二氧化硫制備和性質實驗的簡易裝置設計

摘要：對人教版高中化學必修第二冊教材中的“二氧化硫制備和性質”實驗存在的問題進行分析并作改進設計。使用具支試管等儀器將SO2的制備與性質檢驗整合在密封裝置中連續(xù)進行；借助壓力傳感器和pH傳感器分別測量SO2溶于水的過程中容器內氣體壓力的變化和溶液pH的變化。改進后的實驗裝置具有取材方便、操作簡單、現象明顯和有益環(huán)保等特點。關鍵詞：二氧化硫制備；性質實驗；簡易裝置；實驗改進1問題的提出二氧化硫制備和性質實驗在高中化學中占有重要地位?！镀胀ǜ咧谢瘜W課程標準（2017年版2020年修訂）》在“內容要求”欄目中強調，通過實驗探究了解硫及其氧化物的主要性質，認識其在生產中的應用和對生態(tài)環(huán)境的影響；在“學習活動建議”欄目中將“不同價態(tài)含硫物質的轉化、二氧化硫的性質”作為學生的學習活動［1］。在人教版高中化學教材必修第二冊中，SO2的制備采用銅與濃硫酸反應，需要加熱、反應慢、SO2產量低；在性質實驗時需要提前制備和收集好SO2，容易造成SO2氣體的泄露，引起環(huán)境污染；實驗雖展示了SO2的水溶性和漂白性，但對SO2的還原性和氧化性僅有文本描述，沒有實驗。在實際教學過程中，學生對SO2的還原性和漂白性存在一定的迷惑，對SO2的水溶性及其水溶液酸性的了解也僅停留在定性層面，缺乏定量探究。此外，在開放的環(huán)境中驗證SO2的漂白性實驗，SO2容易逸散到空氣中污染教學環(huán)境，影響師生的身體健康。為了解決上述問題，筆者對SO2的制備和性質實驗作了改進和完善。2相關文獻簡評為了解SO2制備和性質實驗研究的進展與現狀，查閱了大量的資料，發(fā)現研究主要集中在以下幾個方面：（1）對實驗裝置微型化和藥品微量化設計［2～4］，節(jié)約了藥品，減少了尾氣的排放；（2）對實驗裝置的一體化設計［5～7］，即把SO2制備和性質檢驗整合在一起，現象明顯，但操作較復雜；（3）對實驗裝置生活化改進，增加了實驗的趣味性［8］；（4）對SO2尾氣的處理，以解決環(huán)境污染問題。以上的改進一定程度上優(yōu)化了實驗效果，但依然存在實驗裝置復雜、不易操作和缺乏數字化實驗等問題?；诤喗?、高效、易操作、綠色環(huán)保等原則，本文設計了SO2制備和性質實驗的簡易裝置。實驗中采用Na2SO3固體粉末和H2SO4溶液反應制備SO2，利用注射器控制反應速率；借助氣體壓力傳感器和pH傳感器分別測量SO2溶于水過程中容器內氣體壓力的變化和溶液的pH變化，從定性和定量的角度驗證SO2的水溶性和水溶液的酸性；并對SO2的漂白性、還原性和氧化性等性質也進行了驗證；反應裝置為密閉體系，尾氣處理環(huán)節(jié)防止了SO2逸散到空氣中。本改進實驗有利于學生深化理解SO2的性質和發(fā)展化學學科核心素養(yǎng)。3實驗部分3.1儀器及試劑實驗儀器：Vernier數據采集器，電腦（安裝LoggerPro軟件），氣體壓力傳感器，pH傳感器，具支試管（130mm×25mm）2個，具支試管（80mm×15mm）1個，Y形管，注射器，氣球，酒精燈，濾紙條，兩通閥，棉花團實驗藥品：Na2SO3固體粉末，70%H2SO4溶液，NaOH溶液，Na2S溶液，KMnO4稀溶液，品紅溶液，溴水，紫色石蕊溶液，BaCl2溶液，蒸餾水3.2二氧化硫制備和性質實驗3.2.1實驗裝置實驗裝置見圖1。3.2.2實驗步驟（1）按圖1組裝實驗裝置并檢查其氣密性。（2）稱量3gNa2SO3固體粉末于具支試管A中，并用鑷子將蘸有KMnO4溶液的濾紙條、蘸有Na2S溶液的濾紙條粘在具支試管A內壁處。用注射器A吸取4mLH2SO4溶液插入兩通閥上端，并取1根長10cm的玻璃管與兩通閥底部相連，玻璃管下端距離具支試管底部1cm左右為宜。（3）用注射器B吸取5mL滴有紫色石蕊的水插入具支試管B中的橡膠塞上，并安裝氣體壓力傳感器（或pH傳感器），最后在具支試管C中注入2mL品紅溶液。（4）打開VernierLoggerPro軟件，設置好參數后點擊采集按鈕。打開兩通閥，將注射器A中的H2SO4溶液緩慢加入具支試管A中。（5）待具支試管C中溶液退色后，停止反應。關閉止水夾1和2，緩慢將注射器B中1/5溶液注入具支試管B中。一段時間后，加熱具支試管C，觀察實驗現象。（6）待電腦上數據穩(wěn)定后，停止采集，打開止水夾1和2。用注射器通過兩通閥向具支試管A中注入空氣，使裝置內殘留的SO2全部排入氣球中并被蘸有NaOH溶液的棉花球吸收。3.2.3實驗結果與討論（1）具支試管A中Na2SO3固體粉末表面有無色氣泡產生，具支試管C中氣球略微變大后又慢慢變小，說明產生了無色氣體SO2。實驗原理為：H2SO4+Na2SO3Na2SO4+H2O+SO2↑。Na2SO3固體粉末與H2SO4溶液反應劇烈，產生SO2速率較快，學生可在較短時間內觀察到實驗現象。（2）KMnO4濾紙條由紫色變?yōu)闊o色，證明了SO2具有還原性。實驗原理為：2KMnO4+3SO2+2H2OK2SO4+2MnO2↓+2H2SO4（中性介質中）。蘸有KMnO4溶液的濾紙條可以換成蘸有溴水的濾紙條，也可驗證SO2的還原性。（3）Na2S濾紙條由無色變?yōu)辄S色，證明了SO2具有氧化性。實驗原理為：3SO2+2Na2S3S↓+2Na2SO3。（4）當將注射器B中1/5的溶液注入具支試管B時，SO2氣體溶于水產生的負壓將注射器B中剩余的液體吸入具支試管B中，具支試管B中的紅色溶液和注射器B中的紫色溶液形成鮮明的對比，具支試管B中氣體壓力迅速下降［見圖2（左）BC段］，證明了SO2的水溶性。通常情況下，1體積H2O可以溶解約為40體積的SO2，實驗原理為：SO2+H2OH2SO3。若把氣體壓力傳感器換成pH傳感器時，溶液的pH迅速下降［如圖2（右）B′C′段］，體現了SO2水溶液的酸性。在實際教學中，教師可根據課堂需要選擇合適傳感器，引導學生從定量層面理解SO2的水溶性和水溶液的酸性。（5）具支試管C中品紅溶液退色，證明SO2的漂白性。加熱具支試管C底部，觀察到有氣泡產生，氣球略微增大后又慢慢減?。⊿O2+2NaOHNa2SO3+H2O），退色的品紅溶液恢復紅色，證明了SO2漂白性的可逆性和不穩(wěn)定性。實驗原理為：SO2氣體易溶于H2O并與H2O反應生成H2SO3，品紅是與H2SO3電離生成的HSO-3作用生成不穩(wěn)定的無色物質，加熱后又容易分解生成原有色物質和SO2氣體［9］。氣球可以緩沖密閉容器中的氣壓，并且根據氣球的大小和具支試管C中溶液顏色的變化可以判斷具支試管B中收集的SO2的情況。3.3二氧化硫的漂白性與還原性對比實驗上述實驗通過Na2SO3與H2SO4反應制備SO2，并驗證SO2的氧化性、還原性、漂白性、水溶性和水溶液的酸性。在實際教學中發(fā)現，部分學生容易將KMnO4溶液和溴水的退色誤認為與SO2的漂白性有關。為了解決這一問題，并進一步探究SO2的漂白性和還原性，借助Y形管和具支試管設計一個SO2漂白性和還原性的對比實驗。3.3.1實驗裝置實驗裝置見圖3。3.3.2實驗步驟及現象（1）按圖3組裝實驗裝置并檢查其氣密性。（2）稱量2gNa2SO3固體粉末于具支試管中。用注射器1吸取3mLH2SO4溶液插入兩通閥上端，并取1根長6cm的玻璃管與兩通閥下端相連，玻璃管底部距離具支試管底部1cm左右為宜，接著將氣球套在具支試管的支管口處。（3）分別量取2mLKMnO4稀溶液和品紅溶液加到Y形管的左管和右管中，注射器2中吸入2mLBaCl2溶液。（4）將注射器1中的H2SO4溶液緩慢加入具支試管中，觀察到具支試管中的Na2SO3與H2SO4劇烈反應，產生大量無色氣泡，氣球變大（H2SO4+Na2SO3Na2SO4+H2O+SO2↑）。Y形管中的品紅溶液由紅色變?yōu)闊o色，KMnO4稀溶液由紫色變?yōu)闊o色（2KMnO4+3SO2+2H2OK2SO4+2MnO2↓+2H2SO4）。若把KMnO4稀溶液換成溴水，則溴水由黃色變?yōu)闊o色（SO2+Br2+2H2OH2SO4+2HBr）。（5）待Y形管溶液退色后，用酒精燈加熱Y形管底部，觀察到退色的KMnO4稀溶液（或溴水）不恢復顏色，而退色的品紅溶液恢復紅色。一段時間后，將注射器2中的溶液注入到Y形管的右管中，觀察到產生白色沉淀（Ba2++SO2-4BaSO4↓）。（6）待反應結束后，用注射器向具支試管注入5mLNaOH溶液。并用注射器通過兩通閥向Y形管中注入空氣，使裝置內殘留的SO2全部排入具支試管，進行尾氣處理，避免污染環(huán)境。3.3.3有關說明（1）進入Y形管中的SO2使KMnO4稀溶液（溴水）和品紅溶液退色以及品紅加熱又復色的實驗現象，產生鮮明的對比；并根據滴加BaCl2溶液產生白色沉淀的實驗現象，引導學生深入探究SO2使KMnO4稀溶液（或溴水）退色的本質，有助于培養(yǎng)學生的證據推理能力。（2）本裝置還可以同時進行SO2的氧化性、水溶液的酸性實驗，只需要分別將蘸有Na2S溶液的濾紙條、蘸有紫色石蕊溶液的濾紙條粘在具支試管內壁上即可。（3）在尾氣處理環(huán)節(jié)，兩通閥可保證整個裝置的密閉性，氣球的作用可緩沖密閉裝置中的氣壓。3.4注意事項（1）實驗前要檢查裝置的氣密性，避免SO2泄露。（2）70%的硫酸具有較強的腐蝕性，在實驗操作過程中需要帶上橡膠手套。（3）注射器加入H2SO4溶液時要緩慢，防止劇烈放熱使Na2SO3固體粉末飛濺。3.5結語（1）本實驗選擇Na2SO3固體粉末與70%的H2SO4溶液反應制取SO2為放熱反應，反應速率快且操作簡單。（2）該實驗在密閉體系中進行，產生的SO2為有害有毒氣體，不會泄露到空氣中，最終被NaOH溶液吸收，體現了環(huán)保理念。（3）本實驗在短時間內完成了SO2的制取和SO2的水溶性、漂白性、還原性、氧化性等性質的檢驗，還驗證了SO2對品紅溶液漂白作用的可逆性和不穩(wěn)定性。（4）利用氣體壓力傳感器和pH傳感器進行對SO2溶于水的有關數據測定，從定性和定量角度檢驗了SO2的水溶性及其水溶液的酸性，有助于學生深入理解SO2溶于水的過程。（5）利用Y形管進行SO2的還原性和漂白性的實驗對照，實驗現象明顯，直觀地呈現了使物質退色的兩種性質的區(qū)別。（6）反應裝置選取的是實驗室常見的儀器，采用一次性注射器、具支試管、Y形管等作為SO2的制備和性質檢驗裝置，具有取材方便、操作簡單、現象明顯、效率高等優(yōu)點。參考文獻：［1］普通高中化學課程標準（2017年版2020年修訂）［S］.北京：人民教育出版社，2020：17～18.［2］二氧化硫性質的一體化微型實驗設計［J］.實驗教學與儀器，2021，38（3）：42～43.［3］二氧化硫制取和性質實驗的微量化改進［J］.化學教學，2012，（6）：47～49.［4］二氧化硫性質實驗的微型化再改進［J］.化學教學，2011，（7）：48～49.［5］