基于绿色化学理念的SO2还原性实验装置的改进

刘佳玲

(华中师范大学化学学院，武汉 430079)

《普通高中化学课程标准(2017年版)》[1]提倡“结合真实情境中的应用实例或通过实验探究，了解物质的主要性质”。化学实验是元素化学学习的重要方法之一，也是提升学生三重表征水平的重要途径[2]。绿色化学理念已经成为国际化学教育改革的重要指导思想。中学化学实验绿色化有利于培养学生科学态度与社会责任的化学学科核心素养，引导学生关注化学与社会、生活之间的紧密联系，认识化学的社会价值。针对教材和文献中SO2还原性实验装置的不足，基于绿色化学理念改进实验装置，以实现化学实验的绿色化、微型化。

1 问题的提出

1.1 绿色化学理念的兴起

绿色化学理念提倡利用新兴技术和方法在源头上消除污染，减少反应过程中有害物质、有毒物质的利用以及废弃物的产生，以实现零排放和零污染，其核心思想是原子经济利用率[3]，与我国提出的科学发展观相吻合。中学实验化学绿色化是以绿色化学理念为主旨，通过对中学教学中资源利用率较低、污染较大以及存在安全隐患的化学实验进行优化设计，实现化学实验过程的低消耗、物质循环利用和零排放以及零污染。绿色化学理念转化为中学化学课堂中具体、可操作的载体，主要表现为化学反应原理的抉择、实验试剂的选择、实验装置的设计、实验方案的优化甚至产品的迭代设计等过程。

1.2 现有实验的不足

该教学主题位于人教版《必修1》第四章第三节“硫和氮的氧化物”，属于元素化合物知识，教材中所涉及的二氧化硫性质探究实验如图1所示。

图1 人教版《化学 1》教材中二氧化硫性质探究实验Fig.1 Experiment on the nature of sulfur dioxide in chemistry 1

经分析教材发现，目前使用的教材中存在些许不足，主要体现为：第一，实验所用SO2气体经由实验制得，制取所需试剂用量较大，水溶液中所含SO2浓度较低，导致实验现象不明显或所需时间较长。第二，教材对SO2还原性、氧化性的探究并未提供相关实验，只展示了验证SO2气体漂白性的实验。第三，该实验处于敞开体系，加热过程中SO2气体散入空气，造成一定污染，同时对人体健康造成不同程度的危害。

基于上述对SO2还原性实验装置的分析，结合绿色化学思想对实验装置进行了改造。

2 改进策略

2.1 实验原理

2.2 实验用品及说明

实验药品：无水亚硫酸钠固体(分析纯)、浓H2SO4(分析纯)、0.01 mol/L KMnO4溶液(现配现用)。

实验仪器：10 mL snake(史莱克)反应管、铁架台、滤纸条(约1 cm宽)、1 mL注射器、胶头滴管、药匙、橡胶塞(19 mm)、表面皿、镊子。

2.3 实验装置

图2 探究二氧化硫还原性的改进实验装置图Fig.2 Improved experimental device to explore the reducibility of sulfur dioxide

2.4 实验步骤

第一步，取一支干燥洁净直径为19 mm、体积为10 mL的snake反应管，用药匙取少量无水亚硫酸固体于snake反应管中(盖满底部即可)，并放置铁架台上，备用。

第二步，剪一段宽度为2 cm的白色滤纸环，放置干燥洁净的表面皿上，备用。

第三步，用胶头滴管取少量已配制好的0.01 mol/L高锰酸钾溶液，轻轻挤压胶帽，直至表面皿上的白色纸环完全被高锰酸钾溶液润湿，并轻轻用镊子夹取滤纸环，粘贴至snake管下部约1/3处，并塞上橡胶塞(19 mm)。

第四步，用1 mL注射器取0.5 mL浓硫酸，将针头插入snake反应管的橡胶塞中，逐滴滴加浓硫酸，观察纸环上的颜色变化情况。

第五步，实验结束后，若担心仍有SO2气体残余，可用注射器吸取适量的NaOH溶液注入snake反应管中，以确保SO2气体充分被吸收。

2.5 实验现象及结论

向装有无水亚硫酸钠的snake反应管中注入浓硫酸时，试管底部的白色固体逐渐溶解，且瞬间产生大量气泡，同时吸有酸性KMnO4溶液的滤纸条逐渐褪色，最终恢复成白色。锰酸根离子在酸性条件下易被还原为Mn2+，根据氧化还原反应原理，则SO2被氧化，具有还原性。

2.6 实验注意事项

第一，加入snake反应管中的无水亚硫酸钠粉末不易过多，填满反应管底部即可，或直接配制成一定物质的量浓度的NaSO3溶液，但注意要现配现用，注意保存，以防被氧化。第二，该体系处于密闭状态，装置封闭效果较好，将注射器插入橡胶塞时可能比较费力，必要时可换用较大针头。另外，浓硫酸具有脱水性，因此注入浓硫酸时要防止浓硫酸直接喷在滤纸条上或沿管壁流入。第三，由于亚硫酸钠与浓硫酸反应速率快，注入浓硫酸的量不易过多，且采取缓慢滴加的方式，防止滴加速度过快，短时间内产生大量泡沫冲开橡胶塞，造成一定的安全事故。

3 实验创新点

第一，直观性强，高效安全。该装置采用微型装置，药品用量少反应速率快，实验现象明显，适合教师在课堂开展演示实验或进行学生分组实验。

第二，拆装方便，适用性强。该改进装置所需要的实验仪器为一定体积规格的snake管、注射器、橡胶塞，注射器可以控制反应物用量和加入速度。该实验装置可适用于固体和液体反应制备并在密闭容器中检验或探究气体性质的实验。例如，探究SO2的漂白性，可以在snake反应管壁内粘贴蘸有品红溶液的滤纸条；验证SO2还原性的强弱，可分别放置蘸有溴水(或碘水)、KMnO4溶液的滤纸条，观察褪色时间长短。稍作修改还可适用于氯气、氨气等气体性质的探究。

第三，绿色环保。整个实验过程都处于密闭体系，其中snake反应管是大学有机合成化学实验中常用于无水无氧环境的微量反应管，可直接加热，其带有玻璃节门，关闭节门可营造密闭环境，防止SO2气体扩散。