二氧化硫制备和性质实验的简易装置设计

2024-05-19吴霞刘亚莉刘茜杨丽君

化学教学 2024年2期

吴霞刘亚莉刘茜杨丽君

摘要：对人教版高中化学必修第二册教材中的“二氧化硫制备和性质”实验存在的问题进行分析并作改进设计。使用具支试管等仪器将SO2的制备与性质检验整合在密封装置中连续进行；借助压力传感器和pH传感器分别测量SO2溶于水的过程中容器内气体压力的变化和溶液pH的变化。改进后的实验装置具有取材方便、操作简单、现象明显和有益环保等特点。

关键词：二氧化硫制备；性质实验；简易装置；实验改进

文章编号： 1005-6629（2024）02-0072-04

中图分类号： G633.8

文献标识码： B

1 问题的提出

二氧化硫制备和性质实验在高中化学中占有重要地位。《普通高中化学课程标准（2017年版2020年修订）》在“内容要求”栏目中强调，通过实验探究了解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；在“学习活动建议”栏目中将“不同价态含硫物质的转化、二氧化硫的性质”作为学生的学习活动［1］。在人教版高中化学教材必修第二册中，SO2的制备采用铜与浓硫酸反应，需要加热、反应慢、SO2产量低；在性质实验时需要提前制备和收集好SO2，容易造成SO2氣体的泄露，引起环境污染；实验虽展示了SO2的水溶性和漂白性，但对SO2的还原性和氧化性仅有文本描述，没有实验。在实际教学过程中，学生对SO2的还原性和漂白性存在一定的迷惑，对SO2的水溶性及其水溶液酸性的了解也仅停留在定性层面，缺乏定量探究。此外，在开放的环境中验证SO2的漂白性实验，SO2容易逸散到空气中污染教学环境，影响师生的身体健康。为了解决上述问题，笔者对SO2的制备和性质实验作了改进和完善。

2 相关文献简评

为了解SO2制备和性质实验研究的进展与现状，查阅了大量的资料，发现研究主要集中在以下几个方面：（1）对实验装置微型化和药品微量化设计［2～4］，节约了药品，减少了尾气的排放；（2）对实验装置的一体化设计［5～7］，即把SO2制备和性质检验整合在一起，现象明显，但操作较复杂；（3）对实验装置生活化改进，增加了实验的趣味性［8］；（4）对SO2尾气的处理，以解决环境污染问题。以上的改进一定程度上优化了实验效果，但依然存在实验装置复杂、不易操作和缺乏数字化实验等问题。

基于简捷、高效、易操作、绿色环保等原则，本文设计了SO2制备和性质实验的简易装置。实验中采用Na2SO3固体粉末和H2SO4溶液反应制备SO2，利用注射器控制反应速率；借助气体压力传感器和pH传感器分别测量SO2溶于水过程中容器内气体压力的变化和溶液的pH变化，从定性和定量的角度验证SO2的水溶性和水溶液的酸性；并对SO2的漂白性、还原性和氧化性等性质也进行了验证；反应装置为密闭体系，尾气处理环节防止了SO2逸散到空气中。本改进实验有利于学生深化理解SO2的性质和发展化学学科核心素养。

3 实验部分

3.1 仪器及试剂

实验仪器：Vernier数据采集器，电脑（安装LoggerPro软件），气体压力传感器，pH传感器，具支试管（130mm×25mm）2个，具支试管（80mm×15mm）1个，Y形管，注射器，气球，酒精灯，滤纸条，两通阀，棉花团

实验药品：Na2SO3固体粉末，70% H2SO4溶液，NaOH溶液，Na2S溶液，KMnO4稀溶液，品红溶液，溴水，紫色石蕊溶液，BaCl2溶液，蒸馏水

3.2 二氧化硫制备和性质实验

3.2.1 实验装置

实验装置见图1。

3.2.2 实验步骤

（1）按图1组装实验装置并检查其气密性。

（2）称量3g Na2SO3固体粉末于具支试管A中，并用镊子将蘸有KMnO4溶液的滤纸条、蘸有Na2S溶液的滤纸条粘在具支试管A内壁处。用注射器A吸取4mL H2SO4溶液插入两通阀上端，并取1根长10cm的玻璃管与两通阀底部相连，玻璃管下端距离具支试管底部1cm左右为宜。

（3）用注射器B吸取5mL滴有紫色石蕊的水插入具支试管B中的橡胶塞上，并安装气体压力传感器（或pH传感器），最后在具支试管C中注入2mL品红溶液。

（4）打开Vernier Logger Pro软件，设置好参数后点击采集按钮。打开两通阀，将注射器A中的H2SO4溶液缓慢加入具支试管A中。

（5）待具支试管C中溶液退色后，停止反应。关闭止水夹1和2，缓慢将注射器B中1/5溶液注入具支试管B中。一段时间后，加热具支试管C，观察实验现象。

（6）待电脑上数据稳定后，停止采集，打开止水夹1和2。用注射器通过两通阀向具支试管A中注入空气，使装置内残留的SO2全部排入气球中并被蘸有NaOH溶液的棉花球吸收。

3.2.3 实验结果与讨论

（1）具支试管A中Na2SO3固体粉末表面有无色气泡产生，具支试管C中气球略微变大后又慢慢变小，说明产生了无色气体SO2。实验原理为：H2SO4+Na2SO3Na2SO4+H2O+SO2↑。Na2SO3固体粉末与H2SO4溶液反应剧烈，产生SO2速率较快，学生可在较短时间内观察到实验现象。

（2） KMnO4滤纸条由紫色变为无色，证明了SO2具有还原性。实验原理为：2KMnO4+3SO2+2H2OK2SO4+2MnO2↓+2H2SO4（中性介质中）。蘸有KMnO4溶液的滤纸条可以换成蘸有溴水的滤纸条，也可验证SO2的还原性。

（3） Na2S滤纸条由无色变为黄色，证明了SO2具有氧化性。实验原理为：3SO2+2Na2S3S↓+2Na2SO3。

（4）当将注射器B中1/5的溶液注入具支试管B时，SO2气体溶于水产生的负压将注射器B中剩余的液体吸入具支试管B中，具支试管B中的红色溶液和注射器B中的紫色溶液形成鲜明的对比，具支试管B中气体压力迅速下降［见图2（左）BC段］，证明了SO2的水溶性。通常情况下，1体积H2O可以溶解约为40体积的SO2，实验原理为：SO2+H2OH2SO3。若把气体压力传感器换成pH传感器时，溶液的pH迅速下降［如图2（右）B′C′段］，体现了SO2水溶液的酸性。在实际教学中，教师可根据课堂需要选择合适传感器，引导学生从定量层面理解SO2的水溶性和水溶液的酸性。

（5）具支试管C中品红溶液退色，证明SO2的漂白性。加热具支试管C底部，观察到有气泡产生，气球略微增大后又慢慢减小（SO2+2NaOHNa2SO3+H2O），退色的品紅溶液恢复红色，证明了SO2漂白性的可逆性和不稳定性。实验原理为：SO2气体易溶于H2O并与H2O反应生成H2SO3，品红是与H2SO3电离生成的HSO-3作用生成不稳定的无色物质，加热后又容易分解生成原有色物质和SO2气体［9］。气球可以缓冲密闭容器中的气压，并且根据气球的大小和具支试管C中溶液颜色的变化可以判断具支试管B中收集的SO2的情况。

3.3 二氧化硫的漂白性与还原性对比实验

上述实验通过Na2SO3与H2SO4反应制备SO2，并验证SO2的氧化性、还原性、漂白性、水溶性和水溶液的酸性。在实际教学中发现，部分学生容易将KMnO4溶液和溴水的退色误认为与SO2的漂白性有关。为了解决这一问题，并进一步探究SO2的漂白性和还原性，借助Y形管和具支试管设计一个SO2漂白性和还原性的对比实验。

3.3.1 实验装置

实验装置见图3。

3.3.2 实验步骤及现象

（1）按图3组装实验装置并检查其气密性。

（2）称量2g Na2SO3固体粉末于具支试管中。用注射器1吸取3mL H2SO4溶液插入两通阀上端，并取1根长6cm的玻璃管与两通阀下端相连，玻璃管底部距离具支试管底部1cm左右为宜，接着将气球套在具支试管的支管口处。

（3）分别量取2mL KMnO4稀溶液和品红溶液加到Y形管的左管和右管中，注射器2中吸入2mL BaCl2溶液。

（4）将注射器1中的H2SO4溶液缓慢加入具支试管中，观察到具支试管中的Na2SO3与H2SO4剧烈反应，产生大量无色气泡，气球变大（H2SO4+Na2SO3Na2SO4+H2O+SO2↑）。Y形管中的品红溶液由红色变为无色，KMnO4稀溶液由紫色变为无色（2KMnO4+3SO2+2H2OK2SO4+2MnO2↓+2H2SO4）。若把KMnO4稀溶液换成溴水，则溴水由黄色变为无色（SO2+Br2+2H2OH2SO4+2HBr）。

（5）待Y形管溶液退色后，用酒精灯加热Y形管底部，观察到退色的KMnO4稀溶液（或溴水）不恢复颜色，而退色的品红溶液恢复红色。一段时间后，将注射器2中的溶液注入到Y形管的右管中，观察到产生白色沉淀（Ba2++SO2-4BaSO4↓）。

（6）待反应结束后，用注射器向具支试管注入5mL NaOH溶液。并用注射器通过两通阀向Y形管中注入空气，使装置内残留的SO2全部排入具支试管，进行尾气处理，避免污染环境。

3.3.3 有关说明

（1）进入Y形管中的SO2使KMnO4稀溶液（溴水）和品红溶液退色以及品红加热又复色的实验现象，产生鲜明的对比；并根据滴加BaCl2溶液产生白色沉淀的实验现象，引导学生深入探究SO2使KMnO4稀溶液（或溴水）退色的本质，有助于培养学生的证据推理能力。

（2）本装置还可以同时进行SO2的氧化性、水溶液的酸性实验，只需要分别将蘸有Na2S溶液的滤纸条、蘸有紫色石蕊溶液的滤纸条粘在具支试管内壁上即可。

（3）在尾气处理环节，两通阀可保证整个装置的密闭性，气球的作用可缓冲密闭装置中的气压。

3.4 注意事项

（1）实验前要检查装置的气密性，避免SO2泄露。

（2） 70%的硫酸具有较强的腐蚀性，在实验操作过程中需要带上橡胶手套。

（3）注射器加入H2SO4溶液时要缓慢，防止剧烈放热使Na2SO3固体粉末飞溅。

3.5 结语

（1）本实验选择Na2SO3固体粉末与70%的H2SO4溶液反应制取SO2为放热反应，反应速率快且操作简单。