結合加熱試管中火柴頭實驗的二氧化硫褪色實驗

汪 英

（蘇州市平江中學 江蘇 蘇州 215031）

一、問題的提出

在滬教版九年級化學教科書上冊第6頁中，編者安排了一個二氧化硫（SO2）褪色演示實驗。該實驗如圖1所示：在小燒杯A中加入2mL~3mL淺紫紅色高錳酸鉀（KMnO4）溶液，將2根含硫火柴點燃，迅速伸入燒杯B中，片刻后取出火柴，振蕩燒杯A，觀察發生的現象［1］。該實驗的目的是希望通過KMnO4溶液的褪色現象來展示：含硫火柴燃燒會產生一種大氣污染氣體—SO2。借以說明化學指導人類合理利用資源，以實現社會的可持續發展［1-2］。

圖1 SO2褪色實驗

但在實際教學過程中，該實驗耗時長、污染嚴重、且褪色現象不明顯。實驗具體情況為：一次點燃2根含硫火柴后，KMnO4溶液基本不褪色；往往在連續點燃3次（6根含硫火柴）后，KMnO4溶液才開始有褪色現象出現；連續點燃8至12根（甚至更多）含硫火柴后，KMnO4溶液才褪成肉色；此后繼續點燃含硫火柴，燒杯B中出現大量炭黑且很燙手，同時空氣中彌漫著刺鼻的氣味，而KMnO4溶液卻很難繼續褪色，實驗進入瓶頸階段。

此時學生卻表現出極大的興趣，會要求老師繼續將實驗做下去，希望看到KMnO4溶液完全褪清。而授課教師則陷入兩難境地：若繼續實驗，不僅浪費寶貴的上課時間，增加不安全因素和空氣污染，而且最終實驗現象也難以達到學生的預期，反而使學生形成一個錯誤的認識：SO2只能使KMnO4溶液的顏色褪成肉色，同時也增加了教師對實驗的解釋難度；而為了節省上課時間，在溶液顏色褪成肉色后即終止實驗，并告知學生“只要再多做幾次，KMnO4溶液的顏色就會褪清”，不僅不能滿足學生的求知欲，還不利于培養學生以求甚解的科學探究精神、形成嚴謹治學的科學素養。

為此，有的教師干脆放棄實驗演示，改為直接告知學生實驗現象及結論，但卻因此失去了一次很好的激發學生學習興趣、培養學生良好的實驗習慣和認知化學學科重要性的機會。

二、原實驗方案缺陷分析

原SO2褪色實驗現象不顯著，存在明顯缺陷。其原因主要是：此實驗方案中燒杯的容積相對較大，故含硫火柴頭燃燒產生的SO2氣體濃度較小；且A、B燒杯之間不能密封，火柴頭燃燒產生的氣體很容易逸散到燒杯外的空氣中，從而進入燒杯A中的SO2氣體非常有限，一次操作根本不出現褪色現象。

為了達到褪色效果，只能多次重復點燃含硫火柴。既耗時又造成大量的SO2氣體逸散，同時由于多根火柴被限制在有限的空間內燃燒，勢必造成燒杯B中氧氣缺乏，容易發生火柴梗中碳的不完全燃燒，產生有毒的CO氣體。有毒的SO2和CO氣體的大量逸散，造成實驗操作者和周圍學生的不適。而且火柴梗中碳不完全燃燒產生的炭黑會附著在燒杯B內，甚至落入燒杯A中，造成實驗環境不清晰，影響觀察和判斷。燒杯B中氧氣的缺乏，也會使得火柴頭中的硫無法完全燃燒，產生的SO2就相應減少，加之逸散，后繼褪色現象很難持續。

三、實驗的探究與改進

結合滬教版九年級化學教科書上冊第13頁的 “加熱試管中的火柴頭”實驗（如圖 2 所示）［1］，對 SO2褪色實驗進行了改進。

圖2 加熱試管中的火柴頭

1.所需的儀器和用品

100mL 燒杯（1 個）、10mL 量筒（1 個）、膠頭滴管（1個）、20mm×200mm 大試管（1 支）、15mm×150mm 小試管（1 支）、試管配套橡皮塞（大小各 1 個）、試管夾（1 個）、酒精燈（1 臺）。

含硫火柴、高錳酸鉀溶液。

2.實驗裝置

改進后的實驗裝置如圖3所示。

圖3 改進后的實驗裝置

3.實驗探究過程

（1）實驗準備

取2粒芝麻大的KMnO4粉末，溶于1000mL水，配制成KMnO4淺紫紅色溶液備用。

（2）操作并記錄

取1~3根含硫火柴，將火柴頭朝下并列放進試管底部，隨即把橡皮塞輕輕塞到試管口上（不要塞緊），并用試管夾夾持試管（試管口斜向上，不能向著任何人）。在酒精燈上加熱，當溫度升高到一定程度時，試管內火柴頭燃燒，產生白煙，待橡皮塞“嘭”的一聲被彈飛后立即將此試管倒插在裝有KMnO4淺紫紅色溶液的小燒杯中。觀察KMnO4溶液的顏色及試管內液面高度的變化情況（為加快實驗現象的出現，還可輕輕振蕩燒杯、搖動試管，注意不可讓試管口移出溶液）。

以含硫火柴的根數、KMnO4溶液的用量、試管的容積大小為變量，分別做了幾組對比實驗，記錄KMnO4溶液的顏色褪成無色時所需時間、觀察試管內液面高度的變化情況。相關實驗數據見表1所示。

表1 KMnO4溶液褪清所需時間及試管內液面變化

（3）注意事項

由于含硫火柴頭的實際大小不完全一致、試管口插入溶液的快慢、振蕩燒杯和搖動試管的幅度及頻率、實驗操作者對KMnO4溶液褪色程度的判斷、計時等因素的影響，表1中的實驗數據不可避免會出現一定的誤差，做實驗時要盡可能注意控制變量、減少誤差。

（4）規律尋找及反思

由表1可知：①KMnO4溶液用量和試管容積相同時，含硫火柴的根數越多，褪色越快；②含硫火柴的根數和試管容積相同時，KMnO4溶液用量越少，褪色越快；③在KMnO4溶液用量和含硫火柴的根數都相同時，試管容積與褪色快慢會出現交錯現象。分析得出：KMnO4溶液褪色快慢受KMnO4溶液的量、SO2的濃度、SO2與KMnO4溶液的接觸面積3個因素共同制約。①、②兩種情況下，3個影響變量已分別控制了其中的2個，KMnO4溶液褪色快慢只受其中1個因素影響，故呈現規律性變化；而③中SO2的濃度、SO2與KMnO4溶液的接觸面積2個變量都在變，且大小試管使得這2個變量起相反的效果（大試管中SO2的濃度相對較小，但SO2與KMnO4溶液的接觸面積相對較大，小試管則反之），故出現交錯現象。

試管內液面明顯上升的原因：試管內的氣體被消耗、氣壓減小，導致外界大氣壓把液體壓進去。

4.改進實驗成功的原因分析

試管內的SO2與燒杯內的KMnO4溶液在封閉體系下反應，無逸散，保證了足夠的SO2濃度和量及兩者的充分反應時間。所以所需的含硫火柴的根數少，而能被褪去顏色的KMnO4溶液的量卻大大增加，且褪色明顯快速，污染少。

四、實驗建議

根據表1分析歸納出：

若做演示實驗，為了便于全班同學觀察且實驗褪色現象明顯快捷，建議選取KMnO4溶液10mL、含硫火柴3根、試管規格為20mm×200mm進行實驗。

若做學生分組實驗，從節約藥品、安全環保、且實驗褪色現象明顯快捷的角度考慮，建議選取KMnO4溶液3mL、含硫火柴1根、試管規格為15mm×150mm進行實驗。

五、改進后實驗的優點

1.操作簡單，實驗快速，褪色現象明顯，實驗的成功率百分之百。

2.SO2與KMnO4溶液反應相對封閉，整個操作過程中SO2逸散少，不會造成實驗操作者的不適。同時為學生學習SO2污染的處理埋下伏筆。

3.在試管中加熱火柴，只有火柴頭燃燒（火柴梗不燃燒），減少了二氧化碳、一氧化碳和炭黑的產生，實驗相對干凈。

4.使KMnO4溶液顏色褪清所需要的含硫火柴用量少，既節約資源，又有利于環保。

5.將兩個實驗相結合，提高了課堂教學效率，極大程度地消除了單獨做加熱試管中火柴頭實驗時所產生的SO2氣體對空氣的污染，同時增強了實驗的趣味性，能有效地激發學生的學習興趣。

6.試管中液面上升的現象及壓強差原理的解釋，為后繼學生學習空氣中氧氣含量的測定（包括為什么選用紅磷而不選用木炭、為什么水進入集氣瓶容積的1/5及數據偏大或偏小的原因等問題）、各種裝置的氣密性檢查、啟普發生器的使用原理、通過水位升降或水柱移動協助判斷反應或溶解過程的熱量變化、協助判斷無明顯現象產生的氣體的水溶性及氣體和溶液反應的發生等內容打下實驗基礎，做好知識儲備。從而開拓了學生的思維，提高了學生設計實驗及動手實驗的能力。

［1］ 中學化學國家課程標準研制組.義務教育課程標準實驗教科書·化學 （九年級上冊）［M］.上海：上海教育出版社，2011：6，13

［2］ 王祖浩.化學教師教學指導書（九年級上冊）［M］.上海：上海教育出版社，2005：3