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      利用數(shù)字化實(shí)驗(yàn)探究蔗糖與濃硫酸反應(yīng)的優(yōu)化條件

      2022-05-30 17:21:25楊輝琴王佩珊吳惠玲
      化學(xué)教與學(xué) 2022年24期
      關(guān)鍵詞:實(shí)驗(yàn)改進(jìn)濃硫酸蔗糖

      楊輝琴 王佩珊 吳惠玲

      摘要:高中化學(xué)教材中蔗糖與濃硫酸的反應(yīng)是演示實(shí)驗(yàn)。有的教材沒有給出實(shí)驗(yàn)所需反應(yīng)物的用量,有的用量不是最優(yōu)化,實(shí)驗(yàn)成功率不高。針對(duì)蘇教版的實(shí)驗(yàn)方案,采用數(shù)字化實(shí)驗(yàn)探究實(shí)驗(yàn)的優(yōu)化條件,旨在為實(shí)驗(yàn)教學(xué)提供參考。

      關(guān)鍵詞:紅外溫度傳感器;蔗糖;濃硫酸;優(yōu)化條件;實(shí)驗(yàn)改進(jìn)

      文章編號(hào):1008-0546(2022)12x-0092-04

      中圖分類號(hào):G632.41

      文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:B

      doi: 10.3969/j .issn.1008-0546.2022.12x.023

      一、問題的提出

      濃硫酸的強(qiáng)氧化性和脫水性,高中化學(xué)用蔗糖與濃硫酸反應(yīng)來(lái)證明。人教版高中《化學(xué)(必修第二冊(cè))》(2019年版)[1]和魯科版高中《化學(xué)(必修第一冊(cè))》(2019年版)[2]以圖片的形式展現(xiàn)該實(shí)驗(yàn)(如圖1和圖2),具體反應(yīng)物的用量、反應(yīng)條件和操作步驟等沒有詳細(xì)說明,往往用量控制不好,實(shí)驗(yàn)成功率低,另外實(shí)驗(yàn)在敞開的燒杯中進(jìn)行,造成環(huán)境污染。

      蘇教版高中《化學(xué)(必修第一冊(cè))》(2020年版):取2 g蔗糖(C12H22O11)放人大試管中,加2-3滴水,再加入約3 mL濃硫酸,迅速攪拌,然后塞緊帶玻璃導(dǎo)管的橡皮塞,將玻璃導(dǎo)管的另一端插入盛有品紅溶液的試管中,觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。[3]該實(shí)驗(yàn)有反應(yīng)物的用量、反應(yīng)條件和具體實(shí)驗(yàn)操作步驟,但是在實(shí)際實(shí)驗(yàn)操作中發(fā)現(xiàn)當(dāng)室溫較低時(shí)(18-19℃),蔗糖由白變棕再變黑,放置一段時(shí)間才緩慢產(chǎn)生氣泡,“發(fā)”不起來(lái),無(wú)法觀察到“黑面包”和品紅褪色現(xiàn)象。說明該用量在低溫時(shí)不能確保實(shí)驗(yàn)成功。最佳的用量是多少呢?這就是筆者研究的課題。

      二、文獻(xiàn)中的相關(guān)研究案例

      查閱文獻(xiàn)發(fā)現(xiàn),針對(duì)蔗糖與濃硫酸反應(yīng)的最佳條件已有一些研究:吳叔娥,盧一卉,李遠(yuǎn)蓉[4]確定該實(shí)驗(yàn)的優(yōu)化條件配比為:10 g蔗糖,9 mL濃硫酸和25滴水??琢铞魏徒韵糩5]研究了濃硫酸的體積、蔗糖的質(zhì)量、加水量和燒杯大小,得出綿白糖10 g,濃硫酸10 mL和10滴水為最佳條件。曹貽利和溫祖標(biāo)[6]研究得出實(shí)驗(yàn)最佳反應(yīng)條件為:7g粉末狀蔗糖,25℃的蒸餾水20滴,8 mL濃硫酸。這些研究為實(shí)驗(yàn)教學(xué)提供了借鑒,但是蔗糖和濃硫酸的用量多,產(chǎn)生的SO:多,對(duì)環(huán)境的污染較大;另外這些研究都通過大量的實(shí)驗(yàn)事實(shí)得出結(jié)論,比如正交法探究黑面包實(shí)驗(yàn),需要大量的人力物力和時(shí)間。

      筆者在研究方法和研究方向上做了思考。作為演示實(shí)驗(yàn),只要現(xiàn)象明顯,能達(dá)到課堂教學(xué)要求即可。以能觀察到“黑面包”和品紅褪色現(xiàn)象為評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn),利用數(shù)字化實(shí)驗(yàn)探究反應(yīng)溫度、蔗糖、濃硫酸、水的最佳反應(yīng)條件。

      三、實(shí)驗(yàn)方案

      1.實(shí)驗(yàn)改進(jìn)原理

      本實(shí)驗(yàn)反應(yīng)物用量少,反應(yīng)逸出的SO2少,品紅溶液濃度大些或量多些,足以將逸出的SO2完全吸收,可以不考慮尾氣處理。但殘留在大試管和“黑面包”吸附的SO2不少,打開橡皮塞加水洗滌時(shí)逸出SO2,危害師生健康又污染環(huán)境。在大試管處加了一個(gè)裝有氫氧化鈉溶液的注射器(如圖3所示),待實(shí)驗(yàn)結(jié)束后冷卻至室溫,往里面加氫氧化鈉溶液將SO2充分吸收。紅外溫度傳感器用于測(cè)量反應(yīng)過程體系溫度的變化。

      2.實(shí)驗(yàn)原理

      3.實(shí)驗(yàn)器材與藥品

      主要儀器:型號(hào)Bi0006-S紅外溫度帶屏傳感器,溫度計(jì),大試管(直徑3.2 cm)、小試管、注射器、鐵架臺(tái)帶鐵夾、玻璃棒、10 mL量筒、電子天平、膠頭滴管(其他儀器省略)。

      藥品:98%濃硫酸、蔗糖、稀NaOH溶液、品紅溶液。

      4.實(shí)驗(yàn)過程及結(jié)果分析

      按照?qǐng)D3連接好裝置并檢驗(yàn)氣密性,打開紅外溫度傳感器和數(shù)據(jù)處理軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。按照蘇教版的操作步驟進(jìn)行實(shí)驗(yàn),往大試管中依次加入2 g蔗糖( C12H22O11)、20滴水、3 mL 98%濃硫酸,觀察到蔗糖迅速膨脹形成“黑面包”,導(dǎo)管口有氣泡逸出,品紅褪色。實(shí)驗(yàn)結(jié)束待試管冷卻,往里面加氫氧化鈉溶液吸收SO2。實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象明顯又綠色環(huán)保,實(shí)驗(yàn)效果良好。

      保存軟件采集到的數(shù)據(jù),用于后續(xù)實(shí)驗(yàn)探究數(shù)據(jù)分析。

      四、優(yōu)化實(shí)驗(yàn)條件的探究

      蔗糖與濃硫酸反應(yīng)產(chǎn)生“黑面包”同時(shí)品紅褪色,實(shí)驗(yàn)成功的關(guān)鍵是反應(yīng)溫度和濃硫酸的濃度。反應(yīng)體系溫度越高,濃硫酸的濃度越大,反應(yīng)越激烈,放出的氣體越多。蘇教版的蔗糖質(zhì)量2 g,作為演示實(shí)驗(yàn)這個(gè)質(zhì)量已經(jīng)很少,本研究中蔗糖以2 g為基準(zhǔn)。

      1.產(chǎn)生氣泡的溫度測(cè)量

      室溫18℃,按蘇教版教材的用量和步驟操作,蔗糖由白變棕再變黑,放置一段時(shí)間才緩慢產(chǎn)生氣泡,無(wú)“黑面包”現(xiàn)象,測(cè)得溫度67℃,溫度變化如圖4所示。要快速產(chǎn)生黑面包,溫度必須高于67℃。

      2.濃硫酸稀釋溫度的變化

      室溫18℃,分別取10滴、15滴、20滴、25滴、30滴水,分別向其中逐體積加入濃硫酸,每次加1 mL,測(cè)得溫度變化(如圖5所示)。由圖可見,隨著硫酸體積的增大,溫度降低。當(dāng)濃硫酸體積不變時(shí),隨著加水量增加,溫度升高(如圖6所示),但硫酸的濃度降低。2 mL濃硫酸時(shí),加水20滴、25滴、30滴,溫度都約103℃,但水量多,濃硫酸的濃度低。綜合考慮反應(yīng)溫度和濃硫酸的濃度,水滴數(shù)與濃硫酸的最佳體積選擇:20滴水和2 mL濃硫酸,為了確保實(shí)驗(yàn)成功,又不浪費(fèi)藥品,濃硫酸再加1 mL,即20滴水和3 mL濃硫酸,此時(shí)溫度92℃,高于67℃。3.相同條件下,不同加水量,實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象及溫度變化

      室溫18℃,2 g蔗糖,3 mL 98%濃硫酸,不同加水量,溫度變化(如圖7所示),實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象如表1所示。

      從表1和圖7可看出:(1)適當(dāng)增加水量,體系溫度升高,反應(yīng)更快更激烈,產(chǎn)生氣體更多,“黑面包”高度更高。(2)室溫18℃,2 g蔗糖、20滴水、3 mL 98%濃硫酸的配比能滿足教學(xué)需要。

      4.相同條件下,不同質(zhì)量的蔗糖,實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象

      室溫18℃,20滴水,3 mL 98%濃硫酸,不同蔗糖質(zhì)量,實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象如表2所示。由此可見蔗糖質(zhì)量增大,“黑面包”高度增加;20滴水、3 mL 98%濃硫酸的配比也適合蔗糖質(zhì)量大點(diǎn)的。

      5.相同條件下,不同體積的濃硫酸,反應(yīng)過程溫度變化

      室溫18℃,2 g蔗糖,20滴水,不同濃硫酸體積,溫度變化(如圖8所示)。濃硫酸剛加進(jìn)去溫度基本相同,隨著反應(yīng)的進(jìn)行,加3mL濃硫酸的體系溫度高于加2 mL濃硫酸的體系溫度,反應(yīng)放出的氣體更多。加3 mL濃硫酸,體系中濃硫酸的濃度更大,氧化性更強(qiáng),選擇3 mL濃硫酸更能滿足教學(xué)需要。

      6.其他條件

      其他影響因素,比如蔗糖的種類、蔗糖顆粒大小、濃硫酸的濃度等,已經(jīng)有學(xué)者進(jìn)行探究,本研究不再探究。以節(jié)約藥品、能觀察到明顯現(xiàn)象為本,沒有探究更大量的蔗糖和濃硫酸,研究存在一些不足,后續(xù)再進(jìn)行探究。

      四、結(jié)論

      通過測(cè)反應(yīng)所需溫度,再測(cè)濃硫酸稀釋溫度的變化,借助紅外溫度傳感器呈現(xiàn)實(shí)驗(yàn)過程溫度變化,快速找到最佳的水滴數(shù)與濃硫酸體積,減少實(shí)驗(yàn)探究次數(shù),減少人力物力和時(shí)間。

      室溫18℃,2 g蔗糖、20滴水、3 mL 98%濃硫酸,既能節(jié)約藥品,又能觀察到“黑面包”和品紅褪色現(xiàn)象,能滿足教學(xué)需要。蔗糖的質(zhì)量也可選擇4g。

      實(shí)驗(yàn)改進(jìn):實(shí)驗(yàn)器材易得、操作簡(jiǎn)單、節(jié)時(shí)高效、綠色環(huán)保,實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象生動(dòng)有趣。

      參考文獻(xiàn)

      [1]人民教育出版社,課程教材研究所,化學(xué)課程教材研究開發(fā)中心.普通高中教科書(化學(xué)必修第二冊(cè))[M].北京:人民教育出版社,2019.

      [2]王磊,陳光巨.普通高中教科書(化學(xué)必修第一冊(cè))[M].濟(jì)南:山東科學(xué)技術(shù)出版社,2019.

      [3] 王祖浩.普通高中教科書(化學(xué)必修第一冊(cè))[M].南京:江蘇鳳凰教育出版社,2020.

      [4]吳叔娥,盧一卉,李遠(yuǎn)蓉.“蔗糖與濃硫酸反應(yīng)”實(shí)驗(yàn)裝置的改進(jìn)[J].實(shí)驗(yàn)教學(xué)與儀器,2017,34(12):32-33.

      [5]孔令鑫,姜言霞.蔗糖與濃硫酸反應(yīng)的最佳條件探究[Jl.化學(xué)教與學(xué),2018( 11):89-92.

      [6] 曹貽利,溫祖標(biāo).正交試驗(yàn)法探究黑面包實(shí)驗(yàn)[J].教育與裝備研究,2020,36(09) : 50-54.

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