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。
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。
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。
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。
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
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。
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。
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。
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。