二氧化硫性质实验的整体化微型化创新设计

张泽志，杨玉峰，高 霞

(河南教育学院 应用化学重点学科组，河南 郑州 450046)

二氧化硫性质实验的整体化微型化创新设计

张泽志，杨玉峰，高 霞

(河南教育学院 应用化学重点学科组，河南 郑州 450046)

针对二氧化硫实验室制取及性质实验等进行整体化及微型化创新设计，使实验整体连续，一次性完成二氧化硫的制取及其漂白性、氧化性、酸性、还原性等性质的验证，仪器微型节约，现象清晰明显，实验结论正确，过程绿色环保.

二氧化硫；性质；整体化；微型化；创新

0 引言

二氧化硫(SO2)性质实验是中学化学的重要实验，也是化学高考的主要内容.北师大版教材《高中化学1(必修)》在该章节主要介绍了实验室里研究不同价态硫元素间的转化，在理论上指出二氧化硫中硫元素居于中间价态，可以升高，可以降低，体现出其既有氧化性又具有还原性[1].但是仅配了一个SO2使红色花朵退色实验以验证SO2的漂白作用，而对于SO2与水反应生成亚硫酸(体现酸性)及亚硫酸的不稳定性、能使澄清的石灰水变浑浊、与硫化钠溶液反应(体现氧化性)、与高锰酸钾溶液反应(体现还原性)以及用氢氧化钠溶液做尾气处理等内容未做实验安排.而这些性质又是高中化学教学的重点内容，不利于学生对二氧化硫性质的掌握.此外，SO2的漂白实验需要课前制取二氧化硫收集并保存于广口瓶中，试剂需用量大且二氧化硫易逸散，可能致课堂演示实验或分组实验现象不明显，甚至不能使品红退色，而且二氧化硫的漂白实验在敞开的环境中进行，有毒的二氧化硫气体直接排放到空气中，污染教室环境，可能危害教师和学生的身体健康[2].

《普通高中化学课程标准(实验)》实施建议中指出，要鼓励教师和实验管理人员开发实验仪器，研究低成本、少污染的化学实验[3].这就要求化学教育者对一些化学实验进行仪器、方法、过程和设计等方面的优化改进[4-5].对此，一些学者对二氧化硫性质实验进行了改进研究[2,6-7]，取得了明显的效果.但有些研究仅对实验进行部分性改进，如未对二氧化硫的氧化性和还原性进行验证，且实验装置所用仪器和材料较多，搭建实验装置较为复杂；对于尾气没有给出具体的解决方案，不能验证二氧化硫水溶液漂白性的不稳定性和可逆性等.

针对这些情况，课题组在前期研究基础上对二氧化硫的实验室制取及性质实验等进行整体化及微型化设计，使实验整体连续，过程绿色环保，仪器微型节约，现象清晰明显，实验结论正确，达到了良好的实验效果.

1 实验用品及实验原理

1.1 实验用品

小试管、青霉素注射瓶、集气瓶、玻璃管(或医用输液器管)、铜丝、酒精灯、注射器、止水夹、橡胶塞、浓硫酸、蓝色石蕊试纸、澄清石灰水、品红溶液、高锰酸钾溶液、硝酸钡溶液、氢氧化钠溶液等.

1.2 实验原理

实验室一般采用铜或亚硫酸盐跟浓硫酸反应，制取SO2. 因亚硫酸盐跟浓硫酸反应较快，本文采用洁净铜丝与浓硫酸共热反应制取SO2气体，反应原理为

Cu+2H2SO4(浓)≜CuSO4+SO2↑+2H2O.

由于SO2为无色刺激性有毒气体，排放或逸散到空气中会造成环境污染，因此，保证实验装置的良好气密性及进行尾气处理至关重要.

2 实验整体化及微型化设计

2.1 实验步骤

依实验原理及性质检验要求，设计整体化的微型实验装置，示意图如图1所示，其中夹持和干燥装置省略.首先检验装置的气密性，然后按如下步骤操作.

图1 整体化及微型化实验装置示意图Fig.1 Schematic diagram of the integration and micro-scale experiment

1)将一端盘成多圈的铜丝穿过橡胶塞放入试管，加入适量浓硫酸，塞紧橡胶塞，将螺旋状多圈铜丝推入底部，点燃酒精灯，均匀预热后加热进行反应.

2)将产生的气体依次通过内壁放有湿润蓝色石蕊试纸的玻璃导管A、集气瓶B、澄清石灰水C、品红溶液D、硝酸钡溶液E、酸性高锰酸钾溶液F及氢氧化钠溶液G，观察实验现象.氢氧化钠溶液小烧杯内的防止倒吸装置为一端稍剪去的一次性使用输液器的滴斗.

3)待检验完成后，移去酒精灯，将铜丝抽出脱离硫酸，反应停止.随后，用酒精灯分别加热放有湿润蓝色石蕊试纸的玻璃导管A和品红溶液D，观察石蕊试纸和品红溶液的颜色变化情况.

2.2 现象与讨论

随着反应进行，可以明显观察到以下现象.

1)玻璃导管A处的湿润蓝色石蕊试纸逐渐变红，证明了SO2与水反应生成酸性物质亚硫酸.

2)集气瓶B中收集的气体为无色，证明SO2气体为无色气体.对该瓶SO2气体，在其他性质实验结束后，采用Na2S溶液对其进行处理，以检验SO2的氧化性.将一定浓度的Na2S溶液通过10 mL注射器缓慢滴入集气瓶B中，并不断震荡，发现溶液逐渐出现淡黄色浑浊，依反应原理判定为单质硫元素.

3)澄清石灰水C开始时变浑浊，随反应进行而逐渐变澄清，说明SO2可与碱性物质Ca(OH)2反应生成CaSO3沉淀，当SO2过量时与CaSO3反应生成可溶的Ca(HSO3)2而恢复澄清，该现象同CO2气体与澄清石灰水反应一致，因此该现象也证明了不能用澄清石灰水来区分SO2和 CO2气体.

4)品红溶液D由红色逐渐变为无色，说明SO2具有漂白性，能使有机有色物质退色.

6)酸性KMnO4溶液先变浅最后颜色退去，SO2能被高锰酸钾等氧化剂氧化，证明SO2具有还原性.

7)反应停止后，用酒精灯分别加热放有湿润石蕊试纸的玻璃导管A和品红溶液D，可观察到已变成红色的石蕊试纸逐渐恢复为蓝色，说明SO2与水反应生成的亚硫酸不稳定；品红溶液的颜色亦逐渐恢复至红色，说明二氧化硫属于化合型漂白剂，其与有机色质内部的“生色团”发生反应，使有机色质失去原有的颜色，如果受热或有其他因素的影响，漂白剂从有机色质中脱离，使之又恢复原有的颜色，其变色机理如图2所示.因此，二氧化硫的漂白不同于氧化型和吸附型的漂白原理，其为可逆的、不彻底的漂白.

图2 品红与二氧化硫的变色机理Fig.2 The fading mechanism of fuchsine and sulfur dioxide

8)特别地，若单独加热已拆离出体系的退色品红溶液D时，保证装置密闭性良好，并将D装置加热产生的气体通过导管转移通入盛有少量红色品红溶液的小试管中，会发现小试管中红色品红溶液退色，表明二氧化硫与品红生成的无色化合物不稳定，受热分解出二氧化硫气体.

2.3 设计优点

1)利用铜与浓硫酸反应进行二氧化硫的制取和性质实验，设计使实验整体连续，过程绿色环保，现象清晰明显，实验结论正确，实验效果良好.

2)微型化学实验仪器简单易得，使用的试剂大幅度减少，实验操作简便易学，实验现象明显，过程具有趣味性，使实验者克服对危险实验操作恐惧的心理.让学生参与其中，切身体会化学实验的趣味性，印象深刻.

3)设计将二氧化硫由敞开式的、易造成环境污染的实验改为在封闭系统中进行，极大程度地降低实验对环境的污染，避免了对师生身体健康的危害.实验方法的改变不仅可以观察到二氧化硫的漂白性，还能够直观看到二氧化硫漂白过程无色加合物分解时二氧化硫重新逸出的实验现象，使学生对二氧化硫的漂白原理有了更感性的认识.

4)采用一端盘成螺旋状的铜丝，既可增加与浓硫酸的反应接触面以加快反应，又可以通过推拉铜丝管外一端控制反应的快慢或启停.

5)偏远地区实验仪器不易获得，该实验可以启发师生在化学实验利用生活废弃物或者医疗废物，既可以有效利用生活中的废弃物品，还能够增加化学实验教学与实际生活的联系，培养他们探究化学理论知识的兴趣.

2.4 注意事项

1)实验中品红溶液及高锰酸钾溶液的退色速率与其浓度有关，一般浓度小更容易退色.当退色现象不明显时，可适当调整溶液的浓度以达到明显实验效果.

2)如果实验过程没有观察到澄清石灰水出现浑浊，可能是由于亚硫酸是中强酸，澄清石灰水跟二氧化硫反应的速度较快，澄清石灰水直接跟过量二氧化硫反应而不出现浑浊.这种情况可通过抽离铜丝与浓硫酸的反应，控制二氧化硫生成速率，也可以在澄清石灰水中滴加1/2滴酚酞溶液使其现红色，在红色逐渐消去过程中观察浑浊的出现.

3 结论

利用微型仪器和医疗废弃物，通过对二氧化硫气体的制取与性质实验的整体化及微型化设计，使实验整体连续，现象明显清晰，实验结论正确，过程绿色环保，达到良好的实验效果.该设计节约了课堂时间，提高了教学效率，体现了绿色化学理念，亦为其他性质实验的改进提供了思路.

[1] 王磊.普通高中课程标准实验教科书 化学1(必修)[M].3版.济南:山东科学技术出版社,2013:87-89.

[2] 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.

[3] 教育部.普通高中化学课程标准(实验)[M].北京:人民教育出版社,2013：41.

[4] 张泽志,韩春亮.铜与硝酸反应的实验创新设计[J].河南教育学院学报(自然科学版),2013,22(1):30-31.

[5] 张泽志,高霞,张颂平.二氧化碳性质实验的创新及微型化[J].河南教育学院学报(自然科学版),2017,26(2):58-60.

[6] 徐晓峰.二氧化硫性质实验的改进[J].化学教学,2008(5):13.

[7] 马爱丽.二氧化硫性质实验的微型化再改进[J].化学教学,2011(7):48.

IntegrationandMicro-scaleforPropertyExperimentofSulfurDioxide

ZHANG Zezhi，YANG Yufeng，GAO Xia

(KeyDisciplineGroupofAppliedChemistry，HenanInstituteofEducation，Zhengzhou450046，China)

The experiments of sulfur dioxide were integrated and micro-scaled to validate its properties such as bleachability, oxidizability, acidity, reductibility and so on. It was found that the experimental phenomena were more obvious, the conclusion was correct, and the process was going green and environmental protection on a micro-scale experiment.

sulfur dioxide; properties; integration; micro-scale; indecation

2017-09-04

2015年河南省教育技术装备和实践教育研究立项课题(GZS068)

张泽志( 1971—) ，男，河南柘城人，河南教育学院应用化学重点学科组副教授，博士，主要研究方向: 绿色过程工程.

10.3969/j.issn.1007-0834.2017.04.014

G632.0

A

1007-0834(2017)04-0058-03