利用氣體壓力傳感器改進(jìn)二氧化硫性質(zhì)實(shí)驗(yàn)

（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(xiàn)中關(guān)于二氧化硫制取及其性質(zhì)檢驗(yàn)的內(nèi)容，對(duì)現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)存在的問(wèn)題進(jìn)行設(shè)計(jì)與改進(jìn)。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(shí)現(xiàn)氣體制取、性質(zhì)檢驗(yàn)、氣體收集及尾氣處理等一體化實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，有效幫助學(xué)生構(gòu)建“可逆反應(yīng)”概念。改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn)具有操作方便、現(xiàn)象明顯、綠色環(huán)保、便于理解等優(yōu)點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：二氧化硫；氣體壓力傳感器；實(shí)驗(yàn)改進(jìn)；一體化實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

文章編號(hào)：1005-6629（2024）09-0077-03

中圖分類號(hào)：G633.8

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

化學(xué)實(shí)驗(yàn)對(duì)于全面發(fā)展學(xué)生的化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)具有獨(dú)特的價(jià)值^［1］。二氧化硫是重要的非金屬氧化物，借助實(shí)驗(yàn)探究二氧化硫的制取、性質(zhì)及其轉(zhuǎn)化途徑，不僅可以強(qiáng)化“價(jià)-類”二維思維模型、元素觀、變化觀等學(xué)科觀念，而且通過(guò)實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)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(wèn)題解決能力和社會(huì)責(zé)任素養(yǎng)。

1 問(wèn)題的提出

《普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版2020年修訂）》（以下簡(jiǎn)稱“新課標(biāo)”）對(duì)“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(jià)態(tài)變化的角度，預(yù)測(cè)SO的化學(xué)性質(zhì)，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行初步驗(yàn)證，并能分析、解釋有關(guān)的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象^［2］。2019版人教版教材以實(shí)驗(yàn)“將充滿SO的試管倒置在水槽中并測(cè)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(jì)了SO的酸性和漂白性實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象明顯但仍有些許不足：（1）開(kāi)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(yàn)操作繁瑣，若將性質(zhì)分開(kāi)檢驗(yàn)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(guò)程無(wú)法為學(xué)生提供直觀的實(shí)驗(yàn)證據(jù)。

鑒于以上原因，一線教師常采用視頻播放的形式進(jìn)行教學(xué)，難以培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐能力。新課標(biāo)倡導(dǎo)開(kāi)展以化學(xué)實(shí)驗(yàn)為主的多種探究活動(dòng)，以促進(jìn)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(shí)驗(yàn)真正進(jìn)入課堂，對(duì)于提升學(xué)生宏觀辨識(shí)、證據(jù)推理和社會(huì)責(zé)任素養(yǎng)等方面具有重要意義。

2 相關(guān)文獻(xiàn)分析

新課標(biāo)鼓勵(lì)開(kāi)展實(shí)驗(yàn)的綠色化和微型化設(shè)計(jì)^［3］。查閱相關(guān)文獻(xiàn)發(fā)現(xiàn)，二氧化硫的制取及其性質(zhì)實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)角度主要有：（1）利用生活常見(jiàn)材料（有機(jī)玻璃材料^［4］、塑料瓶^［5］）改進(jìn)實(shí)驗(yàn)裝置，實(shí)現(xiàn)密閉條件下二氧化硫性質(zhì)的檢驗(yàn)，體現(xiàn)趣味性和生活化。（2）改進(jìn)SO氣體制取方法，利用加熱含硫火柴頭制備SO并檢驗(yàn)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(jiàn)化學(xué)儀器進(jìn)行裝置一體化改進(jìn)，實(shí)現(xiàn)了所有性質(zhì)的檢驗(yàn)^［7，8］，但存在裝置復(fù)雜不易操作等問(wèn)題。（4）利用氣球體積變化定性驗(yàn)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(shuō)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(shí)驗(yàn)現(xiàn)象圖片分析SO的化學(xué)性質(zhì)；蘇教版以學(xué)生實(shí)驗(yàn)的形式設(shè)計(jì)SO的性質(zhì)檢驗(yàn)；人教版則設(shè)計(jì)了SO的酸性和漂白性的教師演示實(shí)驗(yàn)。三版教材對(duì)SO性質(zhì)檢驗(yàn)的方式雖各有側(cè)重，但都表現(xiàn)出SO作為典型中間價(jià)態(tài)物質(zhì)性質(zhì)的系統(tǒng)性，強(qiáng)調(diào)從元素價(jià)態(tài)的角度分析化學(xué)性質(zhì)，注重對(duì)學(xué)生元素觀、變化觀等學(xué)科觀念的提升。但對(duì)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(shí)驗(yàn)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(guò)以上分析，發(fā)現(xiàn)現(xiàn)有研究還存在裝置過(guò)于復(fù)雜、性質(zhì)檢驗(yàn)不夠完全、忽略可逆反應(yīng)概念的建立、缺乏定量分析等問(wèn)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(jì)一套二氧化硫氣體制取及其性質(zhì)檢驗(yàn)的一體化裝置，并借助氣體壓力傳感器測(cè)定SO溶于水前后的壓強(qiáng)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(shí)驗(yàn)改進(jìn)設(shè)計(jì)

3.1 實(shí)驗(yàn)儀器及藥品

3.1.1 實(shí)驗(yàn)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(jì)算機(jī)（安裝Logger Pro軟件）、濾紙條（5mm×10mm）、吹風(fēng)機(jī)（400W）、寶塔變徑接頭

3.1.2 實(shí)驗(yàn)藥品

無(wú)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(shí)驗(yàn)改進(jìn)裝置圖

實(shí)驗(yàn)改進(jìn)裝置如圖1所示。

4 實(shí)驗(yàn)步驟

（1） 按圖1組裝實(shí)驗(yàn)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(jī)加熱錐形瓶，若注射器活塞被頂起，則說(shuō)明裝置氣密性良好（說(shuō)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?jī)?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(kāi)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(kāi)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(qiáng)的變化。

（6） 待氣體壓強(qiáng)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(qiáng)變化，氣體壓強(qiáng)穩(wěn)定后，即可記錄曲線趨勢(shì)。

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

（8） 實(shí)驗(yàn)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(jìn)行尾氣處理。

5 實(shí)驗(yàn)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(jī)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(qiáng)曲線圖像如圖2所示：A點(diǎn)初始?jí)簭?qiáng)約為105.88kPa，AB段為SO與蒸餾水反應(yīng)生成亞硫酸，壓強(qiáng)迅速下降；隨后BC段壓強(qiáng)下降趨勢(shì)減緩；CD段用力振蕩，亞硫酸不穩(wěn)定分解為SO，氣體壓強(qiáng)增大；DF段停止振蕩后輸液袋內(nèi)的壓強(qiáng)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(shí)驗(yàn)操作說(shuō)明：

（1） 為了全面呈現(xiàn)二氧化硫溶于水的壓強(qiáng)變化曲線，在AC段SO溶于水的實(shí)驗(yàn)測(cè)定時(shí)間較長(zhǎng)。在課堂實(shí)施過(guò)程中，教師可適當(dāng)在B點(diǎn)處進(jìn)行振蕩加熱，以縮短課堂演示實(shí)驗(yàn)的時(shí)長(zhǎng)。

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

6 實(shí)驗(yàn)改進(jìn)后的優(yōu)點(diǎn)

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(lái)比較抽象的正、逆反應(yīng)提供實(shí)驗(yàn)證據(jù)。本體化實(shí)驗(yàn)裝置可以實(shí)現(xiàn)對(duì)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(jìn)行全面檢驗(yàn)，具有操作方便、現(xiàn)象明顯、綠色環(huán)保、便于理解等優(yōu)點(diǎn)。

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