利用數字化實驗探究硫酸型酸雨的形成

姬欣睿

摘要：借助數字化實驗，測量SO2空氣的混合氣體溶于水后，SO2濃度、pH的變化，驗證SO2（g）+H2O=H2SO3反應的存在，并進一步提出酸雨形成機理的探究性問題。將sO2與O2依次通入水中，分析pH的變化曲線，探究酸雨形成過程中的化學反應：SOz（g）+H2O=H2SO3，H2SO3=H⁺+HSO3;2H2SO3+O2=2H2SO4，H2SO4=2H⁺+SO4^2-。

關鍵詞：數字化實驗;酸雨;電離平衡;氧化還原反應;定量探究

文章編號：1008-0546（2019）05-0092-04

中圖分類號：G633.8 文獻標識碼：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2019.05.029

一、問題提出

人類活動產生的sO2和氮氧化物氣體排放到空氣中，被雨水吸收并發生化學反應，形成pH<5.6的酸雨。我國以含硫量高的煤炭為主要燃料，煤炭中的硫元素，在燃燒時生成sO2氣體，形成硫酸型酸雨。九年級化學教材（下冊）第十一單元“化學與社會發展”第四節“化學與環境保護”Ⅲ，高中化學教材（必修1）第四章“非金屬及其化合物”第三節“硫和氮的氧化物”，都把硫酸型酸雨作為綠色化學內容的核心知識，教科書設計了豐富多彩的活動重點探討硫酸型酸雨的形成：活動與探究、資料卡片、社會實踐活動等。

文獻表明，學者們大多通過改進傳統教學實驗、開發基于數字化實驗的現代探究實驗兩個方面來設計實驗模擬硫酸型酸雨的形成：（1）改進傳統的教學實驗。如：改用三口燒瓶、錐形瓶、玻璃水槽等作為反應器;改用燃燒單質硫產生SO2;改用酸度計、紫羅蘭花瓣、石蕊試紙、pH試紙來測量酸雨的酸性強弱。（2）利用現代化的數字化實驗開展模擬硫酸型酸雨形成的實驗，如用pH傳感器測定不同濃度sO2水溶液的pH。綜上，模擬硫酸型酸雨形成的實驗大都聚焦于SO2與H2O反應生成的水溶液顯酸性這一點上，較少關注酸雨形成過程中SO2濃度、溶液酸性的變化趨勢。加上高一還沒有學習電離平衡知識，這就很容易產生錯誤認識，認為sO2溶于H2O只發生SO2（g）+H2O=HzSO3的反應。模擬硫酸型酸雨的形成，分析酸雨形成過程中sO2濃度、溶液酸性的變化曲線，能夠引發認知沖突，促使學生自己提出探究性問題，開展“真實的探究活動”，來探究硫酸型酸雨的形成機理。

本研究首先模擬硫酸型酸雨的形成，利用數字化實驗測量SO2濃度、pH的變化，繪制sO2濃度、pH隨時間變化的曲線，驗證sO2與H2O反應生成H2SO3的事實，并提出探究性問題。然后，設計硫酸型酸雨形成機理的探究實驗，利用數字化實驗測量pH的變化，繪制pH隨時間變化的曲線，以探析硫酸型酸雨形成過程中發生的化學反應。

二、模擬硫酸型酸雨的形成

大氣中SO2濃度≥0.5ppm時，對人體有潛在影響;1～3ppm時，多數人開始感到刺激;10～15ppm時，呼吸道纖毛運動和粘膜的分泌功能均受到抑制;達到20ppm時，引起咳嗽并刺激眼睛;400-500ppm時，出現潰瘍和肺水腫直至窒息死亡。我國大氣環境質量標準規定居住區大氣中最高容許濃度為：0.06ppm（日平均），0.19ppm（任何一次）。

模擬硫酸型酸雨形成的實驗中，需要測量S02氣體的濃度和水溶液pH的變化。SO2傳感器量程小（≤20ppm），需要控制SO2氣體的濃度不要過大。但是，如果SO2濃度太小，則pH變化不明顯。綜合考慮大氣中sO2濃度的實際情況和實驗條件的限制、要求，筆者認為模擬酸雨形成的實驗中應將sO2濃度控制在20ppm左右，且在測量pH變化的實驗中，還要持續通入sO2與空氣的混合氣體。因此，需要分別開展測量SO2濃度和溶液pH的實驗：測SO2濃度變化時，向三口瓶通入sO2與空氣的混合氣體，調節SO2與空氣的通人量，當sO2濃度基本穩定在20ppm時，停止通入SO2和空氣的混合氣體，加入少量的水，觀察“sO2-t”的變化曲線;測pH變化時，持續將sO2和空氣的混合氣體通入大量水中，觀察“pH-t”的變化曲線。

1.實驗試劑及儀器用品

儀器：平板電腦、DISLab8.0數據采集器、SO2傳感器、pH傳感器、三口瓶、橡皮塞、注射器、止水夾、錐形瓶、分液漏斗、打氣球、燒杯。

實驗藥品：Na2SO3固體、70%H2sO4溶液、H2O、NaOH溶液。

2.實驗裝置

3.實驗步驟和現象

（1）如圖1搭建實驗裝置：組裝固液反應氣體發生器，向分液漏斗中加入適量的70%HzSO4溶液，向錐形瓶中加入一定量的NazSO3固體;連接平板電腦、數據采集器、二氧化硫傳感器、pH傳感器，打開平板電腦，進入DISLab8.0“通用軟件”。

（2）調節分液漏斗旋塞，將70%H2SO4溶液滴人盛有Na2SO3固體的錐形瓶中，將生成SO2氣體通過多孔球泡，通人盛有NaOH溶液的三口瓶，并用打氣球向其中鼓入空氣。

（3）把二氧化硫傳感器軟件調零后，打開“組合圖線”，添加“S02-t”圖線，顯示三口瓶⑥內SO2氣體濃度的變化。

（4）調節多孔球泡浸沒入NaOH溶液中的程度和鼓入的空氣量，使三口瓶⑥內SO2氣體濃度保持在20ppm基本不變。

（5）停止通入SO2和空氣的混合氣體。

（6）用注射器向三口瓶⑥中緩慢注入約5mLH2O，振蕩，觀察“SO2-t”曲線的變化（如圖2）。

（7）向三口瓶中加入約50mL蒸餾水。

（8）把pH傳感器軟件調零后，打開“組合圖線”，添加“pH-t”圖線表示三口瓶內pH的變化。

（9）將SO2和空氣的混合氣體持續通入三口瓶⑥中，觀察“pH-t”曲線的變化（如圖3）。

4.結果與討論

（1）sO2與空氣的混合氣體通入水中，發生反應生成H2SO3和其它酸性物質。

如圖2，將濃度為20ppm的SO2與空氣的混合氣體通人三口瓶中，SO2氣體的濃度逐漸上升。最后，基本維持在20ppm保持不變。加入少量H2O，振蕩三口瓶，sO2的濃度逐漸下降，最后基本維持在5ppm保持不變。這說明，SO2能夠溶解于水中，且存在一定的溶解限度。

如圖3，將濃度為20ppmSO2與空氣的混合氣體持續通人50mL水中，溶液顯酸性，且溶液的pH逐漸降低。

綜上，SO2溶于水，達到一定程度后，盡管二氧化硫的濃度保持不變，但溶液的pH卻始終保持逐

四、實驗設計特色

1.實驗既能夠驗證自己的假設，又能夠促使自己繼續提出問題

一方面，通過“觀察模擬酸雨形成的實驗”可以驗證自己提出的初步假設：SO2和H2O反應能夠生成H2SO3。另一方面，在觀察SO2濃度、pH變化曲線時也會產生困惑：反應進行到一定階段后，SO2濃度就會像“靜止”下來一樣，不再發生變化。但是，pH卻持續下降。由于高一還沒有學習化學反應限度的知識，又不知道H2SO3可以被O2氧化為H2SO4，這就產生了認知沖突，進而引發自己開展下一步的探究活動。

2.實驗操作更容易

在模擬硫酸型酸雨形成的實驗中，將SO2與空氣混合氣體發生器、pH傳感器、SO2傳感器、尾氣吸收裝置安裝在三口瓶上，并加入藥品。實驗中用調節多孔球泡浸入氫氧化鈉溶液的程度和鼓入空氣的量，來控制SO2的濃度。在探究硫酸型酸雨的形成機理的實驗中，將用三通連接起來SO2氣體發生器與O2氣體發生器、pH傳感器、尾氣吸收裝置安裝在三口瓶上，并加入相應的藥品。實驗中用旋塞控制反應的進行與停止，用止水夾控制向三口瓶中通入SO2、O2。這些將繁瑣的實驗操作系統化、整合化的實驗改進措施，增強了實驗的可操作性，使得本來由2～3名同學協作才能完成的實驗操作，自己就能輕松完成。

3.實驗結果的圖形化

將SO2氣體濃度、水溶液pH值的數據信息轉化為“SO2-t”和“pH-t”變化曲線，能夠直觀發現S02氣體濃度、水溶液pH變化的趨勢，驗證自己的初始假設，并提出探究性問題，開展探究活動，從而掌握抽象的化學反應限度理論知識。數字化實驗，重視通過獲取具體實驗數據來說明問題。通過分析處理數據，能夠幫助自己更好地學習抽象的化學理論。但是，數據的精密度和偶然誤差問題，使得發現數據變化的趨勢較為困難。通過處理數據符號，來建構抽象的化學理論，也會加大自己的認知負荷。將數據符號轉變為數據圖形，使得更容易把握數據信息變化的基本趨勢，容易發現數據圖形“蘊含”的抽象的化學理論，又降低了自己的認知負荷。實驗數據信息的圖形化，可以使自己更加高效地掌握抽象的化學反應理論知識。

4.強化安全意識和環保意識

在模擬硫酸型酸雨形成過程中，需要制備大量SO2氣體，如果氣體散逸到實驗室中，會對人體健康和環境產生危害，應該采取必要的措施加以避免。實驗在通風櫥內進行，并將SO2尾氣通入NaOH溶液中加以吸收，減少了對環境的污染。這些防止環境污染的措施，會在潛移默化中強化學生的安全意識和環保意識。