環保便攜式二氧化硫的制備方法與性質實驗改進探研

李海志

摘 要：二氧化硫的性質是高考的重點，為了解決傳統實驗準備煩瑣、實驗耗時長、且因藥品過量而浪費大、污染環境等問題，可通過制備定量苯磺酸片劑和亞硫酸氫鈉片劑代替傳統的硫酸溶液和亞硫酸鈉粉末，制備含藥劑的干態棉團驗證二氧化硫的性質，也可以利用80%的丙酮水溶液做溶劑，然后將三個注射器和四個大肚管進行連接，構成一套微型二氧化硫制備與性質實驗裝置，通過實驗操作和觀察分析，掌握其性質。這樣的改進，能實現反應定量、高效、快速、安全、環保的效果。并且，片劑和干態棉團不易變質、便于儲存、攜帶和取用，且用藥量少、省時、經濟、操作簡便。

關鍵詞：化學課程;二氧化硫;制備;性質;微型實驗;固態制劑;操作簡便

中圖分類號：G633.8文獻標志碼：A文章編號：1008-3561（2019）08-0075-03

“二氧化硫的性質”是中學化學教材中十分重要的內容，人教版教材上的兩個實驗僅僅驗證了二氧化硫氣體的溶解性和漂白性，沒有全面體現出二氧化硫的性質，而要全面體現二氧化硫的性質，需要做進一步的實驗。然而一般的實驗方法所需藥品用量較大，容易產生浪費現象。此外，反應不是在封閉的環境下進行，導致二氧化硫氣體擴散，造成嚴重的空氣污染，危害師生健康。

微型實驗是指用少量或微量的試劑進行驗證、測定的實驗，實驗裝置簡單，操作方便，試劑用量少，安全性高，成本低，適合大多數中學化學實驗。目前，二氧化硫的性質微型實驗改進，主要體現在實驗裝置上。例如，可使用注射器代替分液漏斗加液，儲存氣體;可利用粉筆段或筆芯代替棉花球潤濕反應液，對二氧化硫的性質進行檢驗;可利用藥劑盒中的凹槽盛放試液，對二氧化硫性質進行檢驗。這些改進大都操作簡便，現象明顯，節約試劑，可降低二氧化硫的污染，但是仍然存在明顯的缺陷。（1）通常實驗室制備二氧化硫采用亞硫酸鈉與70%的硫酸反應，但是亞硫酸鈉是易溶于水的固體，一般呈粉末狀態，反應不易有效控制止停。而且硫酸腐蝕性強，且必須過量（降低二氧化硫在水中的溶解度），因此不易回收利用，這會產生污染。（2）與高錳酸鉀溶液或硫化鈉溶液反應時，其溶液因極易變質不能長期保存，必須現制現用。（3）反應后裝置內殘余過量的硫酸無法回收，會造成浪費和污染。

本文所倡導的實驗方法是利用微型實驗所具有的特點，在反應試劑的樣態上進行改進，將原來的液態試劑改變為固態制劑，這樣不易變質，便于儲存和攜帶。同時，在裝置上進行改進，通過定量制備二氧化硫和對二氧化硫反復反應和吸收，能最大程度地減小二氧化硫的殘留量，降低環境污染，充分體現綠色化學的理念。

一、反應原理

1.二氧化硫的制備

改進后的制備方法：C6H5-SO3H+NaHSO3=C6H5-SO3Na+ H2O+SO2↑。傳統制備方法：H2SO4+Na2SO3=Na2SO4+H2O+SO2↑。對比制備方法一：H2SO4+ 2 NaHSO3=Na2SO4+ 2H2O+2SO2↑。對比制備方法二：2C6H5-SO3H+Na2SO3=2C6H5-SO3Na+H2O+SO2↑。

2.二氧化硫性質

二氧化硫還原性：2KMnO4+5H2O+5SO2= K2SO4+2MnSO4+ 2H2SO4+ 3H2O。二氧化硫吸收原理：2NaOH +SO2=Na2SO3+H2O。二氧化硫氧化性：2Na2S+3SO2 = 3S↓+2Na2SO3。

二、實驗部分

1.實驗用品

苯磺酸、70%硫酸、亞硫酸鈉、亞硫酸氫鈉、丙酮、蒸餾水、品紅、高錳酸鉀、硫化鈉、氫氧化鈉、淀粉、脫脂棉。注射器（25 mL、50mL、75mL各1支），大肚玻璃管（5mL 4支、三通管3支、PC-5（5噸）壓片機、真空干燥箱1臺。

2.試劑制備方法

（1）制備苯磺酸片劑：用0.4g苯磺酸（2.5mmol）與0.1g淀粉混合后，用PC-5（5噸）壓片機壓制成直徑為9mm的圓形片。（2）制備亞硫酸鈉/亞硫酸氫鈉片劑：用0.26g亞硫酸氫鈉/ 0.315g亞硫酸鈉（2.5mmol）與0.1g淀粉混合后，用PC-5（5噸）壓片機壓制成直徑為9mm的圓形片。（3）制備氫氧化鈉的干態棉球：稱取4g氫氧化鈉固體（150mmol），加入60mL水溶解溶液后，加入直徑約為5cm的球形棉花團20個（一個棉團含5mmol氫氧化鈉，可吸收56mL SO2），浸泡后擠壓至不滴水，60℃真空干燥箱中烘干24小時，并密閉保存在廣口瓶中，置于干燥器中。（4）制備品紅的干態棉球：首先稱取1.2g 品紅粉末（4mmol），加入40mL水溶解溶液，加入直徑約為5cm的球形棉花團20個（一個棉團含0.2mmol品紅，可吸收4.48mL SO2），浸泡后擠壓至不滴水，放入70℃鼓風烘箱中烘干，并密閉保存在廣口瓶中置于干燥器中。（5）制備高錳酸鉀的干態棉球：首先稱取0.2528g高錳酸鉀晶體（1.6mmol），加入40mL水溶解溶液后，加入直徑約為5cm的球形棉花團20個（一個棉團含0.08mmol高錳酸鉀，可吸收4.48mL SO2），浸泡后，70℃鼓風烘箱中烘干，并密閉保存。（6）制備硫化鈉的干態棉球：首先稱取0.311g硫化鈉固體4mmol，加入40mL水溶解溶液后，加入直徑約為5cm的球形棉花團20個（一個棉團含0.133mmol硫化鈉，可吸收4.48mLSO2），浸泡后擠壓至不滴水，放入60℃真空干燥箱中烘干24小時，并密閉保存在廣口瓶中，置于干燥器中。

3.實驗裝置

本實驗的實驗裝置如圖1所示。

4.操作流程

（1）在容器1中，先分別加入n粒的亞硫酸鈉片和苯磺酸片。（2）在容器3中放入80%的丙酮水溶液5mL。（3）向干態棉球d、e、f、g上滴加2mL水充分浸潤后，用玻璃棒緩慢塞入大肚玻璃管4、5、6、7中。（4）將儀器 1～8用橡皮管連接起來。（如圖1所示）。（5）按照每一粒苯磺酸對應5mL 80%的丙酮水溶液，推動注射器3的活塞，拉動注射器1的活塞，使丙酮水溶液進入1中，溶解苯磺酸片與亞硫酸鈉反應制備二氧化硫。待產生大量氣泡時，迅速緩慢拉動注射器8的活塞，同時推動注射器1的活塞，使氣體向4、5、6、7、8容器擴散，并觀察各個棉花團的顏色變化。

三、結果和討論

1.丙酮與水混合比例討論

苯磺酸易溶于水和丙酮，二氧化硫易溶于水，難溶于丙酮，用丙酮和水的混合溶劑既能較好地溶解苯磺酸，增加酸的濃度，又能降低二氧化硫的溶解度，促使二氧化硫氣體溢出，因此需要探究混合溶劑中丙酮和水的最佳體積比。往注射器1中加入相同數量的不同體積比的丙酮水混合溶劑，與在容器1中先加入的亞硫酸鈉片和苯磺酸片進行反應，再打開開關A，向注射器里加入5mL溶劑，關閉開關A，測量反應完全后產生氣體的時間及體積。結果見表1。

溶劑為純水時，實驗剛開始時產生氣體的時間很慢，這是因生成的二氧化硫較少溶解在水中。隨著反應的進行，以及SO2的溶解逐漸飽和，產生速率逐漸加快。最后反應試劑濃度減少，反應速率減慢。整個反應時間為5分鐘，產生氣體總量23mL，與理論值56mL相比減少了一半多，這是因為大量的二氧化硫氣體溶解在水中。隨著丙酮濃度的增大，二氧化硫在溶劑中的溶解度逐漸減小，因此產生氣體的速度逐漸加快，時間延長，氣體總量增加。但是當溶劑為丙酮時，亞硫酸鈉基本上不溶解，苯磺酸的電離程度很弱，基本上不反應，因此最終選擇80%的丙酮水溶液做溶劑制備二氧化硫。

2.裝置圖中各個注射器的作用

注射器1盛裝亞硫酸鈉片和苯磺酸片，注射器3添加丙酮和水的混合溶劑，啟動后產生二氧化硫。實驗時，打開開關A和C，關閉開關B，推動注射器3的活塞，拉動注射器1的活塞，使加入的丙酮水溶液進入1中，溶解苯磺酸片，并與亞硫酸鈉反應制備二氧化硫。待產生大量氣泡時，迅速緩慢拉動注射器8的活塞，同時推動注射器1的活塞，使氣體向4、5、6、7容器擴散，待反應1min后，推動注射器8的活塞，拉動注射器1，反復推動或拉動注射器1和8，可使SO2被充分反應，當4、5、6、7中反應完全，關閉開關B，打開C，重復推動注射器8的活塞，拉動注射器1，使殘留的二氧化硫充分被氫氧化硫吸收。二氧化硫的吸收效果見表2。實驗結果表明，有注射器8時，二氧化硫的殘留較少，吸收效果較好。

3.吸附試劑的干態棉球與新制棉球對比

實驗時，將吸附試劑的干態棉球加2mL水后與二氧化硫反應，并和新制吸附試劑的棉球與二氧化硫反應的現象進行對比，實驗結果見表3。兩者現象一致，說明改變制劑樣態不影響二氧化硫制備及性質測定。

四、結論

在二氧化硫的制備與性質一體化微型實驗中，通過改變反應試劑樣態，將濕態反應試劑制成定量的干態的固體片狀或吸附有試劑的棉花球狀，實驗現象明顯。與濃硫酸相比，采用苯磺酸固體與亞硫酸鈉固體制備二氧化硫，更安全。采用干態吸附有試劑的棉球代替濕態浸有試劑的棉球，操作時，只需要滴加幾滴蒸餾水浸濕即可。干態試劑有利于保存，可以提前制備，密封保存不易變質，便于攜帶、保存和運輸。改進微型實驗裝置，設置由三個注射器及大肚玻璃管構成的裝置，通過推動或者拉動注射器可實現注射器內氣體的反復吸收，從而將裝置內殘余的二氧化硫量降到最低，大大地減少了二氧化硫對空氣的污染，踐行了綠色環保的化學理念。

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