利用數(shù)字化實(shí)驗(yàn)探究品紅褪色與顏色復(fù)原機(jī)理*

廖志剛 樓蘊(yùn)霄，3 劉凱馨 辛 欣

（1.哈爾濱師范大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院 黑龍江 哈爾濱 150025；2.哈爾濱師范大學(xué)教師教育學(xué)院 黑龍江 哈爾濱 150025；3.衢州市仲尼中學(xué) 浙江 衢州 324000；4.哈爾濱劍橋?qū)W院 黑龍江 哈爾濱 150000 ）

在中學(xué)階段，二氧化硫的漂白性是二氧化硫性質(zhì)學(xué)習(xí)中的一個(gè)重點(diǎn)與難點(diǎn)，要求學(xué)生能夠利用二氧化硫?qū)ζ芳t溶液的暫時(shí)性漂白特點(diǎn)檢驗(yàn)二氧化硫氣體。人教版高中化學(xué)教材中“二氧化硫的漂白作用”實(shí)驗(yàn)，是向二氧化硫的水溶液中滴加品紅、溶液褪色、隨后加熱顏色復(fù)原，通過(guò)這一過(guò)程來(lái)證明二氧化硫的漂白機(jī)理，即因二氧化硫與某些有色物質(zhì)生成了無(wú)色不穩(wěn)定的物質(zhì)，這些無(wú)色物質(zhì)加熱后易分解從而使溶液恢復(fù)成原來(lái)的顏色。對(duì)這一過(guò)程的反應(yīng)機(jī)理，教材并未進(jìn)行深入討論，且部分描述不夠準(zhǔn)確，例如：實(shí)際上與品紅反應(yīng)的并非是二氧化硫氣體，而是二氧化硫與水反應(yīng)生成的亞硫酸氫根與品紅發(fā)生了加成反應(yīng)。［1］通過(guò)數(shù)字化實(shí)驗(yàn)的引入，使抽象內(nèi)容直觀化，強(qiáng)化教學(xué)的直觀性，有助于學(xué)生加深對(duì)化學(xué)反應(yīng)的現(xiàn)象和本質(zhì)原理的理解，并促進(jìn)學(xué)生化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)的養(yǎng)成。

一、實(shí)驗(yàn)原理探析

品紅，別名鹽酸副玫瑰苯胺，是一種較為常見(jiàn)的染料。在高中階段的化學(xué)教學(xué)中，我們通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證二氧化硫的漂白性，向裝有二氧化硫的水溶液試管中滴加品紅，隨后加熱，通過(guò)觀察這一過(guò)程的顏色變化來(lái)證明二氧化硫具有漂白作用。

反應(yīng)原理如圖1所示。

圖1 二氧化硫漂白品紅反應(yīng)原理［2］

SO2+H2OH2SO3

二氧化硫使品紅褪色機(jī)理有多種解釋，普遍認(rèn)為是SO2與H2O 反應(yīng)生成H2SO3，生成的H2SO3與品紅反應(yīng)生成不穩(wěn)定無(wú)色物質(zhì)，二氧化硫氣體無(wú)法與品紅直接發(fā)生反應(yīng)。品紅的顏色來(lái)自于生色基團(tuán)——醌式結(jié)構(gòu)，二氧化硫與水生成的亞硫酸與醌式結(jié)構(gòu)中的共軛碳碳雙鍵發(fā)生了加成反應(yīng)進(jìn)而破壞了該結(jié)構(gòu)，所以溶液的紅色消失。［3］

二、實(shí)驗(yàn)預(yù)設(shè)問(wèn)題與預(yù)期效果

1.預(yù)設(shè)問(wèn)題

其一，選擇合適的品紅種類。品紅分為酸性品紅和堿性品紅，因此我們要選擇一種更加適合于該實(shí)驗(yàn)的品紅。查閱文獻(xiàn)可知，我們?cè)诟咧谢瘜W(xué)實(shí)驗(yàn)中所用的品紅為堿性品紅，同時(shí)堿性品紅更易與二氧化硫水溶液反應(yīng)，由于磺酸基不穩(wěn)定，加熱易脫去，所以，品紅溶液顏色更易恢復(fù)，因此，初擬定使用堿性品紅進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。［4］

其二，品紅褪色方法的選擇。二氧化硫是一種有毒的刺激性氣體，若直接通入品紅溶液中所需的時(shí)間較長(zhǎng)，且由于二氧化硫溶于水的速度大于亞硫酸與品紅反應(yīng)速度，因此，反應(yīng)后的溶液中容易溶解有大量二氧化硫氣體，在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中造成二氧化硫氣體的逸出，不利于實(shí)驗(yàn)的進(jìn)行。此外，制備二氧化硫氣體的過(guò)程中，氣體流入的速率與量的穩(wěn)定性難以準(zhǔn)確控制，在做對(duì)照實(shí)驗(yàn)時(shí)反應(yīng)條件難以準(zhǔn)確控制變量，因此，最好選擇其他更有效的褪色方法。根據(jù)上述實(shí)驗(yàn)原理可知，品紅并不是與二氧化硫氣體直接反應(yīng)，可選用Na2SO3溶液使品紅褪色。［5］

其三，影響顏色復(fù)原因素的確定。根據(jù)品紅褪色原理，初步推斷對(duì)品紅顏色復(fù)原有影響的因素可能有以下三點(diǎn)：反應(yīng)物的不同（二氧化硫氣體和亞硫酸鈉溶液）、品紅種類的不同（酸性品紅和堿性品紅）、品紅濃度的不同。因此，進(jìn)行對(duì)照實(shí)驗(yàn)判斷以上三點(diǎn)對(duì)品紅顏色復(fù)原這一過(guò)程是否起促進(jìn)或抑制作用。

2.預(yù)期效果

本實(shí)驗(yàn)主要對(duì)品紅褪色機(jī)理和影響顏色復(fù)原的因素兩部分內(nèi)容進(jìn)行研究。褪色機(jī)理部分主要通過(guò)數(shù)字化實(shí)驗(yàn)監(jiān)測(cè)反應(yīng)的進(jìn)行，利用二氧化硫傳感器檢測(cè)裝置內(nèi)的二氧化硫濃度，判斷二氧化硫氣體是否與品紅直接反應(yīng)。之后通過(guò)對(duì)顏色的變化進(jìn)行觀察，從而判斷反應(yīng)速度的快慢。

3.儀器及藥品

實(shí)驗(yàn)儀器：電導(dǎo)率傳感器、二氧化硫傳感器、pH傳感器、計(jì)算機(jī)、數(shù)據(jù)采集器、鐵架臺(tái)、三頸燒瓶、集氣瓶、試劑瓶、燒杯、玻璃棒、藥匙、量筒、臺(tái)秤、石棉網(wǎng)、打孔器、集氣瓶、電熱爐、注射器。

實(shí)驗(yàn)藥品：酸性品紅、堿性品紅、濃硫酸、氫氧化鈉固體、無(wú)水亞硫酸鈉固體、蒸餾水。

三、實(shí)驗(yàn)操作的實(shí)施

1.實(shí)驗(yàn)條件的確定

（1）實(shí)驗(yàn)裝置的確定

實(shí)驗(yàn)裝置主要有兩套，如圖2所示（省略了部分連接裝置與數(shù)字化實(shí)驗(yàn)設(shè)備）。第一套用于檢驗(yàn)二氧化硫與品紅是否能直接反應(yīng)，需要反應(yīng)生成二氧化硫氣體，同時(shí)SO2是一種有毒的刺激性氣體，需要一個(gè)尾氣處理裝置，防止SO2直接排放到空氣中。整個(gè)裝置大致分為三部分，第一部分用于二氧化硫氣體的生成，第二部分進(jìn)行二氧化硫與品紅反應(yīng)并進(jìn)行相關(guān)數(shù)據(jù)的測(cè)定，第三部分為裝有氫氧化鈉溶液的尾氣處理裝置。整套裝置要求處于密閉狀態(tài)，選擇在反應(yīng)裝置加入一個(gè)注射器，保證既能控制反應(yīng)的發(fā)生與終止，又能使實(shí)驗(yàn)裝置處于密閉條件。

圖2 實(shí)驗(yàn)裝置

第二套裝置用于品紅的顏色復(fù)原部分實(shí)驗(yàn)。該套裝置要求能夠滿足在同一條件下進(jìn)行穩(wěn)定加熱，若選擇在酒精燈上直接加熱，會(huì)由于加熱部位不同、酒精燈火焰受環(huán)境影響晃動(dòng)進(jìn)而影響加熱效率等因素干擾實(shí)驗(yàn)。故此裝置選擇使用水浴恒溫加熱，使用電熱爐在同一功率下將水加熱至一定溫度，隨后放入裝有褪色后品紅溶液的儀器進(jìn)行加熱，以確保不同組的加熱效率一致。

（2）品紅濃度的確定

查閱文獻(xiàn)可知理論上本實(shí)驗(yàn)中品紅的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.01%較為合適，［6］濃度過(guò)高或者過(guò)低都不利于反應(yīng)的進(jìn)行。而本實(shí)驗(yàn)使用了電導(dǎo)率傳感器，其測(cè)定范圍為0.000～20.000 mS/cm，考慮到電導(dǎo)率的量程，若品紅的濃度過(guò)低時(shí)可能無(wú)法測(cè)出其電導(dǎo)率，因此需要通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)出合適的濃度范圍。

（3）二氧化硫的制備方式的確定

本實(shí)驗(yàn)通過(guò)亞硫酸鈉晶體和濃硫酸反應(yīng)生成SO2氣體。［6］具體方式為：取一定質(zhì)量的亞硫酸鈉固體，滴入適量的蒸餾水，隨后緩緩加入一定體積的濃硫酸進(jìn)行反應(yīng)。該反應(yīng)過(guò)程中，向晶體滴加適量的蒸餾水有兩個(gè)目的，一是因?yàn)闈饬蛩嵛畷?huì)放出大量的熱，在促進(jìn)反應(yīng)進(jìn)行的同時(shí)防止亞硫酸鈉固體板結(jié)，減少藥品的浪費(fèi)；二是可以通過(guò)水的加入量的多少一定程度上控制反應(yīng)速度，使得反應(yīng)不會(huì)過(guò)于劇烈瞬間結(jié)束，能夠在一段時(shí)間內(nèi)持續(xù)反應(yīng)生成SO2氣體。

2.實(shí)驗(yàn)操作的實(shí)施

（1）預(yù)實(shí)驗(yàn)部分

第一步：確定品紅的濃度。根據(jù)文獻(xiàn)可知，推薦的品紅的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.01%，首先配制質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.01%的品紅溶液，通過(guò)電導(dǎo)率傳感器測(cè)量發(fā)現(xiàn)無(wú)法測(cè)出示數(shù)。隨后配制質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.1%的品紅溶液，重新測(cè)量能成功讀出示數(shù)，證明0.1%質(zhì)量分?jǐn)?shù)的品紅溶液可以用于數(shù)據(jù)采集?？紤]到品紅的溶解難度以及濃度過(guò)高對(duì)實(shí)驗(yàn)的不利影響，因此選用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.1%的品紅進(jìn)行相關(guān)實(shí)驗(yàn)。

第二步：確定亞硫酸鈉的用量。無(wú)水亞硫酸鈉固體與濃硫酸反應(yīng)后瞬間放出大量的二氧化硫氣體，而實(shí)驗(yàn)中使用的二氧化硫傳感器的濃度范圍為0.00～20.00 pm，若反應(yīng)所用的亞硫酸鈉的量過(guò)多則會(huì)導(dǎo)致生成的二氧化硫氣體濃度過(guò)高，超出傳感器量程，采集的數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確。因此分別使用0.1 g、0.5 g、1.0 g 無(wú)水亞硫酸鈉固體與濃硫酸反應(yīng)測(cè)定其生成的二氧化硫濃度。其中0.1 g 的亞硫酸鈉未超出量程，0.5 g 接近量程且在硫酸注入過(guò)快時(shí)迅速超出量程，放棄測(cè)量1.0 g的亞硫酸鈉生成的二氧化硫氣體。結(jié)論：選用更容易控制二氧化硫生成速率的0.1 g 無(wú)水亞硫酸鈉固體進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

（2）品紅褪色機(jī)理實(shí)驗(yàn)的實(shí)施

第一步：二氧化硫氣體與品紅直接反應(yīng)實(shí)驗(yàn)。

①配制質(zhì)量分?jǐn)?shù)約為0.01%的品紅的醇溶液100 mL、濃度為0.5 mol·L-1的氫氧化鈉溶液200 mL，分別裝入兩個(gè)集氣瓶中。②根據(jù)圖2組裝實(shí)驗(yàn)裝置，兩個(gè)集氣瓶中分別裝有事先配制好的品紅醇溶液和氫氧化鈉溶液，注射器中吸有濃硫酸。③檢查裝置氣密性，點(diǎn)燃酒精燈加熱三頸燒瓶發(fā)現(xiàn)兩個(gè)集氣瓶中均有氣泡，證明裝置氣密性良好。④點(diǎn)擊打開(kāi)DISLab8.0數(shù)字化實(shí)驗(yàn)軟件，進(jìn)入后點(diǎn)擊“通用軟件”模塊，出現(xiàn)二氧化硫濃度示數(shù)，讀數(shù)為“0”。⑤打開(kāi)三頸燒瓶瓶塞，往三頸燒瓶中加入0.1g 無(wú)水亞硫酸鈉固體，滴入少量蒸餾水（約2 mL）浸濕藥品。塞好瓶塞。⑥回到數(shù)字化實(shí)驗(yàn)軟件，點(diǎn)擊“開(kāi)始采集”按鈕進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。隨后通過(guò)注射器向三頸燒瓶中緩緩加入濃硫酸，發(fā)現(xiàn)濃硫酸與浸濕的無(wú)水亞硫酸鈉混合后迅速發(fā)生反應(yīng)，產(chǎn)生氣泡。在20 s內(nèi)緩緩滴加濃硫酸直至氣泡不再產(chǎn)生。⑦當(dāng)數(shù)據(jù)采集的曲線圖中的二氧化硫濃度的數(shù)值未超過(guò)量程且趨于平穩(wěn)后，迅速關(guān)閉兩個(gè)止水夾。觀察曲線變化，500 s 后停止，保存圖像（見(jiàn)圖3）。⑧拆除儀器并清洗，留下尾氣處理的氫氧化鈉溶液備用。

圖3 二氧化硫濃度

第二步：品紅與酸堿的反應(yīng)。

①配制1 mol·L-1的氫氧化鈉溶液50 mL，以及用濃鹽酸與蒸餾水按1∶10稀釋后獲得的稀鹽酸50 mL。②取質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.1%的酸性品紅溶液40 mL于100 mL燒杯中，插入與采集器連接的pH傳感器，使其探頭完全浸沒(méi)于溶液中，等待數(shù)值穩(wěn)定。③點(diǎn)擊“開(kāi)始采集”進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。不斷地緩慢滴加氫氧化鈉溶液并振蕩使其混合均勻，期間探頭需浸入溶液。觀察到溶液顏色穩(wěn)定不再變化后，停止滴加等待一段時(shí)間。記錄實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。④若顏色未變化，緩慢滴加稀鹽酸，直至顏色變回紅色且不再變化后停止滴加，等待一段時(shí)間顏色不變化。記錄現(xiàn)象，保存數(shù)據(jù)圖。⑤拆除儀器并清洗，放回原處。

第三步：探究影響品紅褪色因素的實(shí)驗(yàn)。

①關(guān)于反應(yīng)物（SO2氣體與Na2SO3溶液）影響的探究。

配制質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.01%的品紅溶液100 mL，質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%亞硫酸鈉溶液100 mL，將亞硫酸鈉溶液裝入試劑瓶中。按照?qǐng)D1水浴加熱裝置進(jìn)行組裝，取一電熱爐放上石棉網(wǎng)，在石棉網(wǎng)上放置一裝有300 mL水的500 mL 大燒杯。使電熱爐連接電源，并選擇合適的加熱功率，之后操作過(guò)程中加熱功率不再改變。取50 mL的品紅溶液倒入一潔凈干燥集氣瓶中，余下50 mL溶液留于100 mL燒杯之中，將該燒杯記作燒杯1。根據(jù)二氧化硫與品紅直接反應(yīng)的實(shí)驗(yàn)組裝實(shí)驗(yàn)裝置（去掉二氧化硫傳感器與相關(guān)裝置），將裝有品紅溶液的集氣瓶替換原裝有品紅的醇溶液的集氣瓶。檢查裝置氣密性且氣密性良好后，開(kāi)始反應(yīng)生成二氧化硫氣體并使其通過(guò)品紅溶液，待品紅完全褪色后取出集氣瓶，在通風(fēng)櫥中倒入另一干燥潔凈的100 mL 小燒杯中，將該燒杯記作燒杯2。將燒杯2 放在通風(fēng)櫥中靜置一段時(shí)間，等待溶液中溶解SO2基本逸出。向燒杯1中邊緩慢滴加亞硫酸鈉溶液邊振蕩，直至溶液恰好褪色且靜置30 s 不變色。將燒杯1、燒杯2 中的溶液各取20 mL 加入到兩個(gè)50 mL 的小燒杯中，使用試管夾固定兩燒杯，同時(shí)開(kāi)始水浴加熱，并計(jì)時(shí)，觀察兩者顏色變化，記錄顏色開(kāi)始變化的時(shí)間與顏色穩(wěn)定不變的時(shí)間。當(dāng)兩者顏色均不再變化時(shí)取出燒杯，結(jié)束實(shí)驗(yàn)。

②關(guān)于品紅的種類（酸性品紅與堿性品紅）影響的探究。

分別配制質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.01%的酸性品紅與堿性品紅各100 mL。取25 mL酸性品紅溶液于小燒杯中，邊振蕩邊滴加亞硫酸鈉溶液至溶液恰好褪色，且靜置30 s后不再變化。使用試管夾固定后水浴加熱，放入的同時(shí)開(kāi)始計(jì)時(shí)，觀察現(xiàn)象，記錄下顏色開(kāi)始變化與最終不變的時(shí)間點(diǎn)。取25 mL 堿性品紅重復(fù)上述過(guò)程，記錄整理實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。

③關(guān)于品紅的濃度影響的探究。

配制質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.2%的品紅溶液100 mL，隨后取出50 mL 該溶液加入另一個(gè)小燒杯中，分別取出5 ml、25 mL、20 mL 該溶液進(jìn)行稀釋獲得100 mL 0.01%、50 mL 0.1%、80 mL 0.05%的品紅溶液，重復(fù)稀釋操作，稀釋40 mL 0.01%的品紅得到80 mL 的0.005%的品紅溶液。裝于不同試劑瓶中。取25 mL質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.2%的品紅溶液置于50 mL小燒杯中，加入1 mL 亞硫酸鈉溶液，搖晃使其混合均勻，觀察到溶液變黃且顏色不再變化。使用試管夾固定該小燒杯，放入水浴中加熱，放入的同時(shí)開(kāi)始計(jì)時(shí)。觀察顏色變化，記錄顏色開(kāi)始變化的時(shí)間與最終顏色不變的時(shí)間點(diǎn)。顏色不再變化后繼續(xù)觀察一段時(shí)間，無(wú)變化后結(jié)束實(shí)驗(yàn)，取出小燒杯。另取質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.1%、0.05%、0.01%、0.005%的品紅溶液重復(fù)上述實(shí)驗(yàn)操作。整理記錄的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象與數(shù)據(jù)，拆除、清洗儀器。

四、實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象、數(shù)據(jù)與分析

1.品紅褪色機(jī)理實(shí)驗(yàn)

（1）二氧化硫氣體與品紅直接反應(yīng)

實(shí)驗(yàn)開(kāi)始后，隨著濃硫酸的加入，三頸燒瓶中先有大量氣泡產(chǎn)生，20 s 后亞硫酸鈉固體完全消失，氣泡基本不再產(chǎn)生。如圖3所示，二氧化硫濃度穩(wěn)定在4.27 ppm附近便不再變化。在第240 s關(guān)閉止水夾后，可以將二氧化硫傳感器與品紅的醇溶液看為一個(gè)整體，二氧化硫的氣體濃度直至500 s 反應(yīng)結(jié)束未發(fā)生較為明顯的下降趨勢(shì)，觀察集氣瓶1也未發(fā)現(xiàn)品紅醇溶液顏色變化，因此可以判斷二氧化硫氣體并不能與品紅直接發(fā)生反應(yīng)。

（2）品紅與酸堿反應(yīng)

結(jié)合圖4，隨著氫氧化鈉溶液的滴加，品紅顏色先是不變，后在將要達(dá)到pH=12時(shí)逐步轉(zhuǎn)變?yōu)檩^為明顯棕黃色，繼續(xù)滴加后溶液變?yōu)榈S色，此時(shí)的pH=13.17，之后滴加、靜置也不再發(fā)現(xiàn)明顯變化。靜置至1000 s，溶液仍未發(fā)現(xiàn)明顯變化，繼續(xù)滴加稀鹽酸，溶液顏色逐漸變深，1150 s時(shí)暫停加入，觀察現(xiàn)象，溶液仍呈黃色，繼續(xù)滴加溶液逐漸變回紅色，但與反應(yīng)開(kāi)始時(shí)相比顏色稍淺一些，后再滴加也不再變化，靜置至1500 s顏色未明顯變化，實(shí)驗(yàn)停止。由此判斷對(duì)酸性品紅而言，溶液的酸堿性會(huì)對(duì)顏色造成影響，堿性過(guò)高（pH ＞12）時(shí)，溶液褪色變?yōu)辄S色，酸性則對(duì)顏色無(wú)明顯影響。

圖4 品紅和酸與堿反應(yīng)pH圖

2.影響顏色復(fù)原因素

（1）反應(yīng)物（二氧化硫氣體與亞硫酸鈉溶液）的影響

由于肉眼觀察顏色變化容易造成誤差，因此，將結(jié)束時(shí)間選定為一個(gè)范圍，在觀察15 s后未發(fā)現(xiàn)明顯變化，則認(rèn)為溶液顏色在開(kāi)始觀察的前10 s到觀察的時(shí)間這一范圍內(nèi)已經(jīng)不再變化。

由表1可得，相對(duì)于亞硫酸鈉溶液而言，二氧化硫氣體造成的品紅褪色更易褪去，且能較好地恢復(fù)到原來(lái)的顏色，而亞硫酸鈉溶液較難使品紅恢復(fù)到原來(lái)的顏色，顏色更淺，由于亞硫酸鈉溶液只加入了2～3滴，對(duì)溶液的稀釋作用可以忽略不計(jì)，亞硫酸鈉與品紅形成的產(chǎn)物可能更加穩(wěn)定的原因與體系的pH有關(guān)。

表1 SO2氣體與Na2SO3溶液對(duì)顏色復(fù)原的影響

（2）品紅種類的影響

根據(jù)表2 數(shù)據(jù)可得，酸性品紅與堿性品紅對(duì)品紅的顏色復(fù)原這一過(guò)程有較大影響，酸性品紅相對(duì)于堿性而言更容易發(fā)生顏色的復(fù)原。根據(jù)酸性品紅結(jié)構(gòu)推測(cè)，影響酸性品紅顏色的共軛結(jié)構(gòu)隨著溶液的酸堿性的變化而恢復(fù)，在酸性條件下產(chǎn)物的穩(wěn)定性更弱，更容易恢復(fù)共軛結(jié)構(gòu)，顏色也更容易復(fù)原。

表2 酸性品紅與堿性品紅對(duì)顏色復(fù)原的影響

（3）品紅濃度的影響

觀察表3可以發(fā)現(xiàn)，品紅的濃度對(duì)顏色復(fù)原的速度和復(fù)原后的顏色有所影響，當(dāng)濃度過(guò)高或過(guò)低時(shí)都對(duì)品紅的復(fù)原起抑制作用，而顏色則隨著濃度的降低而變淡，當(dāng)濃度過(guò)低時(shí)會(huì)嚴(yán)重干擾對(duì)顏色變化起點(diǎn)和終點(diǎn)的判斷。總的來(lái)說(shuō)，品紅的濃度對(duì)品紅的復(fù)原實(shí)驗(yàn)有較大的影響，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)時(shí)要選擇合適的濃度范圍。

表3 品紅濃度對(duì)顏色復(fù)原的影響

3.問(wèn)題與優(yōu)化

（1）組裝實(shí)驗(yàn)裝置時(shí)發(fā)現(xiàn)二氧化硫傳感器口徑過(guò)大，難以找到合適的裝置組裝并與其他裝置相連接。經(jīng)過(guò)多次的選擇與嘗試，最終選擇將二氧化硫傳感器與下端無(wú)底的集氣瓶相連接。在無(wú)底集氣瓶瓶口抹上凡士林，插入二氧化硫傳感器，在下端塞上打孔的膠塞，用導(dǎo)管與裝置相連接，此方法能較為有效測(cè)出裝置內(nèi)的二氧化硫濃度，且能保證裝置的氣密性。

（2）實(shí)驗(yàn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)堿性品紅不利于數(shù)據(jù)采集與后續(xù)實(shí)驗(yàn)。堿性品紅固體微溶于水，理論上溶解度為1%，但實(shí)際操作過(guò)程中即使是質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.1%的溶液都難以配制，0.1 g的堿性品紅在加熱條件下也無(wú)法在100 g水中完全溶解，因此，只能配制濃度更低的品紅溶液（0.01%），無(wú)法配制更高濃度范圍的溶液，且此濃度下電導(dǎo)率過(guò)低不利于實(shí)驗(yàn)的進(jìn)行。因此，后續(xù)實(shí)驗(yàn)改進(jìn)為使用更易溶解的酸性品紅。

（3）實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象與預(yù)期不符。根據(jù)文獻(xiàn)描述，酸性品紅與堿溶液混合后應(yīng)呈現(xiàn)無(wú)色，然而實(shí)際操作過(guò)程中發(fā)現(xiàn)兩者混合時(shí)呈棕黃色。查閱其他資料發(fā)現(xiàn)，只有當(dāng)極稀的酸性品紅水溶液（1∶10000）與濃氫氧化鈉溶液混合時(shí)為無(wú)色。［7］后用質(zhì)量分?jǐn)?shù)約為0.001%的酸性品紅與高濃度氫氧化鈉混合時(shí)溶液顏色變?yōu)闊o(wú)色，判斷藥品未變質(zhì)。繼續(xù)實(shí)驗(yàn)后發(fā)現(xiàn)混合后的顏色與品紅濃度有關(guān)，濃度越高，顏色呈現(xiàn)明顯的黃色，推測(cè)兩者混合后的溶液顏色與品紅濃度有關(guān)，濃度越低顏色越不明顯，因此，實(shí)驗(yàn)時(shí)盡量選用濃度更低的品紅溶液進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，減少顏色的干擾。

（4）顏色復(fù)原部分實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)系通過(guò)肉眼判斷顏色的變化獲得，通過(guò)顏色的變化記錄時(shí)間，對(duì)于起點(diǎn)和終點(diǎn)的判斷沒(méi)有明確標(biāo)準(zhǔn)，此過(guò)程中容易造成讀數(shù)誤差。在數(shù)據(jù)分析階段，若兩個(gè)數(shù)據(jù)時(shí)間相差在10～15 s以內(nèi)，則可以認(rèn)為存在讀數(shù)誤差，兩者時(shí)間接近。

五、教學(xué)中的應(yīng)用分析

在中學(xué)階段，以學(xué)生的知識(shí)儲(chǔ)備，理解品紅褪色的機(jī)理是有一定難度的，教材要求學(xué)生簡(jiǎn)單地理解二氧化硫使品紅褪色機(jī)理，并能以此作為判斷是否有二氧化硫氣體的依據(jù)。本文嘗試將傳統(tǒng)的定性實(shí)驗(yàn)改進(jìn)為數(shù)字化實(shí)驗(yàn)的定量實(shí)驗(yàn)，利用數(shù)字化實(shí)驗(yàn)?zāi)軌蚣磿r(shí)反饋并以直觀的變化曲線表現(xiàn)的特點(diǎn)，將品紅褪色的過(guò)程以數(shù)據(jù)的形式表現(xiàn)，但在實(shí)際的實(shí)驗(yàn)操作過(guò)程中仍發(fā)現(xiàn)許多現(xiàn)階段無(wú)法解決的問(wèn)題。若這些問(wèn)題能加以解決，本實(shí)驗(yàn)作為對(duì)課本知識(shí)的深化與拓展，有助于加深學(xué)生對(duì)“結(jié)構(gòu)決定性質(zhì)”這一重要化學(xué)原理的理解，引導(dǎo)學(xué)生以“宏觀表征→符號(hào)表征→曲線表征→微觀表征”的順序形成新的認(rèn)知發(fā)展線路，使學(xué)生熟知和掌握“四重表征”之間的相互轉(zhuǎn)換關(guān)系，［8］提高學(xué)生的化學(xué)學(xué)科素養(yǎng)。隨著儀器設(shè)備的發(fā)展，數(shù)字化實(shí)驗(yàn)與化學(xué)教學(xué)的聯(lián)系將更加緊密，在提高學(xué)生化學(xué)核心素養(yǎng)方面將發(fā)揮更為重要的作用，化學(xué)教師可嘗試對(duì)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行創(chuàng)新和改進(jìn)，將數(shù)字化實(shí)驗(yàn)與化學(xué)教學(xué)有機(jī)結(jié)合。