實驗室模擬酸雨形成條件的設計

苑凌云 李鼎 岳文虹

摘要： 基于POE（預測-觀察-解釋）教學策略，通過數(shù)字化實驗手段模擬大自然中酸雨形成的真實發(fā)生過程，結(jié)合相關(guān)資料，為學生對酸雨的形成、二氧化硫和酸雨的重要聯(lián)系、二氧化硫的性質(zhì)及催化氧化的條件等構(gòu)建較為全面的認識，使學生學到的不僅僅是知識，更是普適于大多數(shù)問題的一種研究方法，從而發(fā)展學生科學探究的技能。

關(guān)鍵詞： 酸雨; 二氧化硫; POE教學策略; 數(shù)字化實驗; 實驗探究

文章編號： 1005-6629（2019）2-0058-04??????????? 中圖分類號： G633.8??????????? 文獻標識碼： B

1? 問題的提出

如今迅猛發(fā)展的化學已成為生命科學、材料科學、環(huán)境科學、能源科學、信息科學等領(lǐng)域的重要基礎(chǔ)，在解決人類社會發(fā)展中面臨的有關(guān)問題、提高人類的生活質(zhì)量、促使人與自然和諧相處等方面發(fā)揮著重要作用[1]。高中化學課程作為科學教育的重要組成部分，對提高學生的科學素養(yǎng)、促進學生全面發(fā)展有著不可替代的作用。高中化學課程標準明確指出“從學生已有的經(jīng)驗和將要經(jīng)歷的社會生活實際出發(fā)，幫助學生認識化學與人

類生活的密切關(guān)系，關(guān)注人類面臨的與化學相關(guān)的社會問題，培養(yǎng)學生的社會責任感、參與意識和決策能力”。

隨著工業(yè)的發(fā)展、科技的進步，世界面臨著日趨嚴重的環(huán)境問題，酸雨就是全球十大環(huán)境問題中的一例，尤其我國長江以南地區(qū)，酸雨肆虐，已

經(jīng)成為世界三大酸雨區(qū)之一[2]，給地球生態(tài)環(huán)境和社會生產(chǎn)經(jīng)濟都帶來了嚴重的影響和破壞。高中化學課本在“硫及其化合物”一節(jié)中用了大量篇幅敘述二氧化硫和酸雨的重要聯(lián)系，把化學與我們的日常生活緊密結(jié)合起來，以期學生能夠主動以主人翁的意識去參與社會決策，增強學生對化學學科的認同感。但許多中學教師往往將酸雨問題處理為課外資料給學生進行知識補充，筆者認為此舉不利于學生核心素養(yǎng)的發(fā)展和能力的培養(yǎng)?；谝陨峡紤]，本次實驗設計以社會問題“酸雨”作為背景，在實驗室中模擬復雜多變的自然環(huán)境，從酸雨主要污染物二氧化硫的性質(zhì)出發(fā)，探討酸雨的形成過程，得出結(jié)論，真正把學生所學知識融入社會實踐中。

2? POE策略在實驗過程中的體現(xiàn)

實驗是自然科學教育中不可或缺的一部分，也是科學家研究問題的有效途徑，如何用好實驗，真正體現(xiàn)實驗之于教學的啟發(fā)驗證功能，是很多一線教師關(guān)心的問題。POE（預測-觀察-解釋）教學策略是建立在觀察滲透理論、前概念、概念轉(zhuǎn)變、建構(gòu)主義等教育理論上的一種先進科學的實驗演示策略。它以學生為主體，從問題出發(fā)，關(guān)注學生的前概念，并在實驗進行過程中，通過學生主動積極的觀察和解釋實現(xiàn)其自我概念轉(zhuǎn)變、知識建構(gòu)等等[3]，使得學生學到的不僅僅是知識，更是普適于大多數(shù)問題的一種研究方法。

本次實驗將遵循POE教學策略，具體實施過程如下：

2.1? P—預測

教學設計見表1。

2.2? O—觀察

倘若要用傳統(tǒng)實驗驗證二氧化硫到硫酸的轉(zhuǎn)化過程，可以在驗證二氧化硫溶于水生成亞硫酸時加入指示劑，在驗證轉(zhuǎn)化完成生成硫酸根離子時加入鋇離子，但此時會有亞硫酸根離子的干擾，要想完成檢驗還得事先除去亞硫酸根離子。本實驗要求是密封體系，所以這樣操作不僅浪費藥品，而且過程冗雜、浪費時間。綜合以上考慮，設計了如下實驗。

2.2.1? 實驗裝置

實驗裝置見圖1。

資料1： 酸雨中對酸度有影響的主要成分H2SO4，主要是排放到大氣中的SO2經(jīng)過二次污染轉(zhuǎn)化而來的，即進入大氣的SO2通過氣相或液相氧化反應生成H2SO[4]4。SO2是由于化石燃料的大量燃燒造成的，那么酸雨中的H2SO4又是怎樣由SO2轉(zhuǎn)化而來的呢？推測SO2→H2SO4的轉(zhuǎn)化路徑： SO2SO3路徑1H2SO4

H2SO3路徑2H2SO4二氧化硫和氧氣的反應需要加熱、催化劑等苛刻條件，大氣中具備這樣的轉(zhuǎn)化條件嗎？

資料2： 由于人類活動和自然過程，還有許多氣態(tài)或固態(tài)物質(zhì)進入大氣，如： 大氣顆粒物中Fe、 Cu、 Mn、 V是使SO2氧化的催化劑，它們對酸雨的形成也產(chǎn)生影響。另外在大氣中也極易出現(xiàn)高溫環(huán)境[5]。請大家結(jié)合實際情況，選擇合適的形成路線，設計裝置，將自然界中酸雨的形成過程在實驗室里模擬出來?；诤喴仔栽瓌t，選取不用催化劑、不需要加熱的路徑2在實驗室里模擬，因此需要設計二氧化硫發(fā)生裝置、氧氣發(fā)生裝置、酸雨形成裝置進行實驗;另外，由于二氧化硫是有刺激性氣味的有毒氣體，所以整套裝置需密封。如果要保持裝置密封，那怎樣檢驗是否已經(jīng)完成酸雨中二氧化硫到硫酸的轉(zhuǎn)化了呢？

2.2.2? 實驗原理

要在體系密封的條件下驗證SO2→H2SO3→H2SO4轉(zhuǎn)化完成，選擇采用數(shù)字化實驗手段。蒸餾水呈中性，當向其中通入二氧化硫時生成亞硫酸，亞硫酸是中強酸，會在水溶液中部分電離使溶液呈酸性，當最終轉(zhuǎn)化為硫酸時，由于硫酸全部電離使溶液酸性增強，因此只需要通過pH傳感器觀察pH的變化趨勢即可監(jiān)控反應的進行程度。

2.2.3? 實驗藥品及說明

（1） 1號（二氧化硫發(fā)生）裝置內(nèi)盛裝藥品： 1.0g亞硫酸鈉固體粉末（三頸燒瓶）;4mL濃硫酸（恒壓滴液漏斗）。

（2） 2號（酸雨形成）裝置中裝有蒸餾水及攪拌磁子，三頸瓶中口插有pH傳感器，并配有相應的數(shù)據(jù)采集器和電腦分析軟件。

（3） 3號（氧氣發(fā)生）裝置內(nèi)盛裝藥品： 0.5g二氧化錳固體（三頸燒瓶）;10mL 30%過氧化氫溶液（恒壓滴液漏斗）。

說明： ① 可通過恒壓滴液漏斗的活塞控制反應的進行，通過三通活塞控制氣體的通斷。

② 各反應瓶側(cè)口安裝氣球，以保證密封裝置在產(chǎn)生大量氣體時不會發(fā)生安全事故。

2.2.4? 實驗步驟

（1） 觀察pH計插入蒸餾水時的示數(shù)并記錄。

（2） 打開1號二氧化硫發(fā)生裝置的活塞，打開2號裝置攪拌器，觀察二氧化硫通入2號反應瓶后pH的曲線走向。

（3） 待pH穩(wěn)定后，打開3號氧氣發(fā)生裝置的活塞（繼續(xù)攪拌），觀察氧氣通入2號反應瓶后pH的曲線走向。

（4） 觀察現(xiàn)象，分析數(shù)據(jù)。

2.2.5? 實驗現(xiàn)象

通入二氧化硫后pH迅速大幅下降;通入氧氣后pH幾乎不變（見圖2）。

2.3? E—解釋

由于二氧化硫易溶于水，且產(chǎn)物亞硫酸酸性較強，所以在水中通入二氧化硫后pH示數(shù)先會經(jīng)歷較大的跌落;通入氧氣后，由于氧氣在水中溶解度較小，且亞硫酸與氧氣反應非常緩慢，所以pH幾乎不變。

2.4? 拓展延伸

[師]亞硫酸和氧氣的反應是一個相對緩慢的過程，那么大自然中只有氧氣可以氧化亞硫酸嗎？

資料： 大氣光化學反應產(chǎn)生的O3和H2O2等也是使H2SO3氧化的氧化劑，它們加快了酸雨形成速度，一天之內(nèi)就可以在高空中擴散700多公里，所以酸雨危害不僅是區(qū)域性的，還會導致周邊地區(qū)、甚至造成跨國境的更大范圍受災[6]。

[生]P—預測： 向反應后的溶液中通入過氧化氫，會使得亞硫酸的氧化速度加快，使pH下降得更明顯。

[繼續(xù)實驗]O—觀察： 向上述反應后的溶液中用注射器注入5mL30%過氧化氫溶液（通過酸雨形成裝置中的氣球注射，且注射后暫時不要將注射器抽出，防止體系中剩余的二氧化硫逸出）。

觀察到pH變化見圖3。

通過pH變化曲線可以看到，向體系內(nèi)加入過氧化氫溶液后，pH變化明顯。

E—解釋： 根據(jù)初中實驗“過氧化氫制取氧氣”可知過氧化氫的氧化性強于氧氣，而且可以與水以任意比例互溶，所以過氧化氫與亞硫酸的反應速率更快。

3? 本實驗設計的優(yōu)點

3.1? 巧妙采用數(shù)字化實驗手段，簡化了實驗操作，放大了實驗現(xiàn)象，實現(xiàn)化學實驗教學的可視化，體現(xiàn)化學實驗教學的綠色化、信息化和現(xiàn)代化

隨著新課程改革的推進，追求實驗教學手段的綠色化、信息化和現(xiàn)代化逐步成為化學實驗教學的主流。本實驗通過采用手持技術(shù)，一改傳統(tǒng)實驗的冗雜與繁復，僅僅通過觀測pH曲線的走向就可準確判斷和分析實驗結(jié)果。在本實驗中由于亞硫酸與氧化劑反應的pH變化比較微小，數(shù)字化實驗的引入，不但減少了驗證性試劑的使用，而且實驗結(jié)果準確直觀，過程簡潔流暢，節(jié)約了大量的教學時間，有利于增強學生的學習興趣，培養(yǎng)學生的信息化素養(yǎng)，實現(xiàn)教學方法的現(xiàn)代化。

3.2? 運用化學第四重表征——曲線表征，有利于促成學生多維度、多層次表征能力的發(fā)展

自1982年蘇格蘭的約翰斯頓首次提出化學“三重表征”模式即宏觀表征、微觀表征、符號表征以來，三重表征就廣泛應用于化學教學之中。近年來，隨著手持技術(shù)的發(fā)展，錢揚義先生基于數(shù)字化實驗即時收集數(shù)據(jù)和自動生成曲線的技術(shù)背景，于2009年首次提出“曲線表征”的定量分析方法，由此構(gòu)建了化學“四重表征”的教學模式[7]。在本次實驗設計中要求學生對用pH傳感器得出的pH變化曲線進行數(shù)據(jù)分析與解釋，由此判斷酸雨形成路徑的合理性，并進一步設想自然界中是否還有其他物質(zhì)可以實現(xiàn)亞硫酸到硫酸的轉(zhuǎn)化，使學生在定量分析的基礎(chǔ)上對實驗結(jié)果和自然轉(zhuǎn)化有了一個更加準確的認識，落實了化學教學中的第四重表征，從而促成學生多維度、多層次表征能力的發(fā)展。

3.3? 教學設計以“酸雨的形成過程及治理措施”為明線，二氧化硫的性質(zhì)為暗線，充分體現(xiàn)“認知學徒制”的教學思想

認知學徒制是由美國認知心理學家柯林斯和布朗等人基于人類學家萊弗關(guān)于傳統(tǒng)手工學徒制理論，于1989年提出的一種教學模式，它是指通過構(gòu)建情境、搭建合適的腳手架，再在教師啟發(fā)、指導過程中培養(yǎng)學生自主解決問題、反思延伸等高級技能[8]。本次實驗設計遵循認知學徒制教學模式，緊密圍繞酸雨問題，基于POE教學策略，以“酸雨的形成路徑”為明線，二氧化硫的性質(zhì)為暗線，將不可視的專家思維與核心知識點及真實情境有機結(jié)合起來，把課堂主動權(quán)還給學生，使學生浸潤在專家式的真實邏輯推理過程之中。讓學生綜合各方面資料去自主預測、探究酸雨的形成過程，并通過手持技術(shù)在實驗室里模擬大自然中酸雨真實形成的過程，經(jīng)過對實驗現(xiàn)象及可視化數(shù)據(jù)的觀察分析，最終得出結(jié)論。培養(yǎng)了學生的高級思維和綜合復雜環(huán)境下利用多種渠道解決問題的能力。這有利于他們將所學知識進行獨立應用和技能遷移，為最終成長為一名具備科學素養(yǎng)的人才打下良好基礎(chǔ)。

參考文獻：

[1]中華人民共和國教育部制定. 普通高中化學課程標準（實驗）[S]. 北京： 人民教育出版社， 2003.

[2]張新民， 柴發(fā)合， 王淑蘭， 孫新章， 韓梅. 中國酸雨研究現(xiàn)狀[J]. 環(huán)境科學研究， 2010， 23（5）： 527～532.

[3]顧江鴻， 史小梅， 李春密. 預測-觀察-解釋——一種基于現(xiàn)代教育研究的演示策略[J]. 教育科學研究， 2009， （5）： 54～57.

[4][5][6]薛梅. 酸雨的形成及其危害[J]. 內(nèi)蒙古石油化工， 1999， （4）： 108～102.

[7]田曉梅. 數(shù)字化實驗應用于化學“四重表征”教學模式[J]. 天津教育， 2017，（5）： 18～19.

[8]陳家剛. 認知學徒制二十年研究綜述[J]. 遠程教育雜志， 2010， 28（5）： 97～104.