二氧化硫制備及性質實驗改進教學設計

何翔

摘要： 針對當前科學實踐教學存在的問題，基于科學實踐與科學認識協同發展的模型，以“二氧化硫的制備及性質的改進”為例，進行實驗教學設計及改進。改進后實驗的裝置簡易、避免了氣體污染、更利于實驗的推廣，使教學更能有效激發學生的思維，以及體驗更有趣的學習過程。

關鍵詞： 二氧化硫制備； 二氧化硫性質； 實驗改進; 教學設計

文章編號： 1005-6629（2023）03-0066-03

中圖分類號： G633.8

文獻標識碼： B

1? 問題的提出

新版義務教育課程標準提出學科實踐的新概念［1， 2］。學科實踐在科學學科教學的體現就是科學實踐［3， 4］。科學實踐是在一般的科學探究要素的基礎上增加了模型建構、評論與評價等高階思維活動。元素化合物知識是科學實踐教學的重要載體，也承載發展學生科學認識的重要功能。有關文獻表明，國內外科學教育在科學實踐教學與科學認識教學上存在以下三個方面的問題：第一，科學實踐教學強調根據探究的流程進行機械化的操作，難以發展科學探究實踐能力；第二，科學認識教學停留在具體知識上，沒有形成結構化和功能化的學科核心概念；第三，科學實踐與科學認識的教學割裂，單一強調動手或動腦［5］。

關于如何促進科學實踐與科學認識協同發展，孔思敏、王磊等人提出了促進中學生科學實踐與科學認識協同發展的思維教學模型，該模型由四個維度組成［6］。左維“學科認識方式”與下維“學科核心知識”構成科學認識，上維“學科實驗活動及問題情境”、右維“一般科學實踐”和“學科能力活動”組成“科學實踐”。四維協調運作，能夠促進學生科學實踐與科學認識的協同發展。

基于四維模型，我們以“二氧化硫的制備及性質改進”為例，開展教學探索。普通高中化學課程標準（2017年版2022年修訂）對于這部分內容的要求是：通過實驗了解掌握硫及其氧化物的主要性質，認識其在生產中的應用和對生態環境的影響［7］。按照人教版（2019）化學教材必修二第五章實驗［5-1］“二氧化硫溶于水”和［5-2］“二氧化硫的漂白作用”的方法進行實驗時發現存在以下問題：

（1） 需要課前制備二氧化硫收集并保存于試管中，制取過程中試劑用量大，二氧化硫易逸散，以致課堂演示實驗或分組實驗現象不明顯，甚至不能使品紅褪色。

（2） 由于制備與性質探究實驗均在敞開的環境中進行，有毒的二氧化硫若逸散，將污染教室空氣。

（3） 教材實驗只驗證了二氧化硫水溶液的漂白性，酸性；對二氧化硫的氧化性、還原性并未涉及，而這些性質又是高中化學教學的重點內容。

基于上述分析，我們進行了如下教學設計：（1）設計真實問題情境：改進空氣報告，從化合價和物質類別的分析角度認識二氧化硫的性質；（2）提出挑戰性任務：設計探究二氧化硫性質的實驗方案；（3）分析實驗方案，從生活化、避免氣體污染的角度進行實驗改進。

2? 教學目標

（1） 掌握二氧化硫的化學性質及其用途；

（2） 組織分組討論，設計實驗，根據實驗現象得出物質的化學性質；

（3） 通過STEAM原理、改造和創新實驗裝置，體驗科學探究的過程；

（4） 通過聯系生活常見用品，改進實驗的探究活動，培養創新精神和

社會責任等核心素養。

3? 教學方法

由空氣質量報告情景引入，引導學生探究二氧化硫性質，確定本實驗裝置的改進方向，教師引導學生共同討論出實驗方案，小組合作實驗，實驗后交流、評價，然后對實驗設計再優化，最后推廣應用，總結并反思提煉。SO2的性質創新實驗中使用采氣袋、普通注射器、醫用輸液器等用品，使得學生感到驚奇——“原來實驗也可這樣做”。課堂教學實驗不應一味遵循教材，而應結合生活實際設計創新實驗，做到操作簡單，現象明顯，更重要的是能激發學習的興趣和熱情，提高學習效果。

4? 教學過程

4.1? 裝置改進階段，分析認識二氧化硫性質的角度

從化合價和物質類別分析來說，傳統的實驗裝置若要同時進行二氧化硫水溶液的酸性、漂白性、氧化性和還原性的實驗，必須事先制備遠超出實際反應用量的二氧化硫氣體，不符合環保理念。

4.2? 裝置優化階段，深化二氧化硫性質的認識角度

引導學生從生活中常見的器具入手，對二氧化硫的制備及性質實驗進行了改進設計，這樣不僅能隨時制取二氧化硫氣體，同時能驗證高中化學要求掌握的二氧化硫氣體的所有性質。此外，實驗儀器易獲取，并且實驗過程環保、安全、快捷、易操作，現象明顯，能感受二氧化硫的多種性質，滿足了教師演示和學生分組實驗的要求，值得在中學推廣。

4.2.1? SO2的制備改進實驗

傳統教學常用亞硫酸鈉與70%的濃硫酸反應，以制備二氧化硫［8］，但使用該原理制備二氧化硫，反應比較劇烈，放出大量的熱。若使用市面上易得的焦亞硫酸鈉，只需要與50%硫酸即可發生反應，反應原理為：Na2S2O5+H2SO4Na2SO4+2SO2↑+H2O。而且反應較為溫和，放熱較少。本實驗選用2.5g焦亞硫酸鈉與4mL 50%硫酸反應，采用固液不加熱的氣體發生裝置，制備約250mL二氧化硫氣體，最終利用50mL分液漏斗和生活中的20mL注射器的構造對比［9］，設計了上述氣體發生裝置。應用注射器，便于隨時控制反應速率和反應進程，更能充分地利用實驗藥品，然后用帶軟管的輸液器作為導氣管，將產生的SO2氣體導入并封存于500mL的采氣袋中［10］。本設計環保，取用方便，很好地克服了二氧化硫的逸散污染問題。

4.2.2? SO2的性質改進實驗

實驗1? SO2的水溶性

展示預先收集有約250mL SO2氣體的無色透明的密封采氣袋，讓學生觀察氣體顏色，然后取一支注射器，抽取約10mL水（常溫下1體積水大約能溶解40體積SO2），并通過注射器針頭注入盛有SO2的采氣袋內，搖晃采氣袋，觀察現象。

充有SO2氣體的采氣袋遇水振蕩后迅速變癟，很好地展現了SO2的水溶性，現象明顯、操作簡單，且所得到的SO2水溶液可供后續幾個實驗使用，一舉多得。

實驗2? SO2的酸性

用注射器抽取9mL上一步實驗所得的SO2水溶液，現配現用，將2mL該溶液注入20mL規格的試管中，注入溶液后注意用蓋子密封注射器，防止二氧化硫逸散。向試管中滴加石蕊試液，并用橡膠塞塞緊試管，觀察到溶液變紅。

證明SO2水溶液呈酸性，也可用注射器滴一滴SO2水溶液在pH試紙或藍色石蕊試紙上觀察，判斷SO2水溶液的酸堿性。

實驗3? SO2的漂白性

另將2mL SO2水溶液注入到20mL規格的試管中，滴入一滴品紅溶液，振蕩發現品紅褪色；然后用酒精燈加熱試管，觀察到品紅恢復原色。

二氧化硫漂白過程具有可逆性、不穩定性等特點，是學習重點，也是難點，實驗3有效地解開了留存在學生心頭的疑慮，使得學生豁然開朗。

實驗4? SO2的氧化性

用注射器向預先收集有150mL H2S氣體的密封采氣袋中注入3mL SO2水溶液，搖晃采氣袋，觀察到采氣袋變癟，有淡黃色沉淀生成。

反應原理為：SO2+2H2S3S↓+2H2O，按照化學計量比使用H2S氣體和SO2水溶液，裝置安全環保，操作簡單，現象明顯，趣味性強，使學生既獲得了SO2具有氧化性的相關知識，又在自主實驗中體驗到探究的樂趣。

實驗5? SO2的還原性

將2mL SO2水溶液注入到20mL規格的試管中，滴加幾滴BaCl2溶液，振蕩，無明顯現象；打開輸液閥門，向試管中連續充入密封在采氣袋中的氧氣（或滴加雙氧水），觀察溶液出現白色渾濁。

對SO2與BaCl2溶液反應實驗驗證前，可設置探究問題讓學生判斷分析：“SO2與BaCl2溶液能否反應，若能，其現象將如何，并試寫出其中的反應的化學方程式；若不能，試說明理由。［11］”設置這一問題的原因是不少學生認為SO2與BaCl2溶液能反應并生成BaSO3沉淀，甚至寫出了錯誤的化學方程式：“SO2＋BaCl2＋H2OBaSO3↓＋2HCl”；但結合實驗“將SO2水溶液注入少量BaCl2溶液中”，發現該實驗并未出現預期的沉淀現象，那么原因是什么？實驗現象與預期結果產生了矛盾，這將促使學生進行積極的深入思考，以尋找問題的根本；學生的思維處于興奮狀態，一旦找到問題的答案，就能遷移解決長期困擾的諸如“CO2與CaCl2溶液不能反應”等類似問題。之后，再進行SO2與氧氣、氯氣、雙氧水的氧化實驗，通過觀察白色沉淀，驗證了BaSO4生成，有效解決了學習難點。

5? 效果評價

課堂學習重點的落實、難點的突破需要有效的學習情境與激發學生思維，筆者結合“二氧化硫的制備和性質”教學，設計了一系列改進實驗，以促進學生的深度學習。將課外無目標的低效預習和復習，替換成發現問題、假設、尋證、交流、初步結論、評價、完善結論等學習過程，學生經由深度加工而主動學習且學會學習。回顧本節課的實驗教學，有如下亮點：

（1） 裝置簡易。整個裝置安裝簡易，操作簡便，一般能在3min內用這套氣體發生裝置完成二氧化硫的制取，裝置透明，便于觀察實驗現象。

（2） 無污染氣體排放。在準備實驗階段，采氣袋能較好地封存有毒氣體，防止逸散。性質驗證實驗的裝置密閉，反應過程中最大程度地避免了污染氣體排放。且反應結束后，向采氣袋內注射少量NaOH溶液，即可處理尾氣，全程實現無污染氣體排放，保護教室和實驗室環境。

（3） 可推廣到多種氣體。該裝置也可以推廣到多種氣體，特別是有毒氣體的制備及性質實驗中，如氯氣、氨氣、硫化氫等。該裝置的成本低廉，有利于推廣。

總之，基于創新實驗改進下的課堂學習使學生既獲得了SO2性質的相關知識，又體驗了解決疑難問題的不同方法，更是有效激發了學生的思維，體驗到有趣的學習過程。

參考文獻：

［1］中華人民共和國教育部制定. 義務教育化學課程標準（2022年版）［S］. 北京： 北京師范大學出版集團， 2022.

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［7］中華人民共和國教育制定. 普通高中化學課程標準（2017年版2020年修訂）［S］. 北京： 人民教育出版社， 2020.

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［10］石磊， 李德前. 研讀課程標準? 關注教材變化——以“二氧化硫的性質和應用”教學為例［J］. 化學教學， 2020， （8）： 43～48.

［11］喬月東. 關于二氧化硫通入氯化鋇溶液有關現象的探究［J］. 化學教學， 2007， （8）： 7～8.