濃硫酸脫水性和氧化性實(shí)驗(yàn)的簡(jiǎn)易裝置設(shè)計(jì)

劉亞莉 吳霞 劉茜 楊麗君

摘要： “濃硫酸與蔗糖反應(yīng)”的實(shí)驗(yàn)是驗(yàn)證濃硫酸脫水性和氧化性的重要實(shí)驗(yàn)，為解決實(shí)驗(yàn)過程中教學(xué)環(huán)境的污染問題以及方便對(duì)生成物進(jìn)行驗(yàn)證，利用反應(yīng)瓶等器材設(shè)計(jì)濃硫酸脫水性和氧化性實(shí)驗(yàn)的簡(jiǎn)易裝置，借助溫度及二氧化碳傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)反應(yīng)過程中溫度和二氧化碳濃度的變化，定性描述與定量分析相結(jié)合共同探究濃硫酸的性質(zhì)。改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn)具有操作簡(jiǎn)單、儀器簡(jiǎn)約、可視性強(qiáng)、安全環(huán)保等特點(diǎn)。

關(guān)鍵詞： 濃硫酸； 脫水性； 氧化性； 簡(jiǎn)易裝置； 實(shí)驗(yàn)改進(jìn)

文章編號(hào)： 10056629（2022）10007504

中圖分類號(hào)： G633.8

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： B

1 問題提出

濃硫酸具有吸水性、脫水性和氧化性。因?yàn)槌Ｓ米魑畡?，學(xué)生容易理解濃硫酸的吸水性，但對(duì)其脫水性和氧化性難有直觀的認(rèn)識(shí)。因此，教材中濃硫酸和蔗糖反應(yīng)的實(shí)驗(yàn)對(duì)學(xué)生理解濃硫酸的脫水性和氧化性有重要作用。人教版教材用圖片展示了濃硫酸脫水性的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象：蔗糖逐漸變黑，體積劇烈膨脹，形成疏松多孔的海綿狀碳，又名“黑面包”。該實(shí)驗(yàn)操作簡(jiǎn)單、現(xiàn)象明顯，但存在幾點(diǎn)不足：（1）實(shí)驗(yàn)在敞開的燒杯中進(jìn)行，實(shí)驗(yàn)過程中會(huì)有酸霧和二氧化硫生成，沒有進(jìn)行尾氣處理；（2）為了能看到明顯的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，藥品用量較多，造成浪費(fèi)和環(huán)境污染；（3）對(duì)產(chǎn)生的氣體沒有進(jìn)行定性檢驗(yàn)。蔗糖脫水反應(yīng)的主要反應(yīng)為：C12H22O1112C+11H2O，但濃硫酸會(huì)進(jìn)一步氧化產(chǎn)物碳，因此會(huì)產(chǎn)生大量刺激性氣味的二氧化硫氣體，這是濃硫酸氧化性的體現(xiàn)。因此，蔗糖脫水反應(yīng)既體現(xiàn)了濃硫酸的脫水性，也體現(xiàn)了濃硫酸的氧化性。但教材中并未對(duì)此進(jìn)行分析，僅單獨(dú)列出了濃硫酸與木炭反應(yīng)的化學(xué)方程式，學(xué)生對(duì)此難免有所困惑?；诖?，我們對(duì)濃硫酸和蔗糖反應(yīng)的實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行了重新設(shè)計(jì)，既保留了明顯的碳化實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，也對(duì)產(chǎn)生的氣體進(jìn)行了驗(yàn)證。對(duì)于蔗糖的脫水產(chǎn)物碳與濃硫酸的進(jìn)一步反應(yīng)，則借助二氧化碳傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)產(chǎn)生的二氧化碳濃度的變化，驗(yàn)證了濃硫酸對(duì)木炭的氧化作用。

2 相關(guān)文獻(xiàn)簡(jiǎn)評(píng)

為了解濃硫酸與蔗糖反應(yīng)實(shí)驗(yàn)研究的進(jìn)展與現(xiàn)狀，查閱了大量的資料，發(fā)現(xiàn)研究濃硫酸與蔗糖反應(yīng)實(shí)驗(yàn)的文章相對(duì)較多，主要集中在以下幾個(gè)方面：（1）對(duì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行微型化處理［1］，可以節(jié)約藥品的使用，但實(shí)驗(yàn)效果沒有那么震撼，趣味性減弱；（2）對(duì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行一體化改進(jìn)，即把濃硫酸與蔗糖的反應(yīng)以及對(duì)生成物性質(zhì)的檢驗(yàn)整合到一起［2］，但操作較復(fù)雜，材料不易獲得，存在現(xiàn)象不明顯等問題；（3）側(cè)重于對(duì)生成物進(jìn)行檢驗(yàn)，用NaOH溶液對(duì)尾氣進(jìn)行吸收處理［3］；（4）設(shè)計(jì)封閉的實(shí)驗(yàn)環(huán)境以減少污染［4］。以上實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的共同點(diǎn)是封閉體系減少污染、節(jié)約藥品、生成物及其性質(zhì)的檢驗(yàn)比較完整。

濃硫酸的強(qiáng)氧化性主要體現(xiàn)在能氧化大多數(shù)金屬單質(zhì)和部分非金屬單質(zhì)。查閱文獻(xiàn)發(fā)現(xiàn)，濃硫酸對(duì)金屬的氧化性實(shí)驗(yàn)主要是與銅反應(yīng)，但研究濃硫酸對(duì)非金屬如碳的氧化性實(shí)驗(yàn)很少，主要集中在反應(yīng)裝置和檢驗(yàn)裝置的改進(jìn)方面［5］。

在文獻(xiàn)研究的基礎(chǔ)上，我們對(duì)濃硫酸和蔗糖的反應(yīng)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了改進(jìn)和創(chuàng)新，設(shè)計(jì)了濃硫酸脫水性和氧化性實(shí)驗(yàn)的簡(jiǎn)易裝置，并借助溫度及二氧化碳傳感器分別測(cè)定了濃硫酸與蔗

糖反應(yīng)實(shí)驗(yàn)中溫度的變化和濃硫酸與碳反應(yīng)中二氧化碳濃度的變化。通過

實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象以及曲線分析表明：蔗糖與濃硫酸反應(yīng)產(chǎn)生蓬松的碳，證明濃硫酸有脫水性；碳和濃硫酸進(jìn)一步反應(yīng)產(chǎn)生二氧化碳?xì)怏w，證明濃硫酸有強(qiáng)氧化性。改進(jìn)的實(shí)驗(yàn)有利于學(xué)生理解濃硫酸的脫水性和氧化性。

3 實(shí)驗(yàn)部分

3.1 儀器及試劑

儀器：Vernier數(shù)據(jù)采集器、計(jì)算機(jī)（安裝Logger Pro軟件）、Vernier不銹鋼溫度傳感器、Vernier二氧化碳傳感器、150mL反應(yīng)瓶、250mL燒杯1個(gè)、10mL量筒、電子天平、稱量紙、玻璃水槽1個(gè)、10mL注射器1只、單孔橡膠塞2個(gè)、膠頭滴管1支、空飲料瓶（盛放飲料的塑料瓶，2 L）1個(gè)、剪刀1把、濾紙條、pH試紙、玻璃棒、長(zhǎng)18cm玻璃管、氣球1個(gè)、長(zhǎng)6cm導(dǎo)管

試劑：蔗糖、濃硫酸（98%）、澄清石灰水溶液（1000mL）、酸性高錳酸鉀溶液（0.05％）、品紅溶液（0.01％）、蒸餾水

3.2 濃硫酸與糖反應(yīng)的實(shí)驗(yàn)

3.2.1 實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)裝置見圖1。

3.2.2 藥品用量探索

查閱相關(guān)文獻(xiàn)，以蔗糖與濃硫酸反應(yīng)實(shí)驗(yàn)的最佳物料比，即蔗糖（g）∶濃硫酸（mL）∶水（滴）=1∶1∶1為基礎(chǔ)［6］進(jìn)行探究，通過測(cè)量產(chǎn)物的高度和觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，選擇其中反應(yīng)效果最好的物料比進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

由表1實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，影響濃硫酸和蔗糖反應(yīng)的因素主要有蔗糖的質(zhì)量、濃硫酸的體積和加入水的量。蔗糖的量越多得到的產(chǎn)物也越多，適中的加水量會(huì)使溫度升高，碳化膨脹明顯，遵循綠色環(huán)保節(jié)約的原則，選取藥品的用量為：6g蔗糖、6mL濃硫酸、6滴水。

3.2.3 實(shí)驗(yàn)步驟

（1） 取1只150mL反應(yīng)瓶，用玻璃膠將其粘接到玻璃水槽的中央。

（2） 取一個(gè)塑料飲料瓶，剪掉瓶底，在其內(nèi)壁分別貼上用品紅溶液潤(rùn)濕的濾紙條、蒸餾水潤(rùn)濕的pH試紙以及酸性高錳酸鉀溶液潤(rùn)濕的濾紙條，做成反應(yīng)瓶的鐘罩。

（3） 稱取6g蔗糖裝入反應(yīng)瓶中，用膠頭滴管滴加6滴蒸餾水，再用玻璃棒攪拌使蔗糖和蒸餾水混合均勻。

（4） 用單孔橡膠塞塞緊鐘罩的上口，取1根長(zhǎng)18cm的封底玻璃管，插入橡膠塞至距離反應(yīng)瓶底部2mm左右為宜，再將溫度傳感器的探頭穿入到玻璃管內(nèi)。實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示。

（5） 在橡膠塞上面插入裝有6mL 98%濃硫酸的注射器，最后往玻璃水槽中注入1000mL澄清石灰水溶液。

（6） 打開Vernier Logger Pro軟件，設(shè)置好參數(shù)后點(diǎn)擊采集按鈕，接著把濃硫酸加入到反應(yīng)瓶中。

（7） 用右手按住鐘罩的上部，順時(shí)針或逆時(shí)針輕輕搖動(dòng)鐘罩，使玻璃管輕輕攪動(dòng)反應(yīng)瓶底部的蔗糖、水及濃硫酸的混合物，反應(yīng)立即進(jìn)行。

（8） 反應(yīng)結(jié)束，待有毒氣體及其酸霧吸收完畢后，將反應(yīng)瓶?jī)?nèi)的生成物倒入指定的容器內(nèi)。

3.2.4 實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象

（1） 學(xué)生可觀察到電腦上面溫度數(shù)字迅速上升并超過100℃（如圖2），說明該反應(yīng)是放熱反應(yīng)。

（2） 隨后可以看到瓶?jī)?nèi)混合物顏色由白色變?yōu)辄S色，繼而變?yōu)樽厣詈蟪屎谏?。體積膨脹，形成疏松多孔的海綿狀碳柱，反應(yīng)瓶?jī)?nèi)壁上有水霧生成，實(shí)驗(yàn)原理為：C12H22O1112C+11H2O。

（3） 該實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生大量的CO2和SO2氣體：C+2H2SO4（濃）△CO2↑+2SO2↑+2H2O，片刻后可觀察到品紅濾紙條慢慢變淡至無色（二氧化硫氣體的漂白作用），酸性高錳酸鉀濾紙條很快由紫色褪為無色（二氧化硫氣體具有還原性，反應(yīng)的化學(xué)方程式為：2KMnO4+5SO2+2H2OK2SO4+2MnSO4+2H2SO4），pH試紙條變紅。

（4） 玻璃水槽內(nèi)的澄清石灰水溶液逐漸變渾濁，產(chǎn)生的二氧化碳、二氧化硫氣體和酸霧被玻璃水槽內(nèi)的堿液吸收（反應(yīng)的化學(xué)方程式為：CO2+Ca（OH）2CaCO3↓+H2O； SO2+Ca（OH）2CaSO3↓+H2O）。

3.2.5 有關(guān)說明

（1） 玻璃水槽中的澄清石灰水不宜太多或太少，一是防止飲料瓶（鐘罩）和反應(yīng)瓶受水槽中堿液浮力影響發(fā)生傾倒；二是避免澄清石灰水變渾濁的現(xiàn)象不明顯。

（2） 加入適量的水潤(rùn)濕蔗糖的作用是讓濃硫酸與水作用放出大量的熱，為濃硫酸與蔗糖反應(yīng)提供熱量，加快反應(yīng)速率。

（3） 在整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程中，鐘罩的底部不要離開水槽內(nèi)的液面，在實(shí)驗(yàn)結(jié)束時(shí)，也不要急于讓鐘罩脫離液面，以防二氧化硫和酸霧從空隙中外逸，造成空氣污染。

（4） 蔗糖的脫水反應(yīng)是放熱反應(yīng)，放出的熱量足以使?jié)饬蛩徇M(jìn)一步氧化生成的碳，因此該實(shí)驗(yàn)同時(shí)體現(xiàn)了濃硫酸的脫水性和氧化性。

（5） SO2通入澄清石灰水和CO2一樣，會(huì)因生成微溶物CaSO3而使澄清石灰水變渾濁，因此使澄清石灰水變渾濁的氣體不一定就是二氧化碳。

為進(jìn)一步探究濃硫酸的氧化性，借助二氧化碳傳感器設(shè)計(jì)了下列濃硫酸氧化性實(shí)驗(yàn)的簡(jiǎn)易裝置。

3.3 濃硫酸的氧化性再驗(yàn)證

3.3.1 實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)裝置見圖3。

3.3.2 實(shí)驗(yàn)步驟

（1） 將濃硫酸和蔗糖反應(yīng)生成的碳冷卻到室溫，稱取2g加到反應(yīng)瓶里。

（2） 把用品紅溶液潤(rùn)濕的濾紙條貼在反應(yīng)瓶的內(nèi)壁上，接著在橡膠塞上面插入一根帶有氣球的導(dǎo)管，實(shí)驗(yàn)裝置如圖3所示。

（3） 用量筒量取4mL濃硫酸加到反應(yīng)瓶里，將二氧化碳傳感器放到反應(yīng)瓶里，打開Vernier Logger Pro軟件，設(shè)置好參數(shù)后點(diǎn)擊采集按鈕，軟件顯示二氧化碳濃度值。

（4） 待數(shù)據(jù)穩(wěn)定后，再把反應(yīng)瓶放到預(yù)先裝有沸水的燒杯中，電腦實(shí)時(shí)采集二氧化碳濃度的變化狀況，待數(shù)據(jù)穩(wěn)定，停止采集。最后將堿性溶液加到反應(yīng)瓶里，進(jìn)行尾氣等的吸收處理。

3.3.3 實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象

（1） 品紅濾紙條由紅色慢慢褪為無色，反應(yīng)瓶中有水霧生成，氣球慢慢變大，反應(yīng)的化學(xué)方程式為：C+2H2SO4（濃）△CO2↑+2SO2↑+2H2O。

（2） 反應(yīng)瓶?jī)?nèi)二氧化碳的濃度變化如圖4所示。200s后二氧化碳濃度不斷上升，說明該反應(yīng)有二氧化碳?xì)怏w生成，體現(xiàn)了濃硫酸的氧化性。

3.3.4 有關(guān)說明

（1） 反應(yīng)瓶未放入沸水以前，沒有CO2產(chǎn)生，由此說明，加熱條件對(duì)該反應(yīng)的重要性，進(jìn)一步驗(yàn)證了蔗糖脫水反應(yīng)放出的熱量為濃硫酸進(jìn)一步氧化脫水產(chǎn)生碳提供了條件。

（2） 若想盡快看到二氧化碳濃度的變化，可以預(yù)先水浴加熱發(fā)生裝置內(nèi)的濃硫酸，再加入適量的碳，然后檢測(cè)產(chǎn)生的二氧化碳濃度的變化。

3.4 實(shí)驗(yàn)注意事項(xiàng)

（1） 濃硫酸具有強(qiáng)烈的腐蝕性，在實(shí)驗(yàn)過程中需要戴上橡膠手套小心操作。

（2） 實(shí)驗(yàn)配制的品紅溶液和酸性高錳酸鉀溶液的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別是0.01％和0.05％，品紅濾紙條褪色較慢，濃度要更低些，酸性KMnO4濾紙條褪色速度較快。

（3） 濃硫酸脫水性實(shí)驗(yàn)中的溫度傳感器也可以改為CO2傳感器，但需注意反應(yīng)過程中產(chǎn)生的CO2過量，可能會(huì)超出CO2傳感器的量程。

3.5 實(shí)驗(yàn)總結(jié)

（1） 本實(shí)驗(yàn)最大的創(chuàng)新點(diǎn)是對(duì)蔗糖與濃硫酸反應(yīng)在保留良好觀賞性和展示效果的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)和創(chuàng)新設(shè)計(jì)，在表現(xiàn)濃硫酸脫水性的同時(shí)體現(xiàn)其氧化性。

（2） 整個(gè)實(shí)驗(yàn)是在封閉的體系中進(jìn)行，澄清石灰水和鐘罩既形成了一個(gè)密閉的反應(yīng)空間，又可以對(duì)濃硫酸和蔗糖反應(yīng)產(chǎn)生的二氧化硫氣體及酸霧進(jìn)行吸收，可謂一舉兩得。

（3） 利用廢棄飲料瓶作為鐘罩，將普通生活用品與化學(xué)實(shí)驗(yàn)聯(lián)系到一起，具有易加工，易觀察，易獲取的特點(diǎn)。

（4） 使用注射器的目的有兩個(gè)：一是注射一定體積的濃硫酸；二是平衡氣壓，防止反應(yīng)激烈產(chǎn)生大量的熱量，讓體系中的壓強(qiáng)增大，導(dǎo)致有毒氣體和酸霧的逸出。

（5） 產(chǎn)物碳的利用。教材中一般用炭粉或者木炭來研究濃硫酸和碳的反應(yīng)，本文用濃硫酸和蔗糖反應(yīng)生成的產(chǎn)物碳進(jìn)一步探究濃硫酸的氧化性，實(shí)驗(yàn)成功率高，效果好，并節(jié)約實(shí)驗(yàn)藥品。該碳還可利用做還原氧化銅的原料以及用作活性炭進(jìn)行吸附性實(shí)驗(yàn)。

（6） 用水浴加熱代替明火加熱，防止出現(xiàn)濃硫酸暴沸的現(xiàn)象，使反應(yīng)受熱均勻，易于觀察。

（7） 實(shí)驗(yàn)裝置具有取材方便、制作簡(jiǎn)單、易于操作、現(xiàn)象明顯、安全環(huán)保、能檢測(cè)有毒氣體的成分、可測(cè)溫度及二氧化碳濃度的變化等諸多優(yōu)點(diǎn)。

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