱情和學(xué)習(xí)興趣，激發(fā)學(xué)生思維，培養(yǎng)學(xué)生學(xué)科素養(yǎng)。通過合理選擇實驗藥品和改進(jìn)實驗裝置，減少了對實驗資源的浪費，避免了對教學(xué)環(huán)境的污染，實現(xiàn)了實驗綠色化。但實驗并未完整展現(xiàn)不同價態(tài)含硫物質(zhì)的轉(zhuǎn)化，且硫和濃硫酸的反應(yīng)相對耗材較大，對于以上不足還需進(jìn)一步通過研究選擇更優(yōu)的試驗方案。