基于“可逆反應(yīng)”概念建構(gòu)的二氧化硫性質(zhì)實驗改進(jìn)

劉明霞 汪梅 鐘琴 常金明

摘要： ?在梳理教材及文獻(xiàn)中二氧化硫性質(zhì)實驗利與弊的基礎(chǔ)上，采用注射器、氣球、V型玻璃管、具支試管等儀器將教材中的兩個實驗重新進(jìn)行裝置一體化和試劑微量化設(shè)計。改進(jìn)后的實驗操作簡便、試劑用量少、利于環(huán)保，還能在檢驗二氧化硫的水溶性及其水溶液漂白性的同時，為學(xué)生建構(gòu)“可逆反應(yīng)”概念提供支撐。

關(guān)鍵詞： ?二氧化硫的制備與性質(zhì); 可逆反應(yīng); 一體化設(shè)計; 化學(xué)微量化實驗

文章編號： ?1005 6629（2022）08 0070 03

中圖分類號： ?G633.8

文獻(xiàn)標(biāo)識碼： ?B

1 問題的提出

1.1 教材實驗分析

2019年版人教版普通高中教科書化學(xué)必修第二冊第5章第1節(jié)“硫及其化合物”中，關(guān)于二氧化硫的性質(zhì)編排了如下兩個實驗[1]。

實驗5 1： 把充滿SO2、塞有橡膠塞的試管倒立在水中，在水面下打開橡膠塞，觀察試管內(nèi)液面的上升。待液面高度不再明顯變化時，在水下用橡膠塞塞緊試管口，取出試管，用pH試紙測定試管中溶液的酸堿度。

實驗5 2： 用試管取2mL在實驗5 1中得到的溶液，向其中滴入1～2滴品紅溶液，振蕩，觀察溶液的顏色變化。然后加熱試管，注意通風(fēng)，再觀察溶液的變化。

教材實驗采用常規(guī)裝置和藥品，現(xiàn)象較為明顯，便于學(xué)生觀察，在一定程度上發(fā)揮了實驗的教學(xué)功能。但是教材沒有提及氣體制備和收集的具體方案，需要教師課前準(zhǔn)備，實際操作較為繁瑣，且實驗全程在敞口的試管中進(jìn)行，缺少尾氣處理裝置。

1.2 “可逆反應(yīng)”概念分析

“可逆反應(yīng)”是中學(xué)化學(xué)教學(xué)中一個重要概念，最早出現(xiàn)在“硫和二氧化硫”內(nèi)容之中。概念的形成是一個由感性認(rèn)識上升到理性認(rèn)識的過程，教材將其穿插于上述實驗之間，其目的在于以實驗為載體，幫助學(xué)生更好地理解和掌握“可逆反應(yīng)”概念，符合學(xué)生的認(rèn)知發(fā)展規(guī)律。不足之處是教材直接告知了結(jié)論“亞硫酸不穩(wěn)定，易分解”，逆反應(yīng)過程在上述實驗中沒有直接得到體現(xiàn)。在學(xué)生現(xiàn)有的認(rèn)知結(jié)構(gòu)中，認(rèn)為化學(xué)反應(yīng)都是正向發(fā)生的定勢思維已經(jīng)形成，若沒有相關(guān)的實驗事實為概念建構(gòu)提供實證支撐，容易導(dǎo)致學(xué)生理解上的偏差[2]。

1.3 有關(guān)文獻(xiàn)的評析

通過文獻(xiàn)查閱，發(fā)現(xiàn)不少學(xué)者對教材實驗進(jìn)行了改進(jìn)，大多集中在氣體制備與性質(zhì)檢驗一體化和微量化上，雖各具優(yōu)勢，但也存在少許不足。有的方案[3]利用硬質(zhì)玻璃管和濾紙片一次性驗證了二氧化硫的諸多性質(zhì)，且添加了尾氣處理裝置，減少了試劑用量，降低了環(huán)境污染。但是用鑷子添加濾紙片時難以避免試劑溶液之間的接觸，產(chǎn)生了一些干擾結(jié)果判斷的現(xiàn)象。有的方案[4]利用注射器控制濃硫酸滴速以調(diào)控氣體生成速率，增強了實驗的可控性。但實驗裝置較復(fù)雜，學(xué)生不僅要理解操作原理，還要觀察實驗現(xiàn)象，過高的認(rèn)知負(fù)荷反而會阻礙學(xué)生的學(xué)習(xí)。有的方案[5]在Y型管中引爆含硫火柴頭制備氣體并檢驗性質(zhì)，操作簡便，現(xiàn)象直觀，貼近生活，趣味性強。但火柴頭爆燃瞬間管內(nèi)壓強猛增，橡皮塞被彈飛，存在一定的安全隱患，同時氣體逸出也造成環(huán)境污染。有的方案[6]制作了一個連接有四只直角玻璃管的大燒瓶，同時檢驗氣體的諸多性質(zhì)，還借助氣球直觀反映了體系內(nèi)氣體的余量。但該實驗使用的是非常規(guī)儀器，需課前定制，不便于大范圍推廣，實用性較低。

基于上述分析，可以發(fā)現(xiàn)學(xué)者們的關(guān)注點主要集中在氣體性質(zhì)的探究上，還沒有將教材實驗與“可逆反應(yīng)”概念建立起聯(lián)系。為解決上述問題，擴(kuò)大實驗教學(xué)功能，筆者對教材實驗重新進(jìn)行了微量化[7～9]設(shè)計。此設(shè)計集二氧化硫氣體的制備、性質(zhì)檢驗以及尾氣處理等于一體，使用常規(guī)儀器以提高實驗現(xiàn)象的可見度，減少試劑用量以降低對環(huán)境的污染，同時還能將抽象的“可逆反應(yīng)”在實驗中顯性化，以便于學(xué)生對概念的理解和掌握。

2 實驗改進(jìn)

2.1 實驗儀器及藥品

儀器： 具支試管、V型玻璃管、注射器、氣球、濾紙片、橡皮管、鐵架臺、酒精燈

藥品： 亞硫酸鈉粉末、70%硫酸、品紅溶液、紫色石蕊溶液、蒸餾水

2.2 實驗裝置

改進(jìn)后的實驗裝置如圖1所示。

2.3 實驗步驟及現(xiàn)象分析

（1） 如圖1搭建好裝置，檢查裝置氣密性后，向具支試管中加入一定量蒸餾水，滴入1～2滴品紅溶液。用鑷子夾取浸潤有紫色石蕊溶液的濾紙片，置于具支試管口下端。

（2） 向V型玻璃管中加入少量亞硫酸鈉粉末。用注射器吸取少量硫酸，與V型管連接并緩慢推入管內(nèi)，觀察氣球、濾紙片及品紅溶液的變化情況。

現(xiàn)象： 亞硫酸鈉粉末表面有氣泡產(chǎn)生，氣球變大。

原理： H2SO4+Na2SO3 Na2SO4+H2O+SO2↑，反應(yīng)產(chǎn)生氣體，使具支試管內(nèi)壓強瞬間增大。

現(xiàn)象： 浸潤有紫色石蕊溶液的濾紙片變紅。

原理： SO2+H2O H2SO3，二氧化硫與水反應(yīng)生成亞硫酸，證明二氧化硫水溶液具有酸性。

現(xiàn)象： 品紅溶液褪色。

原理： 二氧化硫水溶液能與某些有色物質(zhì)反應(yīng)生成無色物質(zhì)，證明二氧化硫水溶液具有漂白性。

現(xiàn)象： 幾分鐘后，氣球變小，恢復(fù)至原樣。

原理： SO2+H2O H2SO3，1體積水能溶解40體積二氧化硫，證明二氧化硫的水溶性。

（3） 加熱具支試管底部，觀察品紅溶液、氣球的變化情況。

現(xiàn)象： 品紅溶液恢復(fù)紅色。

原理： 反應(yīng)生成的無色物質(zhì)不穩(wěn)定，易分解，證明二氧化硫水溶液的漂白作用具有可逆性。

現(xiàn)象： 具支試管內(nèi)有大量氣泡產(chǎn)生，氣球變大。

原理： H2SO3 SO2↑+H2O，亞硫酸不穩(wěn)定，易分解。加熱條件下，分解速度加快，證明二氧化硫與水反應(yīng)的可逆性。

（4） 停止加熱，待具支試管冷卻，觀察品紅溶液、氣球的變化情況。

現(xiàn)象： 品紅溶液褪色，氣球變小，恢復(fù)至原樣。

原理： 二氧化硫氣體溶于水，使品紅褪色。在加熱、冷卻、加熱的反復(fù)操作過程中，品紅溶液褪色復(fù)色、氣球變大變小的現(xiàn)象同樣會反復(fù)出現(xiàn)。

2.4 實驗結(jié)果及解釋

在本次改進(jìn)實驗中，引導(dǎo)學(xué)生觀察氣球和品紅溶液的變化，深刻理解反應(yīng)的微觀本質(zhì)。書寫反應(yīng)的化學(xué)方程式，建立“宏、微、符”三者聯(lián)系，從而加強對“可逆反應(yīng)”概念的理解和掌握。

（1） 二氧化硫與水發(fā)生可逆反應(yīng)： 宏觀層面，氣球由大變小，再由小變大，直觀感受裝置內(nèi)壓強的變化情況;微觀層面，分析二氧化硫氣體溶解和亞硫酸分解時裝置內(nèi)二氧化硫分子數(shù)的增減情況，揭示氣球大小變化的微觀本質(zhì);符號層面，引導(dǎo)學(xué)生正確書寫反應(yīng)的化學(xué)方程式，促進(jìn)多重表征的有機(jī)融合?？赡娣磻?yīng)方程式表示如下：

SO2+H2O △ ?H2SO3

（2） 二氧化硫水溶液漂白作用的可逆性： 宏觀層面，具支試管中品紅溶液由紅色變無色，加熱時又恢復(fù)紅色，直觀感受溶液的顏色變化;微觀層面，簡要闡述亞硫酸與品紅的反應(yīng)機(jī)理，揭示品紅褪色是其與亞硫酸分子作用的結(jié)果，而不是二氧化硫[10];符號層面，教師呈現(xiàn)反應(yīng)的化學(xué)方程式，加強不同表征的有效聯(lián)系?？赡娣磻?yīng)方程式表示如下：

2.5 實驗注意事項

（1） 確保裝置氣密性良好。實驗?zāi)芊耥樌M(jìn)行取決于裝置的氣密性，若氣體泄漏則不會出現(xiàn)氣球的大小變化。

（2） 亞硫酸鈉粉末不宜過多。V型管內(nèi)要留有一定空隙，以免反應(yīng)產(chǎn)生的氣體無法進(jìn)入具支試管內(nèi)。

（3） 選擇大小合適的氣球。氣球太大，變化不夠明顯，難以直觀感受裝置內(nèi)壓強的變化;氣球太小，可能會導(dǎo)致氣球爆裂，后續(xù)操作無法正常進(jìn)行。

（4） 合理控制加熱溫度。具支試管中盛有一定量蒸餾水，沸騰時同樣會產(chǎn)生氣球變大的現(xiàn)象，干擾結(jié)果判斷。

3 實驗改進(jìn)的優(yōu)點

（1） 裝置一體化。本實驗利用常規(guī)儀器將二氧化硫的制備與性質(zhì)檢驗等多個實驗進(jìn)行了微量化組合設(shè)計，裝置簡約易搭建，藥品用量少，實驗成本低，便于一線教師進(jìn)行課堂演示或組織學(xué)生分組實驗。

（2） 安全可靠。本實驗在密閉體系中進(jìn)行，增加了氣球作為尾氣處理裝置，有害氣體零排放;裝置內(nèi)壓強增大時，氣球還起到了良好的緩沖作用，提高了實驗的安全系數(shù)，增強了學(xué)生的安全意識。

（3） 現(xiàn)象明顯。本實驗利用注射器加強實驗的可控性，借助氣球放大實驗現(xiàn)象，提高了實驗演示效果。

（4） 功能增加。本實驗從學(xué)生實際出發(fā)，不僅將教材多個實驗簡化整合，還為學(xué)生理解掌握“可逆反應(yīng)”概念提供了大量的實驗事實，擴(kuò)大了實驗教學(xué)功能，對學(xué)生學(xué)習(xí)化學(xué)知識、發(fā)展核心素養(yǎng)、培養(yǎng)科學(xué)探究能力發(fā)揮了重要的作用。

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