運用數字傳感儀檢測“模擬酸雨形成及防治實驗”的研究

薛 磊 羅 嘉 毛 明

（1 蘇州市立達中學校 江蘇 蘇州 215007；2 蘇州市教育科學研究院 江蘇 蘇州 215004）

一、問題提出

2012 版的滬教版 《化學（九年級下冊）》 教材第110 頁《第九單元 第3 節 環境污染的防治》中的《活動與探究》欄目，在原有的“硫酸型酸雨的形成實驗”中添加了一個亞硫酸與氫氧化鈣溶液中和反應的步驟，即：“將數字pH 計置于集氣瓶的水溶液中， 逐滴加入Ca（OH）2溶液，每滴加一次均記錄溶液的pH，并注意pH的變化”。 但教科書中這句話缺乏具體可操作性的引導，使得一線教師對于這個實驗產生了如下的困惑。

1. 硫粉的用量

硫粉在空氣中燃燒會產生具有刺激性氣味的二氧化硫氣體。 硫粉取用過多會導致生成的二氧化硫過多，而容易引起人感到不適。 那么，在實際演示實驗中，如何選擇一個合適的硫粉取用量？

2. 石灰水的用量

氫氧化鈣的溶解度較小， 飽和石灰水的濃度很小。 用該試劑進行中和反應時，所需滴加量會不會太多了？ 在課堂演示實驗中，會不會影響教學進度？

3. 石灰乳的可行性

既然飽和氫氧化鈣溶液的濃度太小，那么為什么不能用石灰乳來代替石灰水進行中和反應實驗呢？

為了更為直觀地反映出該中和反應過程中pH 的變化情況，筆者利用數字傳感儀等設備進行了實驗探索，試圖尋求一個比較合理的方案。

二、實驗用品

1. 試劑

蒸餾水、飽和氫氧化鈣溶液、熟石灰、硫粉。

2. 儀器和用品

集氣瓶（250mL）、燃燒匙、玻璃棒、特氟龍旋塞50mL 滴定管、塑料滴管、燒杯（100mL）、酒精燈、量筒（50mL）、火柴、藥匙、稱量紙、吸水紙、電子天平（型號LP202，精度0.01g）、愛迪生手持分析儀（配O2傳感儀、pH 傳感儀）、磁力攪拌器（78-1 型）等。

三、實驗步驟

（1） 硫粉取用量的探究

1.實驗步驟

①選取實驗點

本實驗點燃硫粉實驗的部分中，選用的氧氣為鋼瓶裝氧氣， 用排水集氣法進行收集， 集氣瓶容積為250mL。 收集后，用數字傳感儀的O2傳感器測定集氣瓶中氧氣的含量基本保持在80.0%（在通常情況下，氧氣的密度為1.429g/L）。 由此可以推算，若使其氧氣完全耗盡，需要硫粉的質量為：

故多組實驗中硫磺最大量選擇為0.29g。

根據黃金分割法選取數據點的原則， 我們在0.29g～0g 之間選取了硫粉6 個質量實驗點，并分別稱取三份，進行三次平行組燃燒實驗。

②配制二氧化硫的水溶液

根據各組實驗點的質量利用電子天平進行稱量，并將其轉移至燃燒匙中，點燃后迅速伸入盛有氧氣的集氣瓶（濃度80%）中燃燒。 待硫粉燃燒完全后，將燃燒匙移出，利用50mL 量筒量取50mL 蒸餾水，緩慢倒入集氣瓶中，蓋上玻璃片充分振蕩溶解，片刻后將溶液全部傾入一小燒杯中，再用數字傳感儀測定該溶液的pH。 多次實驗后，將實驗結果填入表1 中。

表1 用黃金分割法研究不同質量硫燃燒實驗的結果

（2）實驗結論

綜合上述實驗觀察，我們可以發現：如果硫粉取用量過多，一方面會有部分硫粉沒有完全燃燒，造成試劑浪費，另一方面，也會產生過多的二氧化硫，導致硫燃燒過程及其加水溶解過程中有較多的二氧化硫散失在室內空氣中，對人體有害。

因此綜合實驗效果以及環保意識， 我們建議在250mL 容積的集氣瓶中實驗，硫粉取用量比較合適的范圍是：0.04～0.07g。

2. 澄清石灰水、石灰乳分別與亞硫酸溶液的反應

（1）實驗準備

?

首先在50mL 特氟龍旋塞滴定管中緩緩加入50mL 飽和的澄清石灰水， 并按照圖1 的裝置圖將將磁力攪拌器、數字化傳感儀、滴定管、燒杯等儀器進行連接、調節、固定在合適的位置。

（2）實驗步驟及實驗現象記錄

圖1 實驗裝置圖

（3）飽和氫氧化鈣溶液與二氧化硫水溶液反應②A、B 兩組的集氣瓶中各取20mLSO2 水溶液，分別轉移至兩個100mL 的燒杯中，逐滴加入石灰水，堿液滴速控制在1 滴/秒左右，觀察現象當pH＝5～6 時，出現第一個突躍當pH＝8～9 時，出現第二個突躍當pH＝12．30 左右，溶液中開始出現渾濁當pH＝12．60 左右，溶液中渾濁現象明顯（2）當pH＝12 時，滴加氫氧化鈣溶液約30mL①將C、D 兩組溶液各取20mL， 分別轉移至兩個100mL 的燒杯，標記為C1、D1 組（4）石灰乳與二氧化硫水溶液反應②稱取0.1g 熟石灰粉末兩份， 倒入分別盛有5mL 和8mL 蒸餾水的燒杯中，用玻璃棒攪拌，標記為E、F 組③用膠頭滴管分別取E、F 組石灰漿各自逐滴加入至C1、D1 組燒杯，測定溶液pH，觀察實驗現象。（1）兩組石灰漿實驗的pH 變化曲線中，均能觀察到兩個突躍點。（2）1∶50 的石灰漿，滴加體積約為2.2mL，溶液的pH 達到12 以上。 1∶80 的石灰漿，滴加體積約為3.6mL，溶液的pH 達到12 以上。（3）pH 大于12 后，溶液中也出現渾濁。

（3）反應過程的pH 變化趨勢圖

圖2 飽和氫氧化鈣溶液與亞硫酸溶液反應的pH變化曲線

圖 配比為1∶50 的石灰漿與亞硫酸溶液反應的pH變化曲線

（4）實驗結論

通過上述石灰水和石灰乳的對比實驗可以看出：

（1）飽和石灰水和石灰乳滴加到二氧化硫氣體的水溶液中，pH 變化都會出現相似的兩個突躍。 但是，由于石灰乳中氫氧化鈣的含量要遠大于石灰水中的含量，從而使石灰乳的滴加量要遠小于澄清石灰水的用量。

（2）利用石灰水實驗，能清晰地觀察到生成亞硫酸鈣而引起的溶液渾濁現象，但是石灰乳本身就是懸濁液，實驗后產生的渾濁現象卻無法說明是生成了難溶性的亞硫酸鈣。

四、問題討論

1.亞硫酸溶液的pH 隨氫氧化鈣溶液滴加量的曲線分析

與經典的中和滴定實驗pH 變化曲線不同的是，亞硫酸與氫氧化鈣溶液反應時，pH 變化出現了兩段突躍。 原因可能是亞硫酸的一級電離與二級電離有關，即可能發生如下反應：

根據此圖像說明，諸多一線教師在平時的教學中存在一個誤區： 當石灰水滴入亞硫酸溶液至pH 達到7 后，以為中和反應恰好完全。這樣一個推論是有失偏頗的。 根據對上述圖像的分析，不難猜測，當pH＝7 時很有可能只是生成了Ca（HSO3）2，也只有當pH＝12 左右時，才能認為產生了CaSO3。 也正是這樣一個分析，可以比較合理地解釋“為什么當溶液pH＝7 時，卻沒有生成難溶性的CaSO3？ 為什么溶液pH＝7 左右沒有出現沉淀現象？ ”的問題。

同時在學生層面上來看，也能讓學生體會到“不同種酸與堿進行中和反應時，pH 的曲線變化趨勢可能有所不同”。

2. 石灰乳與石灰水的效果對比

通過本次實驗能夠讓學生直觀地體驗到石灰乳中氫氧化鈣量較多，能夠比較有效地用于改良酸性土壤；而飽和石灰水卻是氫氧化鈣的稀溶液，與亞硫酸溶液作用時消耗石灰水的量較多才能觀察到溶液pH變化的曲線。

這個研究也能讓學生體驗到石灰水稀的程度，感受到相同的化學反應，由于不同的濃度和量，其用途或作用會以不同方式進行。

3. 實驗結果的推廣與實踐

本次實驗的研究成果，筆者作為輔導者已運用于蘇州市直屬初中校全體化學教師（約110 人）的培訓，進而用于課堂教學的演示實驗，讓更多的學生得以觀察和體驗本實驗的魅力。