利用氣體壓力傳感器改進二氧化硫性質(zhì)實驗

（四川師范大學(xué)化學(xué)與材料科學(xué)學(xué)院，四川成都 610066）

摘 要：分析比較三版教材及相關(guān)文獻中關(guān)于二氧化硫制取及其性質(zhì)檢驗的內(nèi)容，對現(xiàn)有實驗存在的問題進行設(shè)計與改進。將注射器、醫(yī)用輸液袋和氣體壓力傳感器等聯(lián)合使用，實現(xiàn)氣體制取、性質(zhì)檢驗、氣體收集及尾氣處理等一體化實驗設(shè)計，有效幫助學(xué)生構(gòu)建“可逆反應(yīng)”概念。改進后的實驗具有操作方便、現(xiàn)象明顯、綠色環(huán)保、便于理解等優(yōu)點。

關(guān)鍵詞：二氧化硫；氣體壓力傳感器；實驗改進；一體化實驗設(shè)計

文章編號：1005-6629（2024）09-0077-03

中圖分類號：G633.8

文獻標(biāo)識碼：B

化學(xué)實驗對于全面發(fā)展學(xué)生的化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)具有獨特的價值^［1］。二氧化硫是重要的非金屬氧化物，借助實驗探究二氧化硫的制取、性質(zhì)及其轉(zhuǎn)化途徑，不僅可以強化“價-類”二維思維模型、元素觀、變化觀等學(xué)科觀念，而且通過實驗方案設(shè)計也可以了解酸雨的成因與防治方案，幫助學(xué)生構(gòu)建“可逆反應(yīng)”的概念，提升學(xué)生的問題解決能力和社會責(zé)任素養(yǎng)。

1 問題的提出

《普通高中化學(xué)課程標(biāo)準（2017年版2020年修訂）》（以下簡稱“新課標(biāo)”）對“二氧化硫的性質(zhì)”的學(xué)業(yè)要求是：能從物質(zhì)類別和元素價態(tài)變化的角度，預(yù)測SO的化學(xué)性質(zhì)，設(shè)計實驗進行初步驗證，并能分析、解釋有關(guān)的實驗現(xiàn)象^［2］。2019版人教版教材以實驗“將充滿SO的試管倒置在水槽中并測定溶液pH”和“向SO水溶液試管中滴加品紅溶液并加熱觀察溶液顏色變化”的形式設(shè)計了SO的酸性和漂白性實驗，實驗現(xiàn)象明顯但仍有些許不足：（1）開放體系，受熱后SO易逸出造成環(huán)境污染，不符合環(huán)保理念；（2）SO有毒且檢驗操作繁瑣，若將性質(zhì)分開檢驗藥品的消耗量太大；（3）教材在此引入“可逆反應(yīng)”的概念，但“亞硫酸分解成二氧化硫和水”的逆反應(yīng)過程無法為學(xué)生提供直觀的實驗證據(jù)。

鑒于以上原因，一線教師常采用視頻播放的形式進行教學(xué)，難以培養(yǎng)學(xué)生的實踐能力。新課標(biāo)倡導(dǎo)開展以化學(xué)實驗為主的多種探究活動，以促進學(xué)習(xí)方式的轉(zhuǎn)變。因而讓二氧化硫的制取及其性質(zhì)實驗真正進入課堂，對于提升學(xué)生宏觀辨識、證據(jù)推理和社會責(zé)任素養(yǎng)等方面具有重要意義。

2 相關(guān)文獻分析

新課標(biāo)鼓勵開展實驗的綠色化和微型化設(shè)計^［3］。查閱相關(guān)文獻發(fā)現(xiàn)，二氧化硫的制取及其性質(zhì)實驗的改進角度主要有：（1）利用生活常見材料（有機玻璃材料^［4］、塑料瓶^［5］）改進實驗裝置，實現(xiàn)密閉條件下二氧化硫性質(zhì)的檢驗，體現(xiàn)趣味性和生活化。（2）改進SO氣體制取方法，利用加熱含硫火柴頭制備SO并檢驗其還原性和漂白性^［6］，然而火柴頭主要成分還有KClO和MnO等，加熱后生成的氣體為混合物，難以直接證明SO的性質(zhì)。（3）利用玻璃試管、導(dǎo)管等常見化學(xué)儀器進行裝置一體化改進，實現(xiàn)了所有性質(zhì)的檢驗^{［7，8］}，但存在裝置復(fù)雜不易操作等問題。（4）利用氣球體積變化定性驗證二氧化硫與水的可逆反應(yīng)和漂白作用的可逆性^［9］，但僅是從宏觀體積的角度說明可逆反應(yīng)的概念。

在教材編寫方面，三版教材呈現(xiàn)方式略有不同：魯科版主要以文字描述，輔以方程式和實驗現(xiàn)象圖片分析SO的化學(xué)性質(zhì)；蘇教版以學(xué)生實驗的形式設(shè)計SO的性質(zhì)檢驗；人教版則設(shè)計了SO的酸性和漂白性的教師演示實驗。三版教材對SO性質(zhì)檢驗的方式雖各有側(cè)重，但都表現(xiàn)出SO作為典型中間價態(tài)物質(zhì)性質(zhì)的系統(tǒng)性，強調(diào)從元素價態(tài)的角度分析化學(xué)性質(zhì)，注重對學(xué)生元素觀、變化觀等學(xué)科觀念的提升。但對SO轉(zhuǎn)化為SO的“可逆反應(yīng)”，三版教材均未給出相應(yīng)的實驗支撐，僅以文字描述可逆反應(yīng)的概念，不利于學(xué)生理解。

通過以上分析，發(fā)現(xiàn)現(xiàn)有研究還存在裝置過于復(fù)雜、性質(zhì)檢驗不夠完全、忽略可逆反應(yīng)概念的建立、缺乏定量分析等問題。本研究擬將注射器、醫(yī)用輸液袋和氣體壓力傳感器聯(lián)合使用，設(shè)計一套二氧化硫氣體制取及其性質(zhì)檢驗的一體化裝置，并借助氣體壓力傳感器測定SO溶于水前后的壓強變化，從定性和定量的視角將可逆反應(yīng)的概念外顯化。

3 實驗改進設(shè)計

3.1 實驗儀器及藥品

3.1.1 實驗儀器

錐形瓶（250mL）、醫(yī)用注射器（10mL）、醫(yī)用輸液袋（1套）、氣體壓力傳感器、Vernier數(shù)據(jù)采集器、計算機（安裝Logger Pro軟件）、濾紙條（5mm×10mm）、吹風(fēng)機（400W）、寶塔變徑接頭

3.1.2 實驗藥品

無水亞硫酸鈉固體、濃硫酸（70%）、酸性高錳酸鉀溶液、硫化鈉溶液、品紅溶液、紫色石蕊溶液、氫氧化鈉溶液（5%）、蒸餾水

3.2 實驗改進裝置圖

實驗改進裝置如圖1所示。

4 實驗步驟

（1） 按圖1組裝實驗裝置并檢查裝置氣密性。方法為：先將醫(yī)用注射器空氣排盡，再用熱吹風(fēng)機加熱錐形瓶，若注射器活塞被頂起，則說明裝置氣密性良好（說明：醫(yī)用輸液袋與氣體壓力傳感器之間用“寶塔變徑接頭”連接）。

（2） 剪取四張5mm×10mm濾紙條，分別滴加紫色石蕊溶液、酸性高錳酸鉀溶液、硫化鈉溶液、品紅溶液，依次將濾紙條貼在錐形瓶內(nèi)上壁處。

（3） 向錐形瓶中加入稱量好的1.5g亞硫酸鈉粉末，然后用針筒吸取3mL濃硫酸（70%）插入錐形瓶活塞中。

（4） 打開活塞1，向反應(yīng)裝置中緩慢注入3mL濃硫酸（70%），收集SO氣體，并依次觀察各濾紙條的顏色變化和輸液袋氣體的體積變化。

（5） 反應(yīng)結(jié)束后，關(guān)閉活塞1，打開活塞2和數(shù)據(jù)采集器，然后向輸液袋中注入10mL蒸餾水，觀察輸液袋體積和氣體壓強的變化。

（6） 待氣體壓強降低到穩(wěn)定值之后，用力振蕩輸液袋，觀察氣袋體積和壓強變化，氣體壓強穩(wěn)定后，即可記錄曲線趨勢。

（7） 用熱吹風(fēng)機加熱品紅試紙，觀察品紅試紙加熱前后的顏色變化。

（8） 實驗結(jié)束后，用醫(yī)用注射器吸取20mL 5%的NaOH溶液注入反應(yīng)裝置中，進行尾氣處理。

5 實驗現(xiàn)象解釋

（1） 現(xiàn)象1：紫色石蕊濾紙變紅。原理：SO溶于水生成酸，體現(xiàn)酸性氧化物的性質(zhì)。

（2） 現(xiàn)象2：高錳酸鉀濾紙退色。

原理：5SO+2KMnO+2HO=====KSO+2MnSO+2HSO，體現(xiàn)還原性。

（3） 現(xiàn)象3：NaS濾紙出現(xiàn)黃色固體。原理：3SO+2NaS====3S↓+2NaSO，體現(xiàn)氧化性。

（4） 現(xiàn)象4：品紅濾紙先退色，吹風(fēng)機加熱后紅色恢復(fù)，體現(xiàn)SO漂白的不穩(wěn)定性。

（5） 現(xiàn)象5：SO輸液袋在注入水之后變癟，振蕩受熱后變鼓，停止后又變癟。SO溶于水前后壓強曲線圖像如圖2所示：A點初始壓強約為105.88kPa，AB段為SO與蒸餾水反應(yīng)生成亞硫酸，壓強迅速下降；隨后BC段壓強下降趨勢減緩；CD段用力振蕩，亞硫酸不穩(wěn)定分解為SO，氣體壓強增大；DF段停止振蕩后輸液袋內(nèi)的壓強逐漸降低。從觀察輸液袋體積變化（定性分析）和曲線變化（定量分析）可推理得出二氧化硫溶于水的反應(yīng)為可逆反應(yīng)。

實驗操作說明：

（1） 為了全面呈現(xiàn)二氧化硫溶于水的壓強變化曲線，在AC段SO溶于水的實驗測定時間較長。在課堂實施過程中，教師可適當(dāng)在B點處進行振蕩加熱，以縮短課堂演示實驗的時長。

（2） 醫(yī)用輸液袋存在管道太長導(dǎo)致收集氣體較慢的現(xiàn)象，對此可以對輸液管進行適當(dāng)裁剪，再用寶塔變徑接頭連接即可。

6 實驗改進后的優(yōu)點

利用氣體壓力傳感器記錄二氧化硫溶于水的氣壓變化，結(jié)合宏觀現(xiàn)象感知輸液袋的體積變化，為原來比較抽象的正、逆反應(yīng)提供實驗證據(jù)。本體化實驗裝置可以實現(xiàn)對SO氣體的制取、收集及其酸性、還原性、氧化性、漂白性等化學(xué)性質(zhì)進行全面檢驗，具有操作方便、現(xiàn)象明顯、綠色環(huán)保、便于理解等優(yōu)點。

參考文獻：

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