濃硫酸使蔗糖脫水實驗的改進與創(chuàng)新

高飛

摘要： 對蔗糖與濃硫酸的“黑面包”實驗，在保留良好的觀賞性和展示效果的基礎上進行改進和創(chuàng)新設計，兼顧微型化的產物檢驗，充分挖掘該實驗的探究價值和知識價值，同時考慮實驗的攪拌及后續(xù)固體產物處理的方便性，對產生的污染氣體巧妙處理，體現(xiàn)環(huán)保理念和綠色化學思想，加強了對學生科學素養(yǎng)的培養(yǎng)。

關鍵詞： 蔗糖脫水； 濃硫酸； 黑面包實驗； 實驗改進

文章編號： 1005-6629（2018）6-0067-03 中圖分類號： G633.8 文獻標識碼： B

1 實驗的價值及存在的問題

硫酸是化學工業(yè)及科研中最重要的化學試劑，濃硫酸的性質是元素化學知識中的重要組成部分，脫水性是濃硫酸一大性質。濃硫酸使蔗糖脫水實驗（俗稱“黑面包”實驗）是中學化學教學中的經典實驗，是高中階段學生最感興趣的實驗之一。這都源于該實驗令人震撼的展示效果： 少量的試劑最后能變成膨大數(shù)倍的“黑面包”，極具觀賞性，令觀察者印象頗為深刻。通過該實驗，學生可以認識和掌握相關物質的性質，在此過程中，還可以挖掘對學生的創(chuàng)新意識及環(huán)保思想等科學素養(yǎng)培養(yǎng)的價值。

現(xiàn)行人教版高中教材的做法如下： 在燒杯中放入蔗糖，滴入適量水，攪拌均勻，然后再加入濃硫酸，迅速攪拌，觀察實驗現(xiàn)象[1]。蘇教版中的做法有所不同： 取2g蔗糖放入大試管中，加2～3滴水，再加入約3mL濃硫酸，迅速攪拌，然后塞上帶玻璃導管的橡皮塞，將玻璃導管的另一端插入盛有品紅溶液的試管中，觀察實驗現(xiàn)象[2]。這兩種做法現(xiàn)象明顯直觀、操作簡單且不失趣味性和視覺的沖擊力。但同時也明顯存在著至少兩個方面的缺憾： 首先，對產物沒有或只有很簡單的品紅檢驗，無法滿足學生的探究心理；二是不符合環(huán)保的理念，實驗體系完全敞開，對實驗所產生的氣體沒有進行必要的妥善處理，對演示的空間環(huán)境造成了污染，師生會感到不適，學生也會產生畏懼心理。以上兩點使該實驗演示效果打了折扣。

筆者通過百度、知網、維普網等網絡資源平臺查閱發(fā)現(xiàn)，近年來，不少研究者針對傳統(tǒng)做法的弊端，對該實驗的方案進行了不少的改進與創(chuàng)新，如趙東洋[3]、李麗華等[4]老師主要關注裝置的微型化處理；陳純等[5]、黃沔銣等[6]、何婧等[7]、吳松原等[8]側重產物的檢驗、減少或消除污染等問題的解決。以上方案雖然不同程度地實現(xiàn)了實驗的微型化、綠色化改進，并對實驗中產生的一些物質進行了檢驗，但仍存在或多或少的不足： 一是微型化處理失去了該實驗原本強烈的震撼效果，趣味性減弱，并且某些材料不易得；其次，為了促進反應的進行，在實驗中普遍用到了水。筆者認為作為脫水性實驗，水是重要產物，應當在探究和檢驗中有所體現(xiàn)；第三，大多數(shù)方案在相對封閉的體系中進行時，并沒有很好地解決攪拌問題；第四，有些方案選擇圓底燒瓶[8][9]甚至三頸燒瓶[10]作為反應容器，這樣做的缺點是實驗完畢后固體產物非常難以處理。

為了取得預期效果，回歸實驗的本來面貌（不加水），保留“黑面包”的震撼效果，兼顧微型化、綠色化及產物的檢驗，從利于知識的整體性、全面性角度出發(fā)，特將該實驗再作改進和創(chuàng)新設計。

2 實驗原理

C12H22O11濃H2SO412C+11H2O

C+2H2SO4（濃）△CO2↑+2SO2↑+2H2O

CO2+C△2CO

CuSO4+5H2OCuSO4·5H2O

2KMnO4+5SO2+2H2OK2SO4+2MnSO4+2H2SO4

2Na2S+5SO2+2H2O3S↓+4NaHSO3

SO2+2NaOHNa2SO3+H2O

CO2+2NaOHNa2CO3+H2O

3 實驗設計方案

3.1 實驗儀器、用品及藥品

分液漏斗、3cm×20cm具支試管、彎頭玻璃棒、多球干燥管、100mL燒杯、滴管、10mL量筒、托盤天平、普通玻璃導管、T型玻璃導管、橡膠管、橡膠塞、止水夾、氣球、洗耳球；98%濃硫酸、蔗糖、無水CuSO4粉末、酸性KMnO4溶液、紫色石蕊試液、Na2S溶液、NaOH溶液

3.2 實驗裝置

實驗裝置見圖1（夾持裝置略）。

4 實驗操作及現(xiàn)象

（1） 檢查裝置的氣密性。先檢查分液漏斗是否漏水。然后按圖1所示連接好儀器及氣球，關閉分液漏斗下端的旋塞，打開止水夾k1，關閉k2，將具支試管微熱，發(fā)現(xiàn)氣球正常膨脹；待氣球基本恢復原狀，打開止水夾k2，關閉k1，燒杯中加入適量的蒸餾水浸沒導管口，再次將具支試管微熱，若燒杯中的導管口有氣泡冒出，停止加熱后，形成一段穩(wěn)定的水柱，說明整個裝置氣密性良好。

（2） 稱量約8.0g蔗糖，量取6.0mL濃硫酸，分別加入具支試管及分液漏斗中，在多球干燥管中用長滴管加入相應的試劑，小燒杯中加入NaOH溶液，固定好氣球，打開k1，關閉k2。

（3） 打開分液漏斗旋塞，加入硫酸，并迅速用手捻轉彎頭玻璃棒進行攪拌（必要時可稍稍加熱），觀察現(xiàn)象。

現(xiàn)象1： 用彎頭玻璃棒攪拌或稍加熱后，混合物由白色變?yōu)辄S色，繼而轉為褐色，最后呈黑色，接著產生大量氣體，黑色物質體積迅速膨脹沿著玻璃棒上升。

現(xiàn)象2： 無水CuSO4逐漸變?yōu)闇\綠色或藍色，裝置體系的具支試管及多球干燥管內壁附著大量水珠（特別是具支試管中，非常明顯）；品紅溶液慢慢變淡至褪色，KMnO4溶液很快褪色，紫色石蕊試液變紅色，Na2S溶液中產生淡黃色沉淀；氣球漸漸鼓起來（讓學生直觀看到有大量氣體產生）。

（4） 待反應完畢，用酒精燈加熱品紅溶液至微沸，觀察現(xiàn)象。

現(xiàn)象3： 品紅溶液恢復紅色。

（5） 打開k2，關閉k1、再打開分液漏斗旋塞及上口玻璃塞，用洗耳球從分液漏斗上口緩緩鼓氣，使裝置體系中殘余的氣體進入堿溶液被吸收。氣球中的氣體也可緩緩通入堿液中或在課后實驗室通風櫥中進一步妥善處理。

（6） 可將反應后的產物黑炭由彎頭玻璃棒輕松帶出，展示“黑面包”給學生觀察。

5 實驗改進的意義

（1） 保留傳統(tǒng)做法中良好的視覺沖擊和震撼效果，有鮮明的特點和趣味性，能引起學生強烈的學習興趣和進一步探究的欲望，學生記憶深刻，教學效果好。

（2） 對產物進行必要的檢驗，特別是不加水而觀察和檢驗到水的生成（CO2可通過氧化還原反應原理得出）。同時兼顧體現(xiàn)了SO2的漂白性、酸性、氧化性、還原性等幾大性質，充分挖掘了該實驗的探究價值和知識價值，更具科學性和實用性，說服力強。

（3） 保留“黑面包”觀賞性的同時對產物進行微型化檢驗，在不影響檢驗效果的前提下，大大降低了試劑的用量，使操作簡單，現(xiàn)象明顯。必要的攪拌、最后的固體產物的處理也很方便，具有明顯的簡約性和節(jié)約性。

（4） 通過對實驗所產生氣體的巧妙處理，使得現(xiàn)場演示不污染環(huán)境或污染減少，對師生的健康有利，充分體現(xiàn)了環(huán)境保護的理念和綠色化學的思想。

6 實驗說明及探討

（1） 實驗中為了科學體現(xiàn)水來自于蔗糖，故不另外加水。為了促進實驗的進行，可將蔗糖在研缽中研成粉末狀，并特將玻璃棒一端彎一個弧度，將伸在外面的另外一端用砂紙適當打磨，增大摩擦，利于操作，攪拌效果很好，室內溫度較高時，只要1～2min固體便開始膨脹，若在冬季，可能需要更長的時間。建議在充分攪拌后，用酒精燈微熱，便立刻反應膨脹。

（2） 根據(jù)張霞[11]、何婧等[12]老師的研究及筆者的多次試驗，該實驗所用的蔗糖及98%的濃硫酸的用量分別采用8～10g、 6～7.5mL，能保證安全且有較為理想的實驗效果。

（3） 雖然該反應產生較多的水，但由于反應放出大量的熱，造成氣體的溫度較高，導致白色的無水硫酸銅粉末只略顯淺綠色而很難出現(xiàn)清晰的藍色[13]。品紅溶液的褪色較慢，故濃度要適度低一些，而酸性KMnO4溶液的紫色褪去速度很快。

（4） 根據(jù)不同情況下實驗的需要，多球干燥管中的試劑也可以適當增減或更換，相應的干燥管也可以更換為其他規(guī)格，比如雙球或三球等，干燥管球的大小為3cm×3cm或2cm×2cm比較適合。

（5） 建議課前就將各藥品提前加好，可大大節(jié)約課堂演示時間；為了能使所有學生觀察到現(xiàn)象，微型部分——多球干燥管可通過實物投影儀投影，也可將一便攜攝像頭固定在夾持干燥管的鐵架臺下部，通過大屏幕投影展示，效果非常好。

（6） 該實驗也會產生少量CO氣體，可以利用銀氨溶液或PdCl2溶液進行檢驗，其原理均是利用CO的還原性將+1價的銀或+2價的鈀還原為黑色的銀單質或鈀單質，即現(xiàn)象均為出現(xiàn)黑色沉淀[14～16]。

原理為： CO+2Ag（NH3）2OH2Ag↓+（NH4）2CO3+2NH3

CO+PdCl2+H2O=Pd↓+CO2+2HCl

（7） 如前所述，氣球中的氣體可緩緩通入堿液中或課后在實驗室通風櫥中進一步處理，正因為有少量CO的生成，而CO并不能被堿液所吸收，建議最好選擇課后妥善處理，確保對環(huán)境的污染盡可能降到最低。

參考文獻：

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[2]王祖浩主編. 普通高中課程標準實驗教科書·化學1[M]. 南京： 江蘇教育出版社， 2014： 91.

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[5][8]陳純， 秦才玉， 張永強. “黑面包”實驗再改進[J]. 中學化學教學參考， 2017， （6）： 55.

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[10][12]吳松原， 佟檜群， 高峰. 蔗糖與濃硫酸反應一體化實驗的再改進[J]. 中學化學教學參考， 2017， （2）： 57～58.

[11]張霞. “半定量法”制“黑面包”實驗淺探[J]. 化學教與學， 2014， （12）： 91～92.

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