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利用数字化实验探究硫酸型酸雨的形成

2019-05-28姬欣睿

化学教与学 2019年5期
关键词:数字化实验氧化还原反应酸雨

姬欣睿

摘要:借助数字化实验,测量SO2空气的混合气体溶于水后,SO2浓度、pH的变化,验证SO2(g)+H2O=H2SO3反应的存在,并进一步提出酸雨形成机理的探究性问题。将sO2与O2依次通入水中,分析pH的变化曲线,探究酸雨形成过程中的化学反应:SOz(g)+H2O=H2SO3,H2SO3=H++HSO3;2H2SO3+O2=2H2SO4,H2SO4=2H++SO42-

关键词:数字化实验;酸雨;电离平衡;氧化还原反应;定量探究

文章编号:1008-0546(2019)05-0092-04

中图分类号:G633.8 文献标识码:B

doi:10.3969/j.issn.1008-0546.2019.05.029

一、问题提出

人类活动产生的sO2和氮氧化物氣体排放到空气中,被雨水吸收并发生化学反应,形成pH<5.6的酸雨。我国以含硫量高的煤炭为主要燃料,煤炭中的硫元素,在燃烧时生成sO2气体,形成硫酸型酸雨。九年级化学教材(下册)第十一单元“化学与社会发展”第四节“化学与环境保护”Ⅲ,高中化学教材(必修1)第四章“非金属及其化合物”第三节“硫和氮的氧化物”,都把硫酸型酸雨作为绿色化学内容的核心知识,教科书设计了丰富多彩的活动重点探讨硫酸型酸雨的形成:活动与探究、资料卡片、社会实践活动等。

文献表明,学者们大多通过改进传统教学实验、开发基于数字化实验的现代探究实验两个方面来设计实验模拟硫酸型酸雨的形成:(1)改进传统的教学实验。如:改用三口烧瓶、锥形瓶、玻璃水槽等作为反应器;改用燃烧单质硫产生SO2;改用酸度计、紫罗兰花瓣、石蕊试纸、pH试纸来测量酸雨的酸性强弱。(2)利用现代化的数字化实验开展模拟硫酸型酸雨形成的实验,如用pH传感器测定不同浓度sO2水溶液的pH。综上,模拟硫酸型酸雨形成的实验大都聚焦于SO2与H2O反应生成的水溶液显酸性这一点上,较少关注酸雨形成过程中SO2浓度、溶液酸性的变化趋势。加上高一还没有学习电离平衡知识,这就很容易产生错误认识,认为sO2溶于H2O只发生SO2(g)+H2O=HzSO3的反应。模拟硫酸型酸雨的形成,分析酸雨形成过程中sO2浓度、溶液酸性的变化曲线,能够引发认知冲突,促使学生自己提出探究性问题,开展“真实的探究活动”,来探究硫酸型酸雨的形成机理。

本研究首先模拟硫酸型酸雨的形成,利用数字化实验测量SO2浓度、pH的变化,绘制sO2浓度、pH随时间变化的曲线,验证sO2与H2O反应生成H2SO3的事实,并提出探究性问题。然后,设计硫酸型酸雨形成机理的探究实验,利用数字化实验测量pH的变化,绘制pH随时间变化的曲线,以探析硫酸型酸雨形成过程中发生的化学反应。

二、模拟硫酸型酸雨的形成

大气中SO2浓度≥0.5ppm时,对人体有潜在影响;1~3ppm时,多数人开始感到刺激;10~15ppm时,呼吸道纤毛运动和粘膜的分泌功能均受到抑制;达到20ppm时,引起咳嗽并刺激眼睛;400-500ppm时,出现溃疡和肺水肿直至窒息死亡。我国大气环境质量标准规定居住区大气中最高容许浓度为:0.06ppm(日平均),0.19ppm(任何一次)。

模拟硫酸型酸雨形成的实验中,需要测量S02气体的浓度和水溶液pH的变化。SO2传感器量程小(≤20ppm),需要控制SO2气体的浓度不要过大。但是,如果SO2浓度太小,则pH变化不明显。综合考虑大气中sO2浓度的实际情况和实验条件的限制、要求,笔者认为模拟酸雨形成的实验中应将sO2浓度控制在20ppm左右,且在测量pH变化的实验中,还要持续通入sO2与空气的混合气体。因此,需要分别开展测量SO2浓度和溶液pH的实验:测SO2浓度变化时,向三口瓶通入sO2与空气的混合气体,调节SO2与空气的通人量,当sO2浓度基本稳定在20ppm时,停止通入SO2和空气的混合气体,加入少量的水,观察“sO2-t”的变化曲线;测pH变化时,持续将sO2和空气的混合气体通入大量水中,观察“pH-t”的变化曲线。

1.实验试剂及仪器用品

仪器:平板电脑、DISLab8.0数据采集器、SO2传感器、pH传感器、三口瓶、橡皮塞、注射器、止水夹、锥形瓶、分液漏斗、打气球、烧杯。

实验药品:Na2SO3固体、70%H2sO4溶液、H2O、NaOH溶液。

2.实验装置

3.实验步骤和现象

(1)如图1搭建实验装置:组装固液反应气体发生器,向分液漏斗中加入适量的70%HzSO4溶液,向锥形瓶中加入一定量的NazSO3固体;连接平板电脑、数据采集器、二氧化硫传感器、pH传感器,打开平板电脑,进入DISLab8.0“通用软件”。

(2)调节分液漏斗旋塞,将70%H2SO4溶液滴人盛有Na2SO3固体的锥形瓶中,将生成SO2气体通过多孔球泡,通人盛有NaOH溶液的三口瓶,并用打气球向其中鼓入空气。

(3)把二氧化硫传感器软件调零后,打开“组合图线”,添加“S02-t”图线,显示三口瓶⑥内SO2气体浓度的变化。

(4)调节多孔球泡浸没入NaOH溶液中的程度和鼓入的空气量,使三口瓶⑥内SO2气体浓度保持在20ppm基本不变。

(5)停止通入SO2和空气的混合气体。

(6)用注射器向三口瓶⑥中缓慢注入约5mLH2O,振荡,观察“SO2-t”曲线的变化(如图2)。

(7)向三口瓶中加入约50mL蒸馏水。

(8)把pH传感器软件调零后,打开“组合图线”,添加“pH-t”图线表示三口瓶内pH的变化。

(9)将SO2和空气的混合气体持续通入三口瓶⑥中,观察“pH-t”曲线的变化(如图3)。

4.結果与讨论

(1)sO2与空气的混合气体通入水中,发生反应生成H2SO3和其它酸性物质。

如图2,将浓度为20ppm的SO2与空气的混合气体通人三口瓶中,SO2气体的浓度逐渐上升。最后,基本维持在20ppm保持不变。加入少量H2O,振荡三口瓶,sO2的浓度逐渐下降,最后基本维持在5ppm保持不变。这说明,SO2能够溶解于水中,且存在一定的溶解限度。

如图3,将浓度为20ppmSO2与空气的混合气体持续通人50mL水中,溶液显酸性,且溶液的pH逐渐降低。

综上,SO2溶于水,达到一定程度后,尽管二氧化硫的浓度保持不变,但溶液的pH却始终保持逐

四、实验设计特色

1.实验既能够验证自己的假设,又能够促使自己继续提出问题

一方面,通过“观察模拟酸雨形成的实验”可以验证自己提出的初步假设:SO2和H2O反应能够生成H2SO3。另一方面,在观察SO2浓度、pH变化曲线时也会产生困惑:反应进行到一定阶段后,SO2浓度就会像“静止”下来一样,不再发生变化。但是,pH却持续下降。由于高一还没有学习化学反应限度的知识,又不知道H2SO3可以被O2氧化为H2SO4,这就产生了认知冲突,进而引发自己开展下一步的探究活动。

2.实验操作更容易

在模拟硫酸型酸雨形成的实验中,将SO2与空气混合气体发生器、pH传感器、SO2传感器、尾气吸收装置安装在三口瓶上,并加入药品。实验中用调节多孔球泡浸入氢氧化钠溶液的程度和鼓入空气的量,来控制SO2的浓度。在探究硫酸型酸雨的形成机理的实验中,将用三通连接起来SO2气体发生器与O2气体发生器、pH传感器、尾气吸收装置安装在三口瓶上,并加入相应的药品。实验中用旋塞控制反应的进行与停止,用止水夹控制向三口瓶中通入SO2、O2。这些将繁琐的实验操作系统化、整合化的实验改进措施,增强了实验的可操作性,使得本来由2~3名同学协作才能完成的实验操作,自己就能轻松完成。

3.实验结果的图形化

将SO2气体浓度、水溶液pH值的数据信息转化为“SO2-t”和“pH-t”变化曲线,能够直观发现S02气体浓度、水溶液pH变化的趋势,验证自己的初始假设,并提出探究性问题,开展探究活动,从而掌握抽象的化学反应限度理论知识。数字化实验,重视通过获取具体实验数据来说明问题。通过分析处理数据,能够帮助自己更好地学习抽象的化学理论。但是,数据的精密度和偶然误差问题,使得发现数据变化的趋势较为困难。通过处理数据符号,来建构抽象的化学理论,也会加大自己的认知负荷。将数据符号转变为数据图形,使得更容易把握数据信息变化的基本趋势,容易发现数据图形“蕴含”的抽象的化学理论,又降低了自己的认知负荷。实验数据信息的图形化,可以使自己更加高效地掌握抽象的化学反应理论知识。

4.强化安全意识和环保意识

在模拟硫酸型酸雨形成过程中,需要制备大量SO2气体,如果气体散逸到实验室中,会对人体健康和环境产生危害,应该采取必要的措施加以避免。实验在通风橱内进行,并将SO2尾气通入NaOH溶液中加以吸收,减少了对环境的污染。这些防止环境污染的措施,会在潜移默化中强化学生的安全意识和环保意识。

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