二氧化硫性质实验的一体化设计

摘要

针对传统二氧化硫性质一体化实验中存在的问题，利用具支试管、注射器、气球等常规仪器，将二氧化硫的制取与性质实验有机融合，旨在实现实验过程的绿色化与集成化。改进后的实验不仅简化了操作步骤，提高了实验效率，还使现象更加明显，同时有效解决了尾气处理不彻底的问题，从而确保了整个实验的安全可靠与环境友好。

Graphical abstract

关键词

二氧化硫 / 性质实验 / 一体化 / 绿色化 / 设计

《普通高中化学课程标准（2017年版2025年修订）》明确指出，“不同价态含硫物质转化”为学生必做实验之一；同时，在学习活动建议中明确要求对“二氧化硫性质”进行探究^［1］。在人教版高中化学必修第二册中，二氧化硫的制取并非独立的教学内容，教材仅通过“铜与浓硫酸反应”这一性质验证实验来获得二氧化硫。该传统方法反应条件要求高（需加热）、药品消耗大且尾气处理复杂，作为课堂演示实验存在明显局限。人教版教材对二氧化硫性质的呈现存在结构化不足的问题，特别是其氧化性与还原性的实验设计较为薄弱，不利于学生知识体系的建构。在教学实践中，依据教材进行的传统演示实验通常在开放或半开放体系中进行，存在二氧化硫泄漏的风险，对师生健康及环境构成潜在威胁。这种“重知识、轻体验”的现状，削弱了学生对含硫物质转化的直观感知，难以有效支撑“宏观辨识与微观探析”等核心素养的落实。

1 已有改进分析

为了解决这一问题，不少学者对二氧化硫的制备与性质实验进行了改进，主要集中在以下几个方面。

（1） 二氧化硫制备与性质实验的一体化^［2-4］。

将二氧化硫的制备与性质检验整合在一起，实验现象固然明显，但实验装置的搭建和实验操作相对复杂。如余雅玲^［2］利用注射器、输液袋以及多通阀（6通的鱼缸增氧泵分流器）等进行装置搭建，实验所用材料生活化，密封性较好，通过滴壶开关可随时控制反应的发生。但在实际装置搭建中，各部分的连接口径需适配，且气密性检查需重复进行6次，耗时较长。

（2） 实验药品微量化和实验装置微型化^［5-10］。

节约了原料，减少了尾气的排放。如赖徐英等^［6］巧用集气瓶、医用注射液玻璃小瓶以及带针头注射器等实验器材设计了二氧化硫制备与性质检验的微量化装置，通过减少实验药品的用量，有效缩短了化学反应所需的时间。然而，将3个注射液玻璃小瓶固定在集气瓶中部的实际操作较为困难，且对二氧化硫漂白性的检验需单独用注射器吸取制得的二氧化硫气体，此过程容易造成二氧化硫气体泄漏，污染环境。

（3） 实验装置生活化。

对实验装置进行生活化改进，取材贴近生活、易获得，增加了实验的趣味性^［11-12］。如张曾栋等^［12］利用棒棒冰塑料包装筒、饮料瓶盖、药丸板等常见物品，设计了二氧化硫的制备与性质检验一体化装置，实验原料易获得，操作简单。但在进行二氧化硫漂白性不稳定性质检验时，需要用激光笔照射药丸板使其升温，若未均匀变换照射角度，则塑料长时间受热后易燃烧，存在安全隐患。

（4） 二氧化硫制备高效化。

在二氧化硫制取上，采用固液不加热装置制备二氧化硫，产生气体量多，用时较短。

上述改进措施在一定程度上提升了实验效果，但在实验过程中仍存在装置结构复杂、试剂添加烦琐、操作不便，以及尾气处理不当导致的环境污染等问题。为了克服这些难题，并遵循简化流程、提高效率、便于操作，以及绿色环保的设计理念，笔者设计了一套集二氧化硫制备与性质探究于一体的实验装置，旨在通过优化结构、简化步骤，实现实验的便捷性与环保性的双重提升。实践证明，采用该装置演示实验时，不仅现象明显，而且有助于学生形成对二氧化硫性质的系统认知，促进其“宏观辨识与微观探析”化学学科核心素养的发展。

2 实验原理

（1） SO₂制备：Na₂SO₃+H₂SO₄（浓）=Na₂SO₄+SO₂↑+H₂O。

（2） SO₂酸性氧化物性质：SO₂+H₂O⇌H₂SO₃，使紫色石蕊试纸变红；SO₂（少量）+2NaOH=Na₂SO₃（碱性）+H₂O、SO₂（过量）+NaOH=NaHSO₃（酸性），利用这一性质可用于二氧化硫的尾气处理。

（3） SO₂漂白性：使品红溶液褪色。

（4） SO₂还原性：5SO₂+2KMnO₄+2H₂O=2MnSO₄+2H₂SO₄+K₂SO₄，使高锰酸钾溶液褪色。

（5） SO₂氧化性：3SO₂+2Na₂S=3S↓+2Na₂SO₃，有淡黄色沉淀产生。

3 实验用品

仪器：20 mL 注射器2支、具支试管3支、橡胶塞（无孔、单孔、双孔各1个）、玻璃导管、乳胶管、止水夹2个、滤纸条（定性滤纸，10 mm×15 mm）、铁架台、酒精灯、气球、单联打气球（或洗耳球）、镊子。

药品：紫色石蕊溶液、酸性KMnO₄溶液（0.1 mol/L）、酚酞溶液、NaOH 溶液（1.0 mol/L）、Na₂SO₃固体、浓硫酸（质量分数98%）、Na₂S溶液（1.0 mol/L）。

4 实验内容

4.1 实验装置

新设计的二氧化硫制备与性质实验一体化装置如图1所示。

4.2 实验步骤及现象

（1） 实验装置气密性检验。

装入药品前，按图1所示组装好实验装置。打开止水夹1和2，随后通过单联打气球鼓入空气，若观察到气球体积膨胀，注射器1和注射器2的活塞芯杆明显上移，说明实验装置气密性良好。

（2） 添装实验药品。

向具支试管1中加入2 g Na₂SO₃固体，并用注射器1吸取6 mL浓硫酸；向具支试管2中加入10 mL蒸馏水，并滴加2滴品红溶液，再用镊子分别夹取浸润有KMnO₄溶液和紫色石蕊溶液的滤纸条，置于具支试管口下端；往具支试管3中加入10 mL 1.0 mol/L的Na₂S溶液，向注射器2中吸入20 mL 1.0 mol/L含酚酞的NaOH溶液，最后按图1所示连接好装置。

（3） SO₂气体制备及性质探究。

打开止水夹1和止水夹2，将浓硫酸缓缓注入具支试管1中，观察到气球体积略微膨胀，具支试管2中湿润的紫色石蕊滤纸条变红，说明SO₂易溶于水生成酸；观察到浸有酸性高锰酸钾溶液的滤纸条发生褪色现象，说明SO₂具有还原性；观察到滴加品红溶液的水由红色变为无色，说明SO₂具有漂白性；观察到具支试管3中的Na₂S溶液变浑浊，有淡黄色沉淀产生，说明SO₂具有氧化性；当关闭止水夹1和止水夹2后，用酒精灯对具支试管2进行加热，观察到溶液颜色又恢复为原来的颜色，且气球膨胀体积明显增大，说明SO₂与水的反应是一个可逆反应，同时也说明SO₂的漂白性不稳定，也具有可逆性。

（4） 尾气吸收处理。

性质检验完后，用单联打气球将装置内残余的SO₂气体赶至具支试管3中，通过注射器2中含酚酞的NaOH溶液进行吸收，若观察到溶液一直保持红色或者红色变浅，则说明SO₂被吸收完全。

4.3 实验注意事项

（1） 必须确保实验装置气密性良好，否则在验证可逆反应的时候观察不到气球的体积变化，实验现象不明显。

（2） 品红溶液的浓度不宜过高，否则需消耗更多二氧化硫才能完全褪色，且在有限气体用量下易导致褪色不完全，影响到对“漂白性”的定性判断。

（3） 硫化钠溶液应当即时配制并即时使用，因为长时间放置的硫化钠溶液，可能会与空气中的氧气发生反应，从而导致溶液性质发生变化，进而影响到后续实验中对淡黄色沉淀的观察。

5 改进优点

（1） 实验绿色环保。

整个实验过程都在密闭条件下进行，且最后的尾气处理可通过溶液颜色变化来定性判断SO₂是否被吸收完全，符合绿色化学理念。

（2） 宏微结合，深化概念理解。

在一体化的实验装置中，同时验证了SO₂与水、SO₂使品红溶液褪色是可逆反应等实验。巧妙运用气球体积的宏观变化作为视觉线索，能直观展现化学反应的动态过程，将抽象的可逆反应概念融入具体实验之中，有利于学生“宏观辨识与微观探析”化学核心素养的发展。

（3） 实验装置一体化，性质探究全面化。

新设计的装置，可同时进行SO₂的制备与性质探究，简化了操作流程，实验现象明显，使实验更加便捷高效。而通过控制装置中的止水夹，既可对SO₂的性质进行分步检验，也可同时进行SO₂性质的全面检验，耗时短、效率高。此外，此装置不仅适用于教师演示实验，也适用于学生分组实验。

（4） 实验仪器常见易得。

本实验选用具支试管、气球、注射器、铁架台等常规仪器，实验装置搭建容易，实验仪器易获得。相较于一些定制仪器，新设计的装置在药品添加上也十分方便。

参考文献

[1] 中华人民共和国教育部. 普通高中化学课程标准（2017年版2025年修订） ［S］.北京：人民教育出版社，2025．

[2] 余雅玲.二氧化硫制备与性质一体化实验改进［J］.实验教学与仪器，2023，40（11）：56-57.

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[4] 李香艳，王朝晖，凌云.SO₂制备及性质实验的一体化设计［J］.实验教学与仪器，2022，39（7/8）：69-70.

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[10] 唐卫.绿色化学理念下高中化学实验教学的创新设计研究：以二氧化硫的制备及性质实验为例［J］.求知导刊，2025（32）：32-34.

[11] 吴霞，刘亚莉，刘茜，等.二氧化硫制备和性质实验的简易装置设计［J］.化学教学，2024（02）：72-75.

[12] 张曾栋，莫尊理，裴贺兵，等.二氧化硫的一体微型生活化实验［J］.化学教育（中英文），2022，43（15）：102-103. （上接第99页）

[13] 注入稀盐酸，以中和未完全逸出的氨气；当铜与浓硝酸反应后，用注射器向反应试管中注入氢氧化钠溶液，吸收未逸出的二氧化氮气体；等等。