劉佳玲

(華中師范大學(xué)化學(xué)學(xué)院，武漢 430079)

《普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)(2017年版)》[1]提倡“結(jié)合真實(shí)情境中的應(yīng)用實(shí)例或通過(guò)實(shí)驗(yàn)探究，了解物質(zhì)的主要性質(zhì)”?；瘜W(xué)實(shí)驗(yàn)是元素化學(xué)學(xué)習(xí)的重要方法之一，也是提升學(xué)生三重表征水平的重要途徑[2]。綠色化學(xué)理念已經(jīng)成為國(guó)際化學(xué)教育改革的重要指導(dǎo)思想。中學(xué)化學(xué)實(shí)驗(yàn)綠色化有利于培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)態(tài)度與社會(huì)責(zé)任的化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)，引導(dǎo)學(xué)生關(guān)注化學(xué)與社會(huì)、生活之間的緊密聯(lián)系，認(rèn)識(shí)化學(xué)的社會(huì)價(jià)值。針對(duì)教材和文獻(xiàn)中SO2還原性實(shí)驗(yàn)裝置的不足，基于綠色化學(xué)理念改進(jìn)實(shí)驗(yàn)裝置，以實(shí)現(xiàn)化學(xué)實(shí)驗(yàn)的綠色化、微型化。

1 問(wèn)題的提出

1.1 綠色化學(xué)理念的興起

綠色化學(xué)理念提倡利用新興技術(shù)和方法在源頭上消除污染，減少反應(yīng)過(guò)程中有害物質(zhì)、有毒物質(zhì)的利用以及廢棄物的產(chǎn)生，以實(shí)現(xiàn)零排放和零污染，其核心思想是原子經(jīng)濟(jì)利用率[3]，與我國(guó)提出的科學(xué)發(fā)展觀相吻合。中學(xué)實(shí)驗(yàn)化學(xué)綠色化是以綠色化學(xué)理念為主旨，通過(guò)對(duì)中學(xué)教學(xué)中資源利用率較低、污染較大以及存在安全隱患的化學(xué)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)化學(xué)實(shí)驗(yàn)過(guò)程的低消耗、物質(zhì)循環(huán)利用和零排放以及零污染。綠色化學(xué)理念轉(zhuǎn)化為中學(xué)化學(xué)課堂中具體、可操作的載體，主要表現(xiàn)為化學(xué)反應(yīng)原理的抉擇、實(shí)驗(yàn)試劑的選擇、實(shí)驗(yàn)裝置的設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)方案的優(yōu)化甚至產(chǎn)品的迭代設(shè)計(jì)等過(guò)程。

1.2 現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)的不足

該教學(xué)主題位于人教版《必修1》第四章第三節(jié)“硫和氮的氧化物”，屬于元素化合物知識(shí)，教材中所涉及的二氧化硫性質(zhì)探究實(shí)驗(yàn)如圖1所示。

圖1 人教版《化學(xué) 1》教材中二氧化硫性質(zhì)探究實(shí)驗(yàn)Fig.1 Experiment on the nature of sulfur dioxide in chemistry 1

經(jīng)分析教材發(fā)現(xiàn)，目前使用的教材中存在些許不足，主要體現(xiàn)為：第一，實(shí)驗(yàn)所用SO2氣體經(jīng)由實(shí)驗(yàn)制得，制取所需試劑用量較大，水溶液中所含SO2濃度較低，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象不明顯或所需時(shí)間較長(zhǎng)。第二，教材對(duì)SO2還原性、氧化性的探究并未提供相關(guān)實(shí)驗(yàn)，只展示了驗(yàn)證SO2氣體漂白性的實(shí)驗(yàn)。第三，該實(shí)驗(yàn)處于敞開(kāi)體系，加熱過(guò)程中SO2氣體散入空氣，造成一定污染，同時(shí)對(duì)人體健康造成不同程度的危害。

基于上述對(duì)SO2還原性實(shí)驗(yàn)裝置的分析，結(jié)合綠色化學(xué)思想對(duì)實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行了改造。

2 改進(jìn)策略

2.1 實(shí)驗(yàn)原理

2.2 實(shí)驗(yàn)用品及說(shuō)明

實(shí)驗(yàn)藥品：無(wú)水亞硫酸鈉固體(分析純)、濃H2SO4(分析純)、0.01 mol/L KMnO4溶液(現(xiàn)配現(xiàn)用)。

實(shí)驗(yàn)儀器：10 mL snake(史萊克)反應(yīng)管、鐵架臺(tái)、濾紙條(約1 cm寬)、1 mL注射器、膠頭滴管、藥匙、橡膠塞(19 mm)、表面皿、鑷子。

2.3 實(shí)驗(yàn)裝置

圖2 探究二氧化硫還原性的改進(jìn)實(shí)驗(yàn)裝置圖Fig.2 Improved experimental device to explore the reducibility of sulfur dioxide

2.4 實(shí)驗(yàn)步驟

第一步，取一支干燥潔凈直徑為19 mm、體積為10 mL的snake反應(yīng)管，用藥匙取少量無(wú)水亞硫酸固體于snake反應(yīng)管中(蓋滿底部即可)，并放置鐵架臺(tái)上，備用。

第二步，剪一段寬度為2 cm的白色濾紙環(huán)，放置干燥潔凈的表面皿上，備用。

第三步，用膠頭滴管取少量已配制好的0.01 mol/L高錳酸鉀溶液，輕輕擠壓膠帽，直至表面皿上的白色紙環(huán)完全被高錳酸鉀溶液潤(rùn)濕，并輕輕用鑷子夾取濾紙環(huán)，粘貼至snake管下部約1/3處，并塞上橡膠塞(19 mm)。

第四步，用1 mL注射器取0.5 mL濃硫酸，將針頭插入snake反應(yīng)管的橡膠塞中，逐滴滴加濃硫酸，觀察紙環(huán)上的顏色變化情況。

第五步，實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，若擔(dān)心仍有SO2氣體殘余，可用注射器吸取適量的NaOH溶液注入snake反應(yīng)管中，以確保SO2氣體充分被吸收。

2.5 實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象及結(jié)論

向裝有無(wú)水亞硫酸鈉的snake反應(yīng)管中注入濃硫酸時(shí)，試管底部的白色固體逐漸溶解，且瞬間產(chǎn)生大量氣泡，同時(shí)吸有酸性KMnO4溶液的濾紙條逐漸褪色，最終恢復(fù)成白色。錳酸根離子在酸性條件下易被還原為Mn2+，根據(jù)氧化還原反應(yīng)原理，則SO2被氧化，具有還原性。

2.6 實(shí)驗(yàn)注意事項(xiàng)

第一，加入snake反應(yīng)管中的無(wú)水亞硫酸鈉粉末不易過(guò)多，填滿反應(yīng)管底部即可，或直接配制成一定物質(zhì)的量濃度的NaSO3溶液，但注意要現(xiàn)配現(xiàn)用，注意保存，以防被氧化。第二，該體系處于密閉狀態(tài)，裝置封閉效果較好，將注射器插入橡膠塞時(shí)可能比較費(fèi)力，必要時(shí)可換用較大針頭。另外，濃硫酸具有脫水性，因此注入濃硫酸時(shí)要防止?jié)饬蛩嶂苯訃娫跒V紙條上或沿管壁流入。第三，由于亞硫酸鈉與濃硫酸反應(yīng)速率快，注入濃硫酸的量不易過(guò)多，且采取緩慢滴加的方式，防止滴加速度過(guò)快，短時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生大量泡沫沖開(kāi)橡膠塞，造成一定的安全事故。

3 實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新點(diǎn)

第一，直觀性強(qiáng)，高效安全。該裝置采用微型裝置，藥品用量少反應(yīng)速率快，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象明顯，適合教師在課堂開(kāi)展演示實(shí)驗(yàn)或進(jìn)行學(xué)生分組實(shí)驗(yàn)。

第二，拆裝方便，適用性強(qiáng)。該改進(jìn)裝置所需要的實(shí)驗(yàn)儀器為一定體積規(guī)格的snake管、注射器、橡膠塞，注射器可以控制反應(yīng)物用量和加入速度。該實(shí)驗(yàn)裝置可適用于固體和液體反應(yīng)制備并在密閉容器中檢驗(yàn)或探究氣體性質(zhì)的實(shí)驗(yàn)。例如，探究SO2的漂白性，可以在snake反應(yīng)管壁內(nèi)粘貼蘸有品紅溶液的濾紙條；驗(yàn)證SO2還原性的強(qiáng)弱，可分別放置蘸有溴水(或碘水)、KMnO4溶液的濾紙條，觀察褪色時(shí)間長(zhǎng)短。稍作修改還可適用于氯氣、氨氣等氣體性質(zhì)的探究。

第三，綠色環(huán)保。整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程都處于密閉體系，其中snake反應(yīng)管是大學(xué)有機(jī)合成化學(xué)實(shí)驗(yàn)中常用于無(wú)水無(wú)氧環(huán)境的微量反應(yīng)管，可直接加熱，其帶有玻璃節(jié)門(mén)，關(guān)閉節(jié)門(mén)可營(yíng)造密閉環(huán)境，防止SO2氣體擴(kuò)散。