基于綠色化學理念的SO2還原性實驗裝置的改進

劉佳玲

(華中師范大學化學學院，武漢 430079)

《普通高中化學課程標準(2017年版)》[1]提倡“結合真實情境中的應用實例或通過實驗探究，了解物質的主要性質”。化學實驗是元素化學學習的重要方法之一，也是提升學生三重表征水平的重要途徑[2]。綠色化學理念已經成為國際化學教育改革的重要指導思想。中學化學實驗綠色化有利于培養學生科學態度與社會責任的化學學科核心素養，引導學生關注化學與社會、生活之間的緊密聯系，認識化學的社會價值。針對教材和文獻中SO2還原性實驗裝置的不足，基于綠色化學理念改進實驗裝置，以實現化學實驗的綠色化、微型化。

1 問題的提出

1.1 綠色化學理念的興起

綠色化學理念提倡利用新興技術和方法在源頭上消除污染，減少反應過程中有害物質、有毒物質的利用以及廢棄物的產生，以實現零排放和零污染，其核心思想是原子經濟利用率[3]，與我國提出的科學發展觀相吻合。中學實驗化學綠色化是以綠色化學理念為主旨，通過對中學教學中資源利用率較低、污染較大以及存在安全隱患的化學實驗進行優化設計，實現化學實驗過程的低消耗、物質循環利用和零排放以及零污染。綠色化學理念轉化為中學化學課堂中具體、可操作的載體，主要表現為化學反應原理的抉擇、實驗試劑的選擇、實驗裝置的設計、實驗方案的優化甚至產品的迭代設計等過程。

1.2 現有實驗的不足

該教學主題位于人教版《必修1》第四章第三節“硫和氮的氧化物”，屬于元素化合物知識，教材中所涉及的二氧化硫性質探究實驗如圖1所示。

圖1 人教版《化學 1》教材中二氧化硫性質探究實驗Fig.1 Experiment on the nature of sulfur dioxide in chemistry 1

經分析教材發現，目前使用的教材中存在些許不足，主要體現為：第一，實驗所用SO2氣體經由實驗制得，制取所需試劑用量較大，水溶液中所含SO2濃度較低，導致實驗現象不明顯或所需時間較長。第二，教材對SO2還原性、氧化性的探究并未提供相關實驗，只展示了驗證SO2氣體漂白性的實驗。第三，該實驗處于敞開體系，加熱過程中SO2氣體散入空氣，造成一定污染，同時對人體健康造成不同程度的危害。

基于上述對SO2還原性實驗裝置的分析，結合綠色化學思想對實驗裝置進行了改造。

2 改進策略

2.1 實驗原理

2.2 實驗用品及說明

實驗藥品：無水亞硫酸鈉固體(分析純)、濃H2SO4(分析純)、0.01 mol/L KMnO4溶液(現配現用)。

實驗儀器：10 mL snake(史萊克)反應管、鐵架臺、濾紙條(約1 cm寬)、1 mL注射器、膠頭滴管、藥匙、橡膠塞(19 mm)、表面皿、鑷子。

2.3 實驗裝置

圖2 探究二氧化硫還原性的改進實驗裝置圖Fig.2 Improved experimental device to explore the reducibility of sulfur dioxide

2.4 實驗步驟

第一步，取一支干燥潔凈直徑為19 mm、體積為10 mL的snake反應管，用藥匙取少量無水亞硫酸固體于snake反應管中(蓋滿底部即可)，并放置鐵架臺上，備用。

第二步，剪一段寬度為2 cm的白色濾紙環，放置干燥潔凈的表面皿上，備用。

第三步，用膠頭滴管取少量已配制好的0.01 mol/L高錳酸鉀溶液，輕輕擠壓膠帽，直至表面皿上的白色紙環完全被高錳酸鉀溶液潤濕，并輕輕用鑷子夾取濾紙環，粘貼至snake管下部約1/3處，并塞上橡膠塞(19 mm)。

第四步，用1 mL注射器取0.5 mL濃硫酸，將針頭插入snake反應管的橡膠塞中，逐滴滴加濃硫酸，觀察紙環上的顏色變化情況。

第五步，實驗結束后，若擔心仍有SO2氣體殘余，可用注射器吸取適量的NaOH溶液注入snake反應管中，以確保SO2氣體充分被吸收。

2.5 實驗現象及結論

向裝有無水亞硫酸鈉的snake反應管中注入濃硫酸時，試管底部的白色固體逐漸溶解，且瞬間產生大量氣泡，同時吸有酸性KMnO4溶液的濾紙條逐漸褪色，最終恢復成白色。錳酸根離子在酸性條件下易被還原為Mn2+，根據氧化還原反應原理，則SO2被氧化，具有還原性。

2.6 實驗注意事項

第一，加入snake反應管中的無水亞硫酸鈉粉末不易過多，填滿反應管底部即可，或直接配制成一定物質的量濃度的NaSO3溶液，但注意要現配現用，注意保存，以防被氧化。第二，該體系處于密閉狀態，裝置封閉效果較好，將注射器插入橡膠塞時可能比較費力，必要時可換用較大針頭。另外，濃硫酸具有脫水性，因此注入濃硫酸時要防止濃硫酸直接噴在濾紙條上或沿管壁流入。第三，由于亞硫酸鈉與濃硫酸反應速率快，注入濃硫酸的量不易過多，且采取緩慢滴加的方式，防止滴加速度過快，短時間內產生大量泡沫沖開橡膠塞，造成一定的安全事故。

3 實驗創新點

第一，直觀性強，高效安全。該裝置采用微型裝置，藥品用量少反應速率快，實驗現象明顯，適合教師在課堂開展演示實驗或進行學生分組實驗。

第二，拆裝方便，適用性強。該改進裝置所需要的實驗儀器為一定體積規格的snake管、注射器、橡膠塞，注射器可以控制反應物用量和加入速度。該實驗裝置可適用于固體和液體反應制備并在密閉容器中檢驗或探究氣體性質的實驗。例如，探究SO2的漂白性，可以在snake反應管壁內粘貼蘸有品紅溶液的濾紙條；驗證SO2還原性的強弱，可分別放置蘸有溴水(或碘水)、KMnO4溶液的濾紙條，觀察褪色時間長短。稍作修改還可適用于氯氣、氨氣等氣體性質的探究。

第三，綠色環保。整個實驗過程都處于密閉體系，其中snake反應管是大學有機合成化學實驗中常用于無水無氧環境的微量反應管，可直接加熱，其帶有玻璃節門，關閉節門可營造密閉環境，防止SO2氣體擴散。