二氧化硫制備和性質(zhì)實(shí)驗(yàn)的簡(jiǎn)易裝置設(shè)計(jì)

摘要：對(duì)人教版高中化學(xué)必修第二冊(cè)教材中的“二氧化硫制備和性質(zhì)”實(shí)驗(yàn)存在的問(wèn)題進(jìn)行分析并作改進(jìn)設(shè)計(jì)。使用具支試管等儀器將SO2的制備與性質(zhì)檢驗(yàn)整合在密封裝置中連續(xù)進(jìn)行；借助壓力傳感器和pH傳感器分別測(cè)量SO2溶于水的過(guò)程中容器內(nèi)氣體壓力的變化和溶液pH的變化。改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn)裝置具有取材方便、操作簡(jiǎn)單、現(xiàn)象明顯和有益環(huán)保等特點(diǎn)。關(guān)鍵詞：二氧化硫制備；性質(zhì)實(shí)驗(yàn)；簡(jiǎn)易裝置；實(shí)驗(yàn)改進(jìn)1問(wèn)題的提出二氧化硫制備和性質(zhì)實(shí)驗(yàn)在高中化學(xué)中占有重要地位?！镀胀ǜ咧谢瘜W(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版2020年修訂）》在“內(nèi)容要求”欄目中強(qiáng)調(diào)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)探究了解硫及其氧化物的主要性質(zhì)，認(rèn)識(shí)其在生產(chǎn)中的應(yīng)用和對(duì)生態(tài)環(huán)境的影響；在“學(xué)習(xí)活動(dòng)建議”欄目中將“不同價(jià)態(tài)含硫物質(zhì)的轉(zhuǎn)化、二氧化硫的性質(zhì)”作為學(xué)生的學(xué)習(xí)活動(dòng)［1］。在人教版高中化學(xué)教材必修第二冊(cè)中，SO2的制備采用銅與濃硫酸反應(yīng)，需要加熱、反應(yīng)慢、SO2產(chǎn)量低；在性質(zhì)實(shí)驗(yàn)時(shí)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(shí)驗(yàn)雖展示了SO2的水溶性和漂白性，但對(duì)SO2的還原性和氧化性僅有文本描述，沒(méi)有實(shí)驗(yàn)。在實(shí)際教學(xué)過(guò)程中，學(xué)生對(duì)SO2的還原性和漂白性存在一定的迷惑，對(duì)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(kāi)放的環(huán)境中驗(yàn)證SO2的漂白性實(shí)驗(yàn)，SO2容易逸散到空氣中污染教學(xué)環(huán)境，影響師生的身體健康。為了解決上述問(wèn)題，筆者對(duì)SO2的制備和性質(zhì)實(shí)驗(yàn)作了改進(jìn)和完善。2相關(guān)文獻(xiàn)簡(jiǎn)評(píng)為了解SO2制備和性質(zhì)實(shí)驗(yàn)研究的進(jìn)展與現(xiàn)狀，查閱了大量的資料，發(fā)現(xiàn)研究主要集中在以下幾個(gè)方面：（1）對(duì)實(shí)驗(yàn)裝置微型化和藥品微量化設(shè)計(jì)［2～4］，節(jié)約了藥品，減少了尾氣的排放；（2）對(duì)實(shí)驗(yàn)裝置的一體化設(shè)計(jì)［5～7］，即把SO2制備和性質(zhì)檢驗(yàn)整合在一起，現(xiàn)象明顯，但操作較復(fù)雜；（3）對(duì)實(shí)驗(yàn)裝置生活化改進(jìn)，增加了實(shí)驗(yàn)的趣味性［8］；（4）對(duì)SO2尾氣的處理，以解決環(huán)境污染問(wèn)題。以上的改進(jìn)一定程度上優(yōu)化了實(shí)驗(yàn)效果，但依然存在實(shí)驗(yàn)裝置復(fù)雜、不易操作和缺乏數(shù)字化實(shí)驗(yàn)等問(wèn)題。基于簡(jiǎn)捷、高效、易操作、綠色環(huán)保等原則，本文設(shè)計(jì)了SO2制備和性質(zhì)實(shí)驗(yàn)的簡(jiǎn)易裝置。實(shí)驗(yàn)中采用Na2SO3固體粉末和H2SO4溶液反應(yīng)制備SO2，利用注射器控制反應(yīng)速率；借助氣體壓力傳感器和pH傳感器分別測(cè)量SO2溶于水過(guò)程中容器內(nèi)氣體壓力的變化和溶液的pH變化，從定性和定量的角度驗(yàn)證SO2的水溶性和水溶液的酸性；并對(duì)SO2的漂白性、還原性和氧化性等性質(zhì)也進(jìn)行了驗(yàn)證；反應(yīng)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(jìn)實(shí)驗(yàn)有利于學(xué)生深化理解SO2的性質(zhì)和發(fā)展化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)。3實(shí)驗(yàn)部分3.1儀器及試劑實(shí)驗(yàn)儀器：Vernier數(shù)據(jù)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(gè)，具支試管（80mm×15mm）1個(gè)，Y形管，注射器，氣球，酒精燈，濾紙條，兩通閥，棉花團(tuán)實(shí)驗(yàn)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(zhì)實(shí)驗(yàn)3.2.1實(shí)驗(yàn)裝置實(shí)驗(yàn)裝置見(jiàn)圖1。3.2.2實(shí)驗(yàn)步驟（1）按圖1組裝實(shí)驗(yàn)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(nèi)壁處。用注射器A吸取4mLH2SO4溶液插入兩通閥上端，并取1根長(zhǎng)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(kāi)VernierLoggerPro軟件，設(shè)置好參數(shù)后點(diǎn)擊采集按鈕。打開(kāi)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(yīng)。關(guān)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(shí)間后，加熱具支試管C，觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。（6）待電腦上數(shù)據(jù)穩(wěn)定后，停止采集，打開(kāi)止水夾1和2。用注射器通過(guò)兩通閥向具支試管A中注入空氣，使裝置內(nèi)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(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論（1）具支試管A中Na2SO3固體粉末表面有無(wú)色氣泡產(chǎn)生，具支試管C中氣球略微變大后又慢慢變小，說(shuō)明產(chǎn)生了無(wú)色氣體SO2。實(shí)驗(yàn)原理為：H2SO4+Na2SO3Na2SO4+H2O+SO2↑。Na2SO3固體粉末與H2SO4溶液反應(yīng)劇烈，產(chǎn)生SO2速率較快，學(xué)生可在較短時(shí)間內(nèi)觀察到實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。（2）KMnO4濾紙條由紫色變?yōu)闊o(wú)色，證明了SO2具有還原性。實(shí)驗(yàn)原理為：2KMnO4+3SO2+2H2OK2SO4+2MnO2↓+2H2SO4（中性介質(zhì)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(yàn)證SO2的還原性。（3）Na2S濾紙條由無(wú)色變?yōu)辄S色，證明了SO2具有氧化性。實(shí)驗(yàn)原理為：3SO2+2Na2S3S↓+2Na2SO3。（4）當(dāng)將注射器B中1/5的溶液注入具支試管B時(shí)，SO2氣體溶于水產(chǎn)生的負(fù)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(duì)比，具支試管B中氣體壓力迅速下降［見(jiàn)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(shí)驗(yàn)原理為：SO2+H2OH2SO3。若把氣體壓力傳感器換成pH傳感器時(shí)，溶液的pH迅速下降［如圖2（右）B′C′段］，體現(xiàn)了SO2水溶液的酸性。在實(shí)際教學(xué)中，教師可根據(jù)課堂需要選擇合適傳感器，引導(dǎo)學(xué)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(chǎn)生，氣球略微增大后又慢慢減?。⊿O2+2NaOHNa2SO3+H2O），退色的品紅溶液恢復(fù)紅色，證明了SO2漂白性的可逆性和不穩(wěn)定性。實(shí)驗(yàn)原理為：SO2氣體易溶于H2O并與H2O反應(yīng)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(wú)色物質(zhì)，加熱后又容易分解生成原有色物質(zhì)和SO2氣體［9］。氣球可以緩沖密閉容器中的氣壓，并且根據(jù)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(duì)比實(shí)驗(yàn)上述實(shí)驗(yàn)通過(guò)Na2SO3與H2SO4反應(yīng)制備SO2，并驗(yàn)證SO2的氧化性、還原性、漂白性、水溶性和水溶液的酸性。在實(shí)際教學(xué)中發(fā)現(xiàn)，部分學(xué)生容易將KMnO4溶液和溴水的退色誤認(rèn)為與SO2的漂白性有關(guān)。為了解決這一問(wèn)題，并進(jìn)一步探究SO2的漂白性和還原性，借助Y形管和具支試管設(shè)計(jì)一個(gè)SO2漂白性和還原性的對(duì)比實(shí)驗(yàn)。3.3.1實(shí)驗(yàn)裝置實(shí)驗(yàn)裝置見(jiàn)圖3。3.3.2實(shí)驗(yàn)步驟及現(xiàn)象（1）按圖3組裝實(shí)驗(yàn)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(zhǎng)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(jié)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(yīng)，產(chǎn)生大量無(wú)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(wú)色，KMnO4稀溶液由紫色變?yōu)闊o(wú)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(wú)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(fù)顏色，而退色的品紅溶液恢復(fù)紅色。一段時(shí)間后，將注射器2中的溶液注入到Y(jié)形管的右管中，觀察到產(chǎn)生白色沉淀（Ba2++SO2-4BaSO4↓）。（6）待反應(yīng)結(jié)束后，用注射器向具支試管注入5mLNaOH溶液。并用注射器通過(guò)兩通閥向Y形管中注入空氣，使裝置內(nèi)殘留的SO2全部排入具支試管，進(jìn)行尾氣處理，避免污染環(huán)境。3.3.3有關(guān)說(shuō)明（1）進(jìn)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(fù)色的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，產(chǎn)生鮮明的對(duì)比；并根據(jù)滴加BaCl2溶液產(chǎn)生白色沉淀的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，引導(dǎo)學(xué)生深入探究SO2使KMnO4稀溶液（或溴水）退色的本質(zhì)，有助于培養(yǎng)學(xué)生的證據(jù)推理能力。（2）本裝置還可以同時(shí)進(jìn)行SO2的氧化性、水溶液的酸性實(shí)驗(yàn)，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(nèi)壁上即可。（3）在尾氣處理環(huán)節(jié)，兩通閥可保證整個(gè)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(xiàng)（1）實(shí)驗(yàn)前要檢查裝置的氣密性，避免SO2泄露。（2）70%的硫酸具有較強(qiáng)的腐蝕性，在實(shí)驗(yàn)操作過(guò)程中需要帶上橡膠手套。（3）注射器加入H2SO4溶液時(shí)要緩慢，防止劇烈放熱使Na2SO3固體粉末飛濺。3.5結(jié)語(yǔ)（1）本實(shí)驗(yàn)選擇Na2SO3固體粉末與70%的H2SO4溶液反應(yīng)制取SO2為放熱反應(yīng)，反應(yīng)速率快且操作簡(jiǎn)單。（2）該實(shí)驗(yàn)在密閉體系中進(jìn)行，產(chǎn)生的SO2為有害有毒氣體，不會(huì)泄露到空氣中，最終被NaOH溶液吸收，體現(xiàn)了環(huán)保理念。（3）本實(shí)驗(yàn)在短時(shí)間內(nèi)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(zhì)的檢驗(yàn)，還驗(yàn)證了SO2對(duì)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(jìn)行對(duì)SO2溶于水的有關(guān)數(shù)據(jù)測(cè)定，從定性和定量角度檢驗(yàn)了SO2的水溶性及其水溶液的酸性，有助于學(xué)生深入理解SO2溶于水的過(guò)程。（5）利用Y形管進(jìn)行SO2的還原性和漂白性的實(shí)驗(yàn)對(duì)照，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象明顯，直觀地呈現(xiàn)了使物質(zhì)退色的兩種性質(zhì)的區(qū)別。（6）反應(yīng)裝置選取的是實(shí)驗(yàn)室常見(jiàn)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(zhì)檢驗(yàn)裝置，具有取材方便、操作簡(jiǎn)單、現(xiàn)象明顯、效率高等優(yōu)點(diǎn)。參考文獻(xiàn)：［1］普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（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(zhì)的一體化微型實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)［J］.實(shí)驗(yàn)教學(xué)與儀器，2021，38（3）：42～43.［3］二氧化硫制取和性質(zhì)實(shí)驗(yàn)的微量化改進(jìn)［J］.化學(xué)教學(xué)，2012，（6）：47～49.［4］二氧化硫性質(zhì)實(shí)驗(yàn)的微型化再改進(jìn)［J］.化學(xué)教學(xué)，2011，（7）：48～49.［5］