運用數(shù)字傳感儀檢測“模擬酸雨形成及防治實驗”的研究

薛 磊 羅 嘉 毛 明

（1 蘇州市立達中學校 江蘇 蘇州 215007；2 蘇州市教育科學研究院 江蘇 蘇州 215004）

一、問題提出

2012 版的滬教版 《化學（九年級下冊）》 教材第110 頁《第九單元 第3 節(jié) 環(huán)境污染的防治》中的《活動與探究》欄目，在原有的“硫酸型酸雨的形成實驗”中添加了一個亞硫酸與氫氧化鈣溶液中和反應的步驟，即：“將數(shù)字pH 計置于集氣瓶的水溶液中， 逐滴加入Ca（OH）2溶液，每滴加一次均記錄溶液的pH，并注意pH的變化”。 但教科書中這句話缺乏具體可操作性的引導，使得一線教師對于這個實驗產(chǎn)生了如下的困惑。

1. 硫粉的用量

硫粉在空氣中燃燒會產(chǎn)生具有刺激性氣味的二氧化硫氣體。 硫粉取用過多會導致生成的二氧化硫過多，而容易引起人感到不適。 那么，在實際演示實驗中，如何選擇一個合適的硫粉取用量？

2. 石灰水的用量

氫氧化鈣的溶解度較小， 飽和石灰水的濃度很小。 用該試劑進行中和反應時，所需滴加量會不會太多了？ 在課堂演示實驗中，會不會影響教學進度？

3. 石灰乳的可行性

既然飽和氫氧化鈣溶液的濃度太小，那么為什么不能用石灰乳來代替石灰水進行中和反應實驗呢？

為了更為直觀地反映出該中和反應過程中pH 的變化情況，筆者利用數(shù)字傳感儀等設備進行了實驗探索，試圖尋求一個比較合理的方案。

二、實驗用品

1. 試劑

蒸餾水、飽和氫氧化鈣溶液、熟石灰、硫粉。

2. 儀器和用品

集氣瓶（250mL）、燃燒匙、玻璃棒、特氟龍旋塞50mL 滴定管、塑料滴管、燒杯（100mL）、酒精燈、量筒（50mL）、火柴、藥匙、稱量紙、吸水紙、電子天平（型號LP202，精度0.01g）、愛迪生手持分析儀（配O2傳感儀、pH 傳感儀）、磁力攪拌器（78-1 型）等。

三、實驗步驟

（1） 硫粉取用量的探究

1.實驗步驟

①選取實驗點

本實驗點燃硫粉實驗的部分中，選用的氧氣為鋼瓶裝氧氣， 用排水集氣法進行收集， 集氣瓶容積為250mL。 收集后，用數(shù)字傳感儀的O2傳感器測定集氣瓶中氧氣的含量基本保持在80.0%（在通常情況下，氧氣的密度為1.429g/L）。 由此可以推算，若使其氧氣完全耗盡，需要硫粉的質(zhì)量為：

故多組實驗中硫磺最大量選擇為0.29g。

根據(jù)黃金分割法選取數(shù)據(jù)點的原則， 我們在0.29g～0g 之間選取了硫粉6 個質(zhì)量實驗點，并分別稱取三份，進行三次平行組燃燒實驗。

②配制二氧化硫的水溶液

根據(jù)各組實驗點的質(zhì)量利用電子天平進行稱量，并將其轉(zhuǎn)移至燃燒匙中，點燃后迅速伸入盛有氧氣的集氣瓶（濃度80%）中燃燒。 待硫粉燃燒完全后，將燃燒匙移出，利用50mL 量筒量取50mL 蒸餾水，緩慢倒入集氣瓶中，蓋上玻璃片充分振蕩溶解，片刻后將溶液全部傾入一小燒杯中，再用數(shù)字傳感儀測定該溶液的pH。 多次實驗后，將實驗結果填入表1 中。

表1 用黃金分割法研究不同質(zhì)量硫燃燒實驗的結果

（2）實驗結論

綜合上述實驗觀察，我們可以發(fā)現(xiàn)：如果硫粉取用量過多，一方面會有部分硫粉沒有完全燃燒，造成試劑浪費，另一方面，也會產(chǎn)生過多的二氧化硫，導致硫燃燒過程及其加水溶解過程中有較多的二氧化硫散失在室內(nèi)空氣中，對人體有害。

因此綜合實驗效果以及環(huán)保意識， 我們建議在250mL 容積的集氣瓶中實驗，硫粉取用量比較合適的范圍是：0.04～0.07g。

2. 澄清石灰水、石灰乳分別與亞硫酸溶液的反應

（1）實驗準備

?

首先在50mL 特氟龍旋塞滴定管中緩緩加入50mL 飽和的澄清石灰水， 并按照圖1 的裝置圖將將磁力攪拌器、數(shù)字化傳感儀、滴定管、燒杯等儀器進行連接、調(diào)節(jié)、固定在合適的位置。

（2）實驗步驟及實驗現(xiàn)象記錄

圖1 實驗裝置圖

（3）飽和氫氧化鈣溶液與二氧化硫水溶液反應②A、B 兩組的集氣瓶中各取20mLSO2 水溶液，分別轉(zhuǎn)移至兩個100mL 的燒杯中，逐滴加入石灰水，堿液滴速控制在1 滴/秒左右，觀察現(xiàn)象當pH＝5～6 時，出現(xiàn)第一個突躍當pH＝8～9 時，出現(xiàn)第二個突躍當pH＝12．30 左右，溶液中開始出現(xiàn)渾濁當pH＝12．60 左右，溶液中渾濁現(xiàn)象明顯（2）當pH＝12 時，滴加氫氧化鈣溶液約30mL①將C、D 兩組溶液各取20mL， 分別轉(zhuǎn)移至兩個100mL 的燒杯，標記為C1、D1 組（4）石灰乳與二氧化硫水溶液反應②稱取0.1g 熟石灰粉末兩份， 倒入分別盛有5mL 和8mL 蒸餾水的燒杯中，用玻璃棒攪拌，標記為E、F 組③用膠頭滴管分別取E、F 組石灰漿各自逐滴加入至C1、D1 組燒杯，測定溶液pH，觀察實驗現(xiàn)象。（1）兩組石灰漿實驗的pH 變化曲線中，均能觀察到兩個突躍點。（2）1∶50 的石灰漿，滴加體積約為2.2mL，溶液的pH 達到12 以上。 1∶80 的石灰漿，滴加體積約為3.6mL，溶液的pH 達到12 以上。（3）pH 大于12 后，溶液中也出現(xiàn)渾濁。

（3）反應過程的pH 變化趨勢圖

圖2 飽和氫氧化鈣溶液與亞硫酸溶液反應的pH變化曲線

圖 配比為1∶50 的石灰漿與亞硫酸溶液反應的pH變化曲線

（4）實驗結論

通過上述石灰水和石灰乳的對比實驗可以看出：

（1）飽和石灰水和石灰乳滴加到二氧化硫氣體的水溶液中，pH 變化都會出現(xiàn)相似的兩個突躍。 但是，由于石灰乳中氫氧化鈣的含量要遠大于石灰水中的含量，從而使石灰乳的滴加量要遠小于澄清石灰水的用量。

（2）利用石灰水實驗，能清晰地觀察到生成亞硫酸鈣而引起的溶液渾濁現(xiàn)象，但是石灰乳本身就是懸濁液，實驗后產(chǎn)生的渾濁現(xiàn)象卻無法說明是生成了難溶性的亞硫酸鈣。

四、問題討論

1.亞硫酸溶液的pH 隨氫氧化鈣溶液滴加量的曲線分析

與經(jīng)典的中和滴定實驗pH 變化曲線不同的是，亞硫酸與氫氧化鈣溶液反應時，pH 變化出現(xiàn)了兩段突躍。 原因可能是亞硫酸的一級電離與二級電離有關，即可能發(fā)生如下反應：

根據(jù)此圖像說明，諸多一線教師在平時的教學中存在一個誤區(qū)： 當石灰水滴入亞硫酸溶液至pH 達到7 后，以為中和反應恰好完全。這樣一個推論是有失偏頗的。 根據(jù)對上述圖像的分析，不難猜測，當pH＝7 時很有可能只是生成了Ca（HSO3）2，也只有當pH＝12 左右時，才能認為產(chǎn)生了CaSO3。 也正是這樣一個分析，可以比較合理地解釋“為什么當溶液pH＝7 時，卻沒有生成難溶性的CaSO3？ 為什么溶液pH＝7 左右沒有出現(xiàn)沉淀現(xiàn)象？ ”的問題。

同時在學生層面上來看，也能讓學生體會到“不同種酸與堿進行中和反應時，pH 的曲線變化趨勢可能有所不同”。

2. 石灰乳與石灰水的效果對比

通過本次實驗能夠讓學生直觀地體驗到石灰乳中氫氧化鈣量較多，能夠比較有效地用于改良酸性土壤；而飽和石灰水卻是氫氧化鈣的稀溶液，與亞硫酸溶液作用時消耗石灰水的量較多才能觀察到溶液pH變化的曲線。

這個研究也能讓學生體驗到石灰水稀的程度，感受到相同的化學反應，由于不同的濃度和量，其用途或作用會以不同方式進行。

3. 實驗結果的推廣與實踐

本次實驗的研究成果，筆者作為輔導者已運用于蘇州市直屬初中校全體化學教師（約110 人）的培訓，進而用于課堂教學的演示實驗，讓更多的學生得以觀察和體驗本實驗的魅力。