蔗糖與濃硫酸反應(yīng)實(shí)驗(yàn)的一體化設(shè)計(jì)

黃亞武 姚亮發(fā) 張賢金

摘要： 對(duì)蘇教版教材高中化學(xué)《必修（第一冊(cè)）》（2020年版）中“蔗糖與濃硫酸反應(yīng)”實(shí)驗(yàn)進(jìn)行改進(jìn)，設(shè)計(jì)了集反應(yīng)、產(chǎn)物檢測(cè)和尾氣處理等一體化的實(shí)驗(yàn)裝置，可以滿(mǎn)足學(xué)生分組實(shí)驗(yàn)的需要，并同時(shí)完成濃硫酸的性質(zhì)試驗(yàn)以及多種氣體產(chǎn)物的檢驗(yàn)。改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn)裝置具有簡(jiǎn)捷、安全和環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)。

關(guān)鍵詞： 蔗糖； 濃硫酸性質(zhì)； 實(shí)驗(yàn)改進(jìn)； 一體化設(shè)計(jì)

文章編號(hào)： 10056629（2022）10006804

中圖分類(lèi)號(hào)： G633.8

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： B

1 問(wèn)題的提出

《普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》明確指出要培育學(xué)生的化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)，而實(shí)驗(yàn)探究是化學(xué)學(xué)科的特色，是重要的科學(xué)實(shí)踐，是學(xué)生高階思維培養(yǎng)的路徑，是發(fā)展學(xué)生核心素養(yǎng)的主陣地。必修模塊“常見(jiàn)的無(wú)機(jī)物及其應(yīng)用”中將“不同價(jià)態(tài)含硫物質(zhì)的轉(zhuǎn)化”設(shè)置為必做的學(xué)生實(shí)驗(yàn)，而“學(xué)習(xí)活動(dòng)建議”中“實(shí)驗(yàn)及探究活動(dòng)”內(nèi)容也再次提到“含硫物質(zhì)（如硫、二氧化硫等）的性質(zhì)和濃硫酸的性質(zhì)”［1］。因此，探究濃硫酸的性質(zhì)不容忽視，決不能隨便應(yīng)付了之。對(duì)濃硫酸性質(zhì)的探究，蘇教版教材中分別用濃硫酸與膽礬、蔗糖和金屬銅反應(yīng)三個(gè)典型實(shí)驗(yàn)來(lái)說(shuō)明。研究發(fā)現(xiàn)，探究濃硫酸與蔗糖反應(yīng)不能只限定在脫水性上，還可以挖掘和開(kāi)發(fā)更多的實(shí)驗(yàn)探究素材，以發(fā)揮該實(shí)驗(yàn)的教育價(jià)值。

2 不同版本教材實(shí)驗(yàn)分析

濃硫酸與蔗糖反應(yīng)的實(shí)驗(yàn)很獨(dú)特，現(xiàn)象極具觀賞性，最能引發(fā)“大腦風(fēng)暴”的效果。新版的人教版［2］、魯科版［3］高中教材弱化了蔗糖與濃硫酸反應(yīng)的探究過(guò)程，僅通過(guò)三張圖片來(lái)展示實(shí)驗(yàn)中所觀察到的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。如魯科版教材中，第一張圖顯示少量的白色蔗糖和一根玻璃棒放在小燒杯中；第二張圖顯示加入濃硫酸后，用玻璃棒攪拌時(shí)小燒杯中蔗糖變黑且體積略有膨脹，同時(shí)小燒杯中黑色固體的上方有較濃的白霧出現(xiàn)；第三張圖顯示外觀為圓柱形（直徑與小燒杯內(nèi)徑差不多）的黑色固體沿著玻璃棒垂直上升，且體積急劇膨脹。這意味著教師可以選擇不做實(shí)驗(yàn)，用圖片分析實(shí)驗(yàn)的結(jié)果即可。這種處理方法是讓學(xué)生通過(guò)圖片感知實(shí)驗(yàn)情況，雖然圖片展示的實(shí)驗(yàn)過(guò)程及現(xiàn)象較為清晰，也不存在污染問(wèn)題，但畢竟錯(cuò)失了實(shí)驗(yàn)的教學(xué)功能。而蘇教版［4］的做法則不同，仍保留演示實(shí)驗(yàn)供學(xué)生探究，這種做法對(duì)幫助學(xué)生從基于證據(jù)角度推斷濃硫酸、二氧化硫等物質(zhì)的相關(guān)性質(zhì)，培養(yǎng)學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的觀察、分析和得出結(jié)論等探究能力是很有幫助的。但該實(shí)驗(yàn)仍存在著至少四個(gè)弊端：一是反應(yīng)發(fā)生裝置用試管替代小燒杯，雖然在儀器小型化上有所改進(jìn)，但教師在講臺(tái)上做演示，實(shí)驗(yàn)的可見(jiàn)度較低；二是單純探究氣體產(chǎn)物SO2的漂白性，顯得比較單調(diào)乏味，難以激發(fā)學(xué)生的探究熱情；三是實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生的污染氣體無(wú)法妥善解決；四是用手直接觸摸試管外壁感知實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的放熱現(xiàn)象，不符合實(shí)驗(yàn)安全性的原則。

3 已有實(shí)驗(yàn)改進(jìn)方案分析

查閱相關(guān)文獻(xiàn)，近幾年來(lái)有不少教師對(duì)該實(shí)驗(yàn)做了一些改進(jìn)與創(chuàng)新。改進(jìn)內(nèi)容主要圍繞綠色化、一體化、微量化和信息化等方面。例如，王建芬［5］等利用可樂(lè)瓶等器材制作實(shí)驗(yàn)裝置，實(shí)現(xiàn)加藥品、反應(yīng)和有毒氣體吸收等過(guò)程的一體化；陳海濤［6］利用塑料保鮮袋來(lái)收集氣體說(shuō)明反應(yīng)有氣體產(chǎn)生，進(jìn)而證明該氣體是SO2；何婧［7］等利用試管、注射器、雙口玻璃管、試管等儀器，通過(guò)一些試劑來(lái)檢驗(yàn)部分氣體產(chǎn)物；吳松原［8］等（利用三口燒瓶等儀器）、吳叔娥［9］等（利用錐形瓶、具支試管等儀器）、高飛［10］（利用分液漏斗、具支試管、多球干燥管等儀器）改進(jìn)實(shí)驗(yàn)裝置后，用品紅溶液、酸性KMnO4溶液、澄清石灰水等檢驗(yàn)氣體產(chǎn)物的性質(zhì)，并用堿液吸收尾氣；王旭斌［11］利用三口燒瓶、磁力攪拌器等儀器，借用手持技術(shù)檢測(cè)燒瓶?jī)?nèi)的空氣濕度及CO2濃度的變化。

上述實(shí)驗(yàn)改進(jìn)一定程度上優(yōu)化了實(shí)驗(yàn)的效果，但依然存在操作不規(guī)范或不易操作、實(shí)驗(yàn)儀器不常見(jiàn)或裝置太復(fù)雜、實(shí)驗(yàn)試劑添加不方便、實(shí)驗(yàn)完成后儀器清洗較麻煩、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及圖譜變化中會(huì)有些交錯(cuò)不好分辯和分析等問(wèn)題。為了解決上述實(shí)驗(yàn)中的不足，筆者對(duì)該實(shí)驗(yàn)又作了新的改進(jìn)和完善。

4 實(shí)驗(yàn)改進(jìn)的思路

基于實(shí)驗(yàn)教學(xué)的特點(diǎn)和深度學(xué)習(xí)的要求，本著簡(jiǎn)捷、高效、一體化、綠色環(huán)保的原則，經(jīng)過(guò)反復(fù)實(shí)踐探索，除了繼續(xù)保留書(shū)本實(shí)驗(yàn)藥品用量和SO2的檢驗(yàn)外，重新設(shè)計(jì)了集反應(yīng)、產(chǎn)物檢測(cè)和尾氣處理一體化的實(shí)驗(yàn)新裝置（見(jiàn)圖1）。相比于蘇教版教材，增加了裝置的封閉處理、溫度的測(cè)定（以數(shù)據(jù)來(lái)說(shuō)明放熱問(wèn)題）和其他氣體產(chǎn)物的檢驗(yàn)，甚至可對(duì)實(shí)驗(yàn)所處的異常條件下發(fā)生CO2與C反應(yīng)生成的CO進(jìn)行檢測(cè)，有效地優(yōu)化了教材原實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)，獲得了預(yù)想的實(shí)驗(yàn)效果。實(shí)踐證實(shí)，新實(shí)驗(yàn)裝置既符合教師演示的要求，又適合學(xué)生分組實(shí)驗(yàn)開(kāi)展合作探究。

5 實(shí)驗(yàn)方案

5.1 實(shí)驗(yàn)反應(yīng)原理

H2SO4（濃）+nH2OH2SO4·nH2O

C12H22O11濃硫酸12C+11H2O

C+2H2SO4（濃）△CO2↑+2SO2↑+2H2O

CO2+C△2CO

CO+2Ag（NH3）2OH2Ag↓+（NH4）2CO3+2NH3

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

SO2+H2OH2SO3

CO2+H2OH2CO3

SO2+2NaOHNa2SO3+H2O

CO2+2NaOHNa2CO3+H2O

5.2 實(shí)驗(yàn)儀器、用品及藥品

廣口瓶（250mL）、膠頭滴管、溫度計(jì)（測(cè)溫范圍：－30～+360℃）、干燥管（60mL）、點(diǎn)滴板、托盤(pán)天平、藥匙、鑷子、量筒（10mL）、連有玻璃彎管的橡膠塞、雙孔橡膠塞、研缽（60mm）、氣球、棉花團(tuán)；98%濃硫酸、蔗糖、藍(lán)色石蕊試紙、濾紙條4條（3mm×5mm）、 0.1mol·L－1品紅溶液、0.1mol·L－1酸性高錳酸鉀溶液、銀氨溶液（用2%的硝酸銀和2%的氨水配制）、0.1%溴麝香草酚藍(lán)水溶液、30%濃NaOH溶液、凡士林等

5.3 實(shí)驗(yàn)操作及現(xiàn)象

（1） 按圖1組裝實(shí)驗(yàn)裝置后，檢查氣密性。

（2） 制作幾種檢驗(yàn)氣體的試紙。將四張濾紙條（3mm×5mm）分別放在點(diǎn)滴板凹槽上，用膠頭滴管分別取溶液滴在濾紙條上，這樣等濾紙濕潤(rùn)后，就制得了檢驗(yàn)氣體的試紙，即蘸有品紅溶液的試紙、蘸有酸性KMnO4溶液的試紙、蘸有溴麝香草酚藍(lán)水溶液的試紙、蘸有銀氨溶液的試紙。

（3） 用鑷子將制作好的四種檢驗(yàn)氣體的試紙和濕潤(rùn)的藍(lán)色石蕊試紙分別沾在干燥管球形部位內(nèi)壁處，接著將氣球（球內(nèi)放入蘸有濃NaOH溶液的棉花球）套在干燥管的小管口處，然后將插在廣口瓶雙口塞子上的玻璃彎管另一端的單孔橡膠塞與干燥管的大管口相連接（見(jiàn)圖1）。

（4） 廣口瓶啟塞，稱(chēng)取蔗糖2.0g放入廣口瓶中，滴加2～3滴蒸餾水濕潤(rùn)。而后量取3.0mL濃硫酸倒入廣口瓶中，迅速塞上塞子，振蕩，觀察現(xiàn)象。

現(xiàn)象1：溫度計(jì)的讀數(shù)變化先緩慢后突然快速升高，而后變化較緩，最后又漸漸回落。

現(xiàn)象2：瓶中混合物的顏色經(jīng)歷由白→黃→褐→黑的明顯突變，緊接著出現(xiàn)白霧，固體表面出現(xiàn)大量氣泡，黑色固體（蓬松海綿狀）體積迅速膨脹。

現(xiàn)象3：干燥管的球形容器中，五種檢驗(yàn)氣體的試紙的顏色發(fā)生了不同的變化。蘸有品紅溶液的試紙紅色漸漸褪去；蘸有酸性KMnO4溶液的試紙很快褪色；潤(rùn)濕的藍(lán)色石蕊試紙變紅但不褪色；蘸有銀氨溶液的試紙變黑色；蘸有溴麝香草酚藍(lán)水溶液的試紙則由藍(lán)變綠最后變黃。

現(xiàn)象4：氣球的體積略有增大，后又慢慢變小。

5.4 實(shí)驗(yàn)說(shuō)明及探討

（1） 實(shí)驗(yàn)中向蔗糖加蒸餾水，是為了促進(jìn)實(shí)驗(yàn)快速進(jìn)行，因?yàn)闈饬蛩嵩谒腥芙鈺r(shí)有大量的熱量放出，促進(jìn)反應(yīng)的進(jìn)行；水使部分蔗糖溶解，可促進(jìn)濃硫酸與蔗糖的充分接觸，加快脫水反應(yīng)的發(fā)生。

（2） 實(shí)驗(yàn)改進(jìn)后沒(méi)有使用玻璃棒攪拌，實(shí)驗(yàn)剛開(kāi)始的速率較慢，因此濃硫酸加入后一定要輕輕振蕩，加快反應(yīng)的進(jìn)行。

（3） 為了確保有較為理想的效果，建議選用食用的一級(jí)或優(yōu)級(jí)的干燥白砂糖，白砂糖事先用研缽作研磨處理。

（4） 實(shí)驗(yàn)中有大量的熱量放出，導(dǎo)致前期廣口瓶?jī)?nèi)溫度快速升高，但隨著反應(yīng)中氣體的產(chǎn)生，后續(xù)溫度變化不大，到后期反應(yīng)幾乎停止，瓶?jī)?nèi)溫度開(kāi)始下降。因此，通過(guò)廣口瓶?jī)?nèi)溫度的變化可以推測(cè)反應(yīng)進(jìn)行的情況。

（5） 實(shí)驗(yàn)中蔗糖由白色最終變?yōu)楹谏菨饬蛩崦撍缘淖罴咽聦?shí)驗(yàn)證。

（6） 干燥管中球形部位處的容積相對(duì)較大，是反應(yīng)產(chǎn)生氣體的主要聚集場(chǎng)所，氣體的濃度較大，導(dǎo)致氣體與試紙充分接觸。五種試紙發(fā)生變色較快，取得較好的實(shí)驗(yàn)效果。

（7） 反應(yīng)產(chǎn)生的SO2具有漂白性、還原性是通過(guò)分別蘸有品紅溶液和酸性KMnO4溶液試紙的褪色來(lái)驗(yàn)證的。濕潤(rùn)的藍(lán)色石蕊試紙不見(jiàn)褪色而只是變紅，說(shuō)明CO2、 SO2溶于水而顯酸性，同時(shí)也說(shuō)明SO2的漂白性是有限的。不受SO2干擾的蘸有溴麝香草酚藍(lán)水溶液的試紙最終變?yōu)辄S色，說(shuō)明CO2的存在且有一定的濃度，其顏色變化是由CO2反應(yīng)生成的碳酸的濃度逐漸增大，溶液的pH逐漸降低所致。沾有銀氨溶液的試紙變黑色，說(shuō)明金屬銀被CO還原出來(lái)。

（8） 實(shí)驗(yàn)中檢測(cè)到有CO氣體生成，是因?yàn)榉磻?yīng)產(chǎn)生的CO2與C在高溫下發(fā)生歸中反應(yīng)得到的。

6 實(shí)驗(yàn)改進(jìn)的意義

（1） 改進(jìn)后的裝置具有簡(jiǎn)約、易組裝和小型化的特點(diǎn)，非常適用于學(xué)生的分組實(shí)驗(yàn)，讓學(xué)生對(duì)濃硫酸性質(zhì)有近距離的體驗(yàn)感，提高學(xué)生成功進(jìn)行實(shí)驗(yàn)探究的期望值和積極性。

（2） 有效整合了濃硫酸特性和多種氣體產(chǎn)物的檢驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)了一體化的探究過(guò)程。既提高了實(shí)驗(yàn)效率，簡(jiǎn)化了實(shí)驗(yàn)操作，又方便了產(chǎn)物的檢驗(yàn)，有效培養(yǎng)了學(xué)生的科學(xué)探究意識(shí)。

（3） 設(shè)計(jì)嚴(yán)謹(jǐn)，充分挖掘了實(shí)驗(yàn)的探究素材，為濃硫酸特性的外顯提供了可視化證據(jù)。如用溫度計(jì)測(cè)量溫度的變化來(lái)說(shuō)明反應(yīng)過(guò)程中的熱量變化，同時(shí)借助五種試紙的顏色改變，直觀地證明了反應(yīng)所生成的氣體產(chǎn)物，使實(shí)驗(yàn)的探究結(jié)論更具說(shuō)服力，有利于發(fā)展學(xué)生的證據(jù)推理素養(yǎng)。

（4） 拓展了對(duì)CO、 CO2氣體鑒定的新認(rèn)識(shí)，簡(jiǎn)化了CO、 CO2、 SO2共存時(shí)的檢驗(yàn)流程。

（5） 全密封的實(shí)驗(yàn)裝置，使實(shí)驗(yàn)過(guò)程不會(huì)逸出有害氣體污染環(huán)境，有利于學(xué)生樹(shù)立綠色化學(xué)思想和環(huán)境保護(hù)理念。

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