运用数字传感仪定量研究模拟酸雨形成与防治实验(修改版)

运用数字传感仪检测“模拟酸雨形成及防治实验”的研究
薛磊1罗嘉2毛明3
（1，2 苏州市立达中学校江苏苏州215007 3 苏州市教育科学研究院江苏苏州215004）
摘要：
“实践是检验真理的唯一标准。

”在沪教版九年级化学下册课本中新增的“亚硫酸与氢氧化钙实验”中缺乏足够的可操作性引导，同时也让一线化学教师产生诸多疑惑，如：“硫粉燃烧的取用量”、“石灰水的滴加量与溶液酸碱度的变化情况”以及“石灰乳的可行性”等。

笔者结合数字化感应仪等电子设备，对该实验进行了一系列的探究，力求从半定量的研究层面上为一线老师寻求相应的解答。

关键词：
数字传感仪硫粉取用量酸雨形成中和反应石灰水与石灰乳
1 问题提出
2012版的沪教版《化学（九年级下册）》教材第110页《第九单元第3节环境污染的防治》中的《活动与探究》栏目，在原有的“硫酸型酸雨的形成实验”中添加了一个亚硫酸与氢氧化钙溶液中和反应的步骤，即：“将数字pH计置于集气瓶的水溶液中，逐滴加入Ca(OH)2溶液，每滴加一次均记录溶液的pH，并注意pH的变化”。

但教科书中这句话缺乏具体可操作性的引导，使得一线教师对于这个实验产生了如下的困惑。

1.1硫粉的用量
硫粉在空气中燃烧会产生具有刺激性气味的二氧化碳气体。

硫粉取用过多会导致生成的二氧化硫过多，而容易引起人感到不适。

那么，在实际演示实验中，如何选择一个合适的硫粉取用量？
1.2 石灰水的用量
氢氧化钙的溶解度较小，饱和石灰水的浓度很小。

用该试剂进行中和反应时，所需滴加量会不会太多了？在课堂演示实验中，会不会影响教学进度？
1.3 石灰乳的可行性
既然饱和氢氧化钙溶液的浓度太小，那么为什么不能用石灰乳来代替石灰水进行中和反应实验呢？
为了更为直观的反映出该中和反应过程中pH的变化情况，笔者利用数字传感仪等设备进行了实验探索，试图寻求一个比较合理的方案。

2 实验用品
2.1试剂
蒸馏水、饱和氢氧化钙溶液、熟石灰、硫粉。

2.2仪器和用品
集气瓶（250mL）、燃烧匙、玻璃棒、特氟龙旋塞50mL滴定管、塑料滴管、烧杯（100ml）、酒精灯、量筒（50mL）、火柴、药匙、称量纸、吸水纸、电子天平（型号LP202，精度0.01g）、爱迪生手持分析仪（配O2传感仪、pH传感仪）、磁力搅拌器（78-1型）等。

3 实验步骤
3.1硫粉取用量的探究
3.1.1 实验步骤
（1）选取实验点
本实验点燃硫粉实验的部分中，选用的氧气为钢瓶装氧气，用排水集气法进行收集，集气瓶容积为250mL 。

收集后，用数字传感仪的O 2传感器测定集气瓶中氧气的含量基本保持在80.0%（在通常情况下，氧气的密度为1.429g/L ）。

由此可以推算，若使其氧气完全耗尽，需要硫粉的质量为：0.2858g 32
3280%250mL 1.429g/L (S)=⨯⨯⨯=m ，故多组实验中硫磺最大量选择为0.29g 。

根据黄金分割法选取数据点的原则，我们在0.29g~0g 之间选取了硫粉6个质量实验点，并分别称取三份，进行三次平行组燃烧实验。

（2）配制二氧化硫的水溶液
根据各组实验点的质量利用电子天平进行称量，并将其转移至燃烧匙中，点燃后迅速伸入盛有氧气的集气瓶（浓度80%）中燃烧。

待硫粉燃烧完全后，将燃烧匙移出，利用50mL 量筒量取50ml 蒸馏水，缓慢倒入集气瓶中，盖上玻璃片充分振荡溶解，片刻后将溶液全部倾入一小烧杯中，再用数字传感仪测定该溶液的pH 。

多次实验后，将实验结果填入表1中。

表1 用黄金分割法研究不同质量硫硫燃烧实验的结果
组号 硫的质量/g 气体溶于50mL 水 硫在氧气中燃烧现象 燃烧匙内固体剩余 计算量 称取值 pH 现象
1 0.2858 0.29 2.43 有强烈刺激性气味 剧烈燃烧，产生明亮的蓝紫色火焰，有浓厚的烟出现 有较多固体剩余 2.34 2.36
2 0.1792 0.18 2.42 有明显刺激性气味 剧烈燃烧，产生明亮的蓝紫色火焰，有浓厚的烟出现 有较多固体剩余 2.46 2.43
3 0.1108 0.11 2.53 有刺激性气味 剧烈燃烧，产生明亮的蓝紫色火焰，有浓厚的烟出现 有少量固体残留 2.52 2.57
4 0.0680 0.07 2.67 基本没有刺激性气味
剧烈燃烧，产生明亮的
蓝紫色火焰，有少量的烟出现 剩余极少量固体
2.69 2.65 5 0.0420 0.04 2.71 没有刺激性气味 剧烈燃烧，蓝紫色火焰比较微弱，有少量的烟出现 没有固体残留 2.91 2.81
6 0.0260 0.03 2.7
7 没有刺激性气味 燃烧时间较短，现象不太明显 没有固体残留 2.95 2.94
3.1.2 实验结论
综合上述实验观察，我们可以发现：如果硫粉取用量过多，一方面会有部分硫粉没有完全燃烧，造成试剂浪费，另一方面，也会产生过多的二氧化硫，导致硫燃烧过程及其加水溶解过程中有较多的二氧化硫散失在室内空气中，对人体有害。

因此综合实验效果以及环保意识，我们建议在250m 容积的集气瓶中实验，硫粉取用量比
较合适的范围是：0.04～0.07g 。

3.2澄清石灰水、石灰乳分别与亚硫酸溶液的反应
3.2.1 实验准备
首先在50mL 特氟龙旋塞滴定管中缓缓加入50mL 饱和的澄清石灰水，并按照图1的装置图将将磁力搅拌器、数字化传感仪、滴定管、烧杯等仪器进行连接、调节、固定在合适的位置。

图1 实验装置图 3.2.2 实验步骤及实验现象记录
实验步骤 实验现象记录
（1）分别取四份0.05g 硫粉，在盛有氧气的集气瓶中燃烧，标记为A 、B 、C 、D 组 燃烧现象明显，持续时间较长，熄灭后几乎没有固体残留
（2）将50mL 的蒸馏水倒入燃烧后的集气瓶中，充分振荡后，分别测四组溶液的pH A 组：pH=2.94
B 组：pH=3.02
C 组：pH=2.95
D 组：pH=2.94
（3）饱和氢氧化钙溶液与二氧化硫水溶液反应 ① 测饱和澄清石灰水的pH 饱和石灰水的pH=12.85
② A 、B 两组的集气瓶中各取20mLSO 2水溶液，分别转移至两个100mL 的烧杯中，逐滴加入石灰水，碱液滴速控制在1滴/秒左右，观察现象 （1）A 、B 两组的实验现象相似： 当pH=5~6时，出现第一个突跃 当pH=8~9时，出现第二个突跃 当pH=12.30左右，溶液中开始出现浑浊 当pH=12.60左右，溶液中浑浊现象明显 （2）当pH=12时，滴加氢氧化钙溶液约30mL
（4）石灰乳与二氧化硫水溶液反应 ① 将C 、D 两组溶液各取20mL ，
分别转移至两个100mL 的烧杯，
标记为C1、D1组 （1）两组石灰浆实验的pH 变化曲线中，均能
观察到两个突跃点。

（2）1∶50的石灰浆，滴加体积约为2.2mL ，溶液的pH 达到12以上。

1∶80的石灰浆，滴加体积约为3.6mL ，溶液的pH 达到12以上。

（3）pH 大于12后，溶液中也出现浑浊。

② 称取0.1g 熟石灰粉末两份，倒入分别盛有5mL 和8mL 蒸馏水的烧杯中，用玻璃棒搅拌，标记为E 、F 组 ③ 用胶头滴管分别取E 、F 组石灰浆各自逐滴加入至C1、D1组烧杯，测定溶液pH ，观察实验
现象。

3.2.3反应过程的pH变化趋势图
3.2.4实验结论
通过上述石灰水和石灰乳的对比实验可以看出：
（1）饱和石灰水和石灰乳滴加到二氧化硫气体的水溶液中，pH变化都会出现相似的两个突跃。

但是，由于石灰乳中氢氧化钙的含量要远大于石灰水中的含量，从而使石灰乳的滴加量要远小于澄清石灰水的用量。

（2）利用石灰水实验，能清晰地观察到生成亚硫酸钙而引起的溶液浑浊现象，但是石灰乳本身就是悬浊液，实验后产生的浑浊现象却无法说明是生成了难溶性的亚硫酸钙。

4问题讨论
4.1亚硫酸溶液的pH随氢氧化钙溶液滴加量的曲线分析
与经典的中和滴定实验pH变化曲线不同的是，亚硫酸与氢氧化钙溶液反应时，pH变化出现了两段突跃。

原因可能是亚硫酸的一级电离与二级电离有关，即可能发生如下反应：2H2SO3 + Ca(OH)2＝Ca(HSO3)2 + 2H2O；Ca(HSO3)2 + Ca(OH)2＝2CaSO3 + 2H2O。

根据此图像说明，诸多一线教师在平时的教学中存在一个误区：当石灰水滴入亚硫酸溶液至pH达到7后，以为中和反应恰好完全。

这样一个推论是有失偏颇的。

根据对上述图像的分析，不难猜测，当pH=7时很有可能只是生成了Ca(HSO3)2，也只有当pH=12左右时，才能认为产生了CaSO3。

也正是这样一个分析，可以比较合理地解释“为什么当溶液pH=7时，却没有生成难溶性的CaSO3？为什么溶液pH=7左右没有出现沉淀现象？”的问题。

同时在学生层面上来看，也能让学生体会到“不同种酸与碱进行中和反应时，pH的曲线变化趋势可能有所不同”。

4.2石灰乳与石灰水的效果对比
通过本次实验能够让学生直观地体验到石灰乳中氢氧化钙量较多，能够比较有效的用于改良酸性土壤；而饱和石灰水却是氢氧化钙的稀溶液，与亚硫酸溶液作用时消耗石灰水的量较多才能观察到溶液pH变化的曲线。

这个研究也能让学生体验到石灰水稀的程度，感受到相同的化学反应，由于不同的浓度和量，其用途或作用会以不同方式进行。

4.3 实验结果的推广与实践
图2 饱和氢氧化钙溶液与亚硫酸
溶液反应的pH变化曲线
图配比为1∶50的石灰浆与亚硫
酸溶液反应的pH变化曲线
本次实验的研究成果，笔者作为辅导者已运用于苏州市直属初中校全体化学教师（约110人）的培训，进而用于课堂教学的演示实验，让更多的学生得以观察和体验本实验的魅力。