基于“可逆反应”概念建构的二氧化硫性质实验改进

2022-05-30刘明霞汪梅钟琴常金明

化学教学 2022年8期

刘明霞汪梅钟琴常金明

摘要：在梳理教材及文献中二氧化硫性质实验利与弊的基础上，采用注射器、气球、V型玻璃管、具支试管等仪器将教材中的两个实验重新进行装置一体化和试剂微量化设计。改进后的实验操作简便、试剂用量少、利于环保，还能在检验二氧化硫的水溶性及其水溶液漂白性的同时，为学生建构“可逆反应”概念提供支撑。

关键词：二氧化硫的制备与性质; 可逆反应; 一体化设计; 化学微量化实验

文章编号： 1005 6629（2022）08 0070 03

中图分类号： G633.8

文献标识码： B

1 问题的提出

1.1 教材实验分析

2019年版人教版普通高中教科书化学必修第二册第5章第1节“硫及其化合物”中，关于二氧化硫的性质编排了如下两个实验[1]。

实验5 1：把充满SO2、塞有橡胶塞的试管倒立在水中，在水面下打开橡胶塞，观察试管内液面的上升。待液面高度不再明显变化时，在水下用橡胶塞塞紧试管口，取出试管，用pH试纸测定试管中溶液的酸碱度。

实验5 2：用试管取2mL在实验5 1中得到的溶液，向其中滴入1～2滴品红溶液，振荡，观察溶液的颜色变化。然后加热试管，注意通风，再观察溶液的变化。

教材实验采用常规装置和药品，现象较为明显，便于学生观察，在一定程度上发挥了实验的教学功能。但是教材没有提及气体制备和收集的具体方案，需要教师课前准备，实际操作较为繁琐，且实验全程在敞口的试管中进行，缺少尾气处理装置。

1.2 “可逆反应”概念分析

“可逆反应”是中学化学教学中一个重要概念，最早出现在“硫和二氧化硫”内容之中。概念的形成是一个由感性认识上升到理性认识的过程，教材将其穿插于上述实验之间，其目的在于以实验为载体，帮助学生更好地理解和掌握“可逆反应”概念，符合学生的认知发展规律。不足之处是教材直接告知了结论“亚硫酸不稳定，易分解”，逆反应过程在上述实验中没有直接得到体现。在学生现有的认知结构中，认为化学反应都是正向发生的定势思维已经形成，若没有相关的实验事实为概念建构提供实证支撑，容易导致学生理解上的偏差[2]。

1.3 有关文献的评析

通过文献查阅，发现不少学者对教材实验进行了改进，大多集中在气体制备与性质检验一体化和微量化上，虽各具优势，但也存在少许不足。有的方案[3]利用硬质玻璃管和滤纸片一次性验证了二氧化硫的诸多性质，且添加了尾气处理装置，减少了试剂用量，降低了環境污染。但是用镊子添加滤纸片时难以避免试剂溶液之间的接触，产生了一些干扰结果判断的现象。有的方案[4]利用注射器控制浓硫酸滴速以调控气体生成速率，增强了实验的可控性。但实验装置较复杂，学生不仅要理解操作原理，还要观察实验现象，过高的认知负荷反而会阻碍学生的学习。有的方案[5]在Y型管中引爆含硫火柴头制备气体并检验性质，操作简便，现象直观，贴近生活，趣味性强。但火柴头爆燃瞬间管内压强猛增，橡皮塞被弹飞，存在一定的安全隐患，同时气体逸出也造成环境污染。有的方案[6]制作了一个连接有四只直角玻璃管的大烧瓶，同时检验气体的诸多性质，还借助气球直观反映了体系内气体的余量。但该实验使用的是非常规仪器，需课前定制，不便于大范围推广，实用性较低。

基于上述分析，可以发现学者们的关注点主要集中在气体性质的探究上，还没有将教材实验与“可逆反应”概念建立起联系。为解决上述问题，扩大实验教学功能，笔者对教材实验重新进行了微量化[7～9]设计。此设计集二氧化硫气体的制备、性质检验以及尾气处理等于一体，使用常规仪器以提高实验现象的可见度，减少试剂用量以降低对环境的污染，同时还能将抽象的“可逆反应”在实验中显性化，以便于学生对概念的理解和掌握。

2 实验改进

2.1 实验仪器及药品

仪器：具支试管、V型玻璃管、注射器、气球、滤纸片、橡皮管、铁架台、酒精灯

药品：亚硫酸钠粉末、70%硫酸、品红溶液、紫色石蕊溶液、蒸馏水

2.2 实验装置

改进后的实验装置如图1所示。

2.3 实验步骤及现象分析

（1）如图1搭建好装置，检查装置气密性后，向具支试管中加入一定量蒸馏水，滴入1～2滴品红溶液。用镊子夹取浸润有紫色石蕊溶液的滤纸片，置于具支试管口下端。

（2）向V型玻璃管中加入少量亚硫酸钠粉末。用注射器吸取少量硫酸，与V型管连接并缓慢推入管内，观察气球、滤纸片及品红溶液的变化情况。

现象：亚硫酸钠粉末表面有气泡产生，气球变大。

原理： H2SO4+Na2SO3 Na2SO4+H2O+SO2↑，反应产生气体，使具支试管内压强瞬间增大。

现象：浸润有紫色石蕊溶液的滤纸片变红。

原理： SO2+H2O H2SO3，二氧化硫与水反应生成亚硫酸，证明二氧化硫水溶液具有酸性。

现象：品红溶液褪色。

原理：二氧化硫水溶液能与某些有色物质反应生成无色物质，证明二氧化硫水溶液具有漂白性。

现象：几分钟后，气球变小，恢复至原样。

原理： SO2+H2O H2SO3，1体积水能溶解40体积二氧化硫，证明二氧化硫的水溶性。

（3）加热具支试管底部，观察品红溶液、气球的变化情况。

现象：品红溶液恢复红色。

原理：反应生成的无色物质不稳定，易分解，证明二氧化硫水溶液的漂白作用具有可逆性。

现象：具支试管内有大量气泡产生，气球变大。

原理： H2SO3 SO2↑+H2O，亚硫酸不稳定，易分解。加热条件下，分解速度加快，证明二氧化硫与水反应的可逆性。

（4）停止加热，待具支试管冷却，观察品红溶液、气球的变化情况。

现象：品红溶液褪色，气球变小，恢复至原样。

原理：二氧化硫气体溶于水，使品红褪色。在加热、冷却、加热的反复操作过程中，品红溶液褪色复色、气球变大变小的现象同样会反复出现。

2.4 实验结果及解释

在本次改进实验中，引导学生观察气球和品红溶液的变化，深刻理解反应的微观本质。书写反应的化学方程式，建立“宏、微、符”三者联系，从而加强对“可逆反应”概念的理解和掌握。

（1）二氧化硫与水发生可逆反应：宏观层面，气球由大变小，再由小变大，直观感受装置内压强的变化情况;微观层面，分析二氧化硫气体溶解和亚硫酸分解时装置内二氧化硫分子数的增减情况，揭示气球大小变化的微观本质;符号层面，引导学生正确书写反应的化学方程式，促进多重表征的有机融合。可逆反应方程式表示如下：

SO2+H2O △ H2SO3

（2）二氧化硫水溶液漂白作用的可逆性：宏观层面，具支试管中品红溶液由红色变无色，加热时又恢复红色，直观感受溶液的颜色变化;微观层面，简要阐述亚硫酸与品红的反应机理，揭示品红褪色是其与亚硫酸分子作用的结果，而不是二氧化硫[10];符号层面，教师呈现反应的化学方程式，加强不同表征的有效联系。可逆反应方程式表示如下：

2.5 实验注意事项

（1）确保装置气密性良好。实验能否顺利进行取决于装置的气密性，若气体泄漏则不会出现气球的大小变化。

（2）亚硫酸钠粉末不宜过多。V型管内要留有一定空隙，以免反应产生的气体无法进入具支试管内。

（3）选择大小合适的气球。气球太大，变化不够明显，难以直观感受装置内压强的变化;气球太小，可能会导致气球爆裂，后续操作无法正常进行。

（4）合理控制加热温度。具支试管中盛有一定量蒸馏水，沸腾时同样会产生气球变大的现象，干扰结果判断。

3 实验改進的优点

（1）装置一体化。本实验利用常规仪器将二氧化硫的制备与性质检验等多个实验进行了微量化组合设计，装置简约易搭建，药品用量少，实验成本低，便于一线教师进行课堂演示或组织学生分组实验。

（2）安全可靠。本实验在密闭体系中进行，增加了气球作为尾气处理装置，有害气体零排放;装置内压强增大时，气球还起到了良好的缓冲作用，提高了实验的安全系数，增强了学生的安全意识。

（3）现象明显。本实验利用注射器加强实验的可控性，借助气球放大实验现象，提高了实验演示效果。

（4）功能增加。本实验从学生实际出发，不仅将教材多个实验简化整合，还为学生理解掌握“可逆反应”概念提供了大量的实验事实，扩大了实验教学功能，对学生学习化学知识、发展核心素养、培养科学探究能力发挥了重要的作用。

参考文献：

[ 1 ] 王晶，郑长龙主编. 普通高中化学教科书·化学（必修）第二册[M]. 北京：人民教育出版社， 2019： 3.