二氧化硫制备及性质实验改进教学设计

何翔

摘要： 针对当前科学实践教学存在的问题，基于科学实践与科学认识协同发展的模型，以“二氧化硫的制备及性质的改进”为例，进行实验教学设计及改进。改进后实验的装置简易、避免了气体污染、更利于实验的推广，使教学更能有效激发学生的思维，以及体验更有趣的学习过程。

關键词： 二氧化硫制备； 二氧化硫性质； 实验改进; 教学设计

文章编号： 1005-6629（2023）03-0066-03

中图分类号： G633.8

文献标识码： B

1  问题的提出

新版义务教育课程标准提出学科实践的新概念［1， 2］。学科实践在科学学科教学的体现就是科学实践［3， 4］。科学实践是在一般的科学探究要素的基础上增加了模型建构、评论与评价等高阶思维活动。元素化合物知识是科学实践教学的重要载体，也承载发展学生科学认识的重要功能。有关文献表明，国内外科学教育在科学实践教学与科学认识教学上存在以下三个方面的问题：第一，科学实践教学强调根据探究的流程进行机械化的操作，难以发展科学探究实践能力；第二，科学认识教学停留在具体知识上，没有形成结构化和功能化的学科核心概念；第三，科学实践与科学认识的教学割裂，单一强调动手或动脑［5］。

关于如何促进科学实践与科学认识协同发展，孔思敏、王磊等人提出了促进中学生科学实践与科学认识协同发展的思维教学模型，该模型由四个维度组成［6］。左维“学科认识方式”与下维“学科核心知识”构成科学认识，上维“学科实验活动及问题情境”、右维“一般科学实践”和“学科能力活动”组成“科学实践”。四维协调运作，能够促进学生科学实践与科学认识的协同发展。

基于四维模型，我们以“二氧化硫的制备及性质改进”为例，开展教学探索。普通高中化学课程标准（2017年版2022年修订）对于这部分内容的要求是：通过实验了解掌握硫及其氧化物的主要性质，认识其在生产中的应用和对生态环境的影响［7］。按照人教版（2019）化学教材必修二第五章实验［5-1］“二氧化硫溶于水”和［5-2］“二氧化硫的漂白作用”的方法进行实验时发现存在以下问题：

（1） 需要课前制备二氧化硫收集并保存于试管中，制取过程中试剂用量大，二氧化硫易逸散，以致课堂演示实验或分组实验现象不明显，甚至不能使品红褪色。

（2） 由于制备与性质探究实验均在敞开的环境中进行，有毒的二氧化硫若逸散，将污染教室空气。

（3） 教材实验只验证了二氧化硫水溶液的漂白性，酸性；对二氧化硫的氧化性、还原性并未涉及，而这些性质又是高中化学教学的重点内容。

基于上述分析，我们进行了如下教学设计：（1）设计真实问题情境：改进空气报告，从化合价和物质类别的分析角度认识二氧化硫的性质；（2）提出挑战性任务：设计探究二氧化硫性质的实验方案；（3）分析实验方案，从生活化、避免气体污染的角度进行实验改进。

2  教学目标

（1） 掌握二氧化硫的化学性质及其用途；

（2） 组织分组讨论，设计实验，根据实验现象得出物质的化学性质；

（3） 通过STEAM原理、改造和创新实验装置，体验科学探究的过程；

（4） 通过联系生活常见用品，改进实验的探究活动，培养创新精神和

社会责任等核心素养。

3  教学方法

由空气质量报告情景引入，引导学生探究二氧化硫性质，确定本实验装置的改进方向，教师引导学生共同讨论出实验方案，小组合作实验，实验后交流、评价，然后对实验设计再优化，最后推广应用，总结并反思提炼。SO2的性质创新实验中使用采气袋、普通注射器、医用输液器等用品，使得学生感到惊奇——“原来实验也可这样做”。课堂教学实验不应一味遵循教材，而应结合生活实际设计创新实验，做到操作简单，现象明显，更重要的是能激发学习的兴趣和热情，提高学习效果。

4  教学过程

4.1  装置改进阶段，分析认识二氧化硫性质的角度

从化合价和物质类别分析来说，传统的实验装置若要同时进行二氧化硫水溶液的酸性、漂白性、氧化性和还原性的实验，必须事先制备远超出实际反应用量的二氧化硫气体，不符合环保理念。

4.2  装置优化阶段，深化二氧化硫性质的认识角度

引导学生从生活中常见的器具入手，对二氧化硫的制备及性质实验进行了改进设计，这样不仅能随时制取二氧化硫气体，同时能验证高中化学要求掌握的二氧化硫气体的所有性质。此外，实验仪器易获取，并且实验过程环保、安全、快捷、易操作，现象明显，能感受二氧化硫的多种性质，满足了教师演示和学生分组实验的要求，值得在中学推广。

4.2.1  SO2的制备改进实验

传统教学常用亚硫酸钠与70%的浓硫酸反应，以制备二氧化硫［8］，但使用该原理制备二氧化硫，反应比较剧烈，放出大量的热。若使用市面上易得的焦亚硫酸钠，只需要与50%硫酸即可发生反应，反应原理为：Na2S2O5+H2SO4Na2SO4+2SO2↑+H2O。而且反应较为温和，放热较少。本实验选用2.5g焦亚硫酸钠与4mL 50%硫酸反应，采用固液不加热的气体发生装置，制备约250mL二氧化硫气体，最终利用50mL分液漏斗和生活中的20mL注射器的构造对比［9］，设计了上述气体发生装置。应用注射器，便于随时控制反应速率和反应进程，更能充分地利用实验药品，然后用带软管的输液器作为导气管，将产生的SO2气体导入并封存于500mL的采气袋中［10］。本设计环保，取用方便，很好地克服了二氧化硫的逸散污染问题。

4.2.2  SO2的性质改进实验

实验1  SO2的水溶性

展示预先收集有约250mL SO2气体的无色透明的密封采气袋，让学生观察气体颜色，然后取一支注射器，抽取约10mL水（常温下1体积水大约能溶解40体积SO2），并通过注射器针头注入盛有SO2的采气袋内，摇晃采气袋，观察现象。

充有SO2氣体的采气袋遇水振荡后迅速变瘪，很好地展现了SO2的水溶性，现象明显、操作简单，且所得到的SO2水溶液可供后续几个实验使用，一举多得。

实验2  SO2的酸性

用注射器抽取9mL上一步实验所得的SO2水溶液，现配现用，将2mL该溶液注入20mL规格的试管中，注入溶液后注意用盖子密封注射器，防止二氧化硫逸散。向试管中滴加石蕊试液，并用橡胶塞塞紧试管，观察到溶液变红。

证明SO2水溶液呈酸性，也可用注射器滴一滴SO2水溶液在pH试纸或蓝色石蕊试纸上观察，判断SO2水溶液的酸碱性。

实验3  SO2的漂白性

另将2mL SO2水溶液注入到20mL规格的试管中，滴入一滴品红溶液，振荡发现品红褪色；然后用酒精灯加热试管，观察到品红恢复原色。

二氧化硫漂白过程具有可逆性、不稳定性等特点，是学习重点，也是难点，实验3有效地解开了留存在学生心头的疑虑，使得学生豁然开朗。

实验4  SO2的氧化性

用注射器向预先收集有150mL H2S气体的密封采气袋中注入3mL SO2水溶液，摇晃采气袋，观察到采气袋变瘪，有淡黄色沉淀生成。

反应原理为：SO2+2H2S3S↓+2H2O，按照化学计量比使用H2S气体和SO2水溶液，装置安全环保，操作简单，现象明显，趣味性强，使学生既获得了SO2具有氧化性的相关知识，又在自主实验中体验到探究的乐趣。

实验5  SO2的还原性

将2mL SO2水溶液注入到20mL规格的试管中，滴加几滴BaCl2溶液，振荡，无明显现象；打开输液阀门，向试管中连续充入密封在采气袋中的氧气（或滴加双氧水），观察溶液出现白色浑浊。

对SO2与BaCl2溶液反应实验验证前，可设置探究问题让学生判断分析：“SO2与BaCl2溶液能否反应，若能，其现象将如何，并试写出其中的反应的化学方程式；若不能，试说明理由。［11］”设置这一问题的原因是不少学生认为SO2与BaCl2溶液能反应并生成BaSO3沉淀，甚至写出了错误的化学方程式：“SO2＋BaCl2＋H2OBaSO3↓＋2HCl”；但结合实验“将SO2水溶液注入少量BaCl2溶液中”，发现该实验并未出现预期的沉淀现象，那么原因是什么？实验现象与预期结果产生了矛盾，这将促使学生进行积极的深入思考，以寻找问题的根本；学生的思维处于兴奋状态，一旦找到问题的答案，就能迁移解决长期困扰的诸如“CO2与CaCl2溶液不能反应”等类似问题。之后，再进行SO2与氧气、氯气、双氧水的氧化实验，通过观察白色沉淀，验证了BaSO4生成，有效解决了学习难点。

5  效果评价

课堂学习重点的落实、难点的突破需要有效的学习情境与激发学生思维，笔者结合“二氧化硫的制备和性质”教学，设计了一系列改进实验，以促进学生的深度学习。将课外无目标的低效预习和复习，替换成发现问题、假设、寻证、交流、初步结论、评价、完善结论等学习过程，学生经由深度加工而主动学习且学会学习。回顾本节课的实验教学，有如下亮点：

（1） 装置简易。整个装置安装简易，操作简便，一般能在3min内用这套气体发生装置完成二氧化硫的制取，装置透明，便于观察实验现象。

（2） 无污染气体排放。在准备实验阶段，采气袋能较好地封存有毒气体，防止逸散。性质验证实验的装置密闭，反应过程中最大程度地避免了污染气体排放。且反应结束后，向采气袋内注射少量NaOH溶液，即可处理尾气，全程实现无污染气体排放，保护教室和实验室环境。

（3） 可推广到多种气体。该装置也可以推广到多种气体，特别是有毒气体的制备及性质实验中，如氯气、氨气、硫化氢等。该装置的成本低廉，有利于推广。

总之，基于创新实验改进下的课堂学习使学生既获得了SO2性质的相关知识，又体验了解决疑难问题的不同方法，更是有效激发了学生的思维，体验到有趣的学习过程。

参考文献：

［1］中华人民共和国教育部制定. 义务教育化学课程标准（2022年版）［S］. 北京： 北京师范大学出版集团， 2022.

［2］吴星. 全面提高学生义务教育化学课程所要培养的核心素养——《义务教育化学课程标准（2022年版）》解读（一）［J］. 化学教学， 2022， （9）： 3～8.

［3］黄恭福， 邹海龙. 科学实践： “科学探究与创新意识”核心素养的意蕴［J］. 化学教学， 2020， （10）： 3～7， 13.

［4］刘茂军， 朱彦卓. 方法论视角下科学教学的实践转向探析［J］. 化学教学， 2022， （2）： 3～7.

［5］［6］孔思敏， 王磊. 促进中学生科学实践与科学认识协同发展的教学模型——以化学学科为例［J］. 课程·教材·教法， 2022， 461（3）： 131～138.

［7］中华人民共和国教育制定. 普通高中化学课程标准（2017年版2020年修订）［S］. 北京： 人民教育出版社， 2020.

［8］王秀荣. 二氧化硫制备与性质实验的改进与探究［J］. 化学教学， 2017， （10）： 49～51.

［9］李猛， 王世存， 王后雄. 二氧化硫性质实验的一体化设计［J］. 化学教学， 2015， （12）： 59～61.

［10］石磊， 李德前. 研读课程标准  关注教材变化——以“二氧化硫的性质和应用”教学为例［J］. 化学教学， 2020， （8）： 43～48.

［11］乔月东. 关于二氧化硫通入氯化钡溶液有关现象的探究［J］. 化学教学， 2007， （8）： 7～8.