濃硫酸與蔗糖反應(yīng)實驗裝置的改進

摘要：

針對人教版教材及相關(guān)文獻中“濃硫酸與蔗糖反應(yīng)”實驗裝置的不足進行了探索和改進。利用定制的玻璃儀器、三通閥、注射器和塑料噴頭等對該反應(yīng)的實驗裝置進行了重新設(shè)計。改進后的裝置實現(xiàn)了反應(yīng)、產(chǎn)物檢測和尾氣處理的一體化，不僅具有操作簡單、現(xiàn)象明顯和安全環(huán)保等優(yōu)點，還能有效終止有害氣體的產(chǎn)生以及解決尾氣吸收等問題。關(guān)鍵詞：濃硫酸；蔗糖；黑面包實驗；實驗改進1

問題的提出濃硫酸與蔗糖反應(yīng)實驗是驗證濃硫酸具有氧化性和脫水性的重要實驗，人教版教材（2019年版）中該實驗的操作是在燒杯中放入蔗糖，滴入適量水后進行攪拌，再加入濃硫酸進行攪拌，觀察實驗現(xiàn)象［1］。教材所提供的實驗方法操作簡單、現(xiàn)象明顯，能很好地讓學(xué)生感受到“黑面包實驗”的震撼效果。但教材中的實驗存在以下不足之處：一是實驗在敞開的燒杯中進行，反應(yīng)產(chǎn)生的二氧化硫氣體會污染教學(xué)環(huán)境，不符合綠色化學(xué)的理念；二是沒有對反應(yīng)產(chǎn)物進行檢驗，不能滿足學(xué)生的探究心理；三是沒有讓學(xué)生感知到濃硫酸與蔗糖反應(yīng)會放出大量的熱量；四是未確定蔗糖與濃硫酸的用量，造成藥品浪費。根據(jù)以上問題，對濃硫酸與蔗糖反應(yīng)的實驗裝置進行了新的設(shè)計，既能保留明顯的“黑面包實驗”現(xiàn)象，還能對產(chǎn)生的氣體進行檢驗與吸收。2

相關(guān)文獻簡述通過文獻查閱發(fā)現(xiàn)，不少研究者對“濃硫酸與蔗糖反應(yīng)”的實驗裝置進行了改進與創(chuàng)新，改進內(nèi)容主要包括實驗裝置一體化、微型化和綠色化等方面。如王建芬等利用可樂瓶、分液漏斗和玻璃水槽等器材改進的實驗裝置［2］，實現(xiàn)了加料、反應(yīng)和有害氣體吸收三個操作過程的結(jié)合，但操作過程中用分液漏斗下端攪拌時，瓶塞很容易松動導(dǎo)致有害氣體逸出，此外用可樂瓶罩在1000mL氫氧化鈉溶液中，由于浮力的作用可樂瓶易傾倒而引起實驗安全問題；高飛利用洗耳球、具支試管和多球干燥管等設(shè)計的一體化裝置［3］，可檢測二氧化硫的多種性質(zhì)，實現(xiàn)了實驗的微型化，但由于藥品用量過少，實驗現(xiàn)象很不明顯，另外吸收尾氣時，用洗耳球向裝置中打入空氣來排出殘留的有害氣體，但需要壓入大量的空氣才能消除殘留氣體；黃亞武等利用廣口瓶、干燥管和氣球等儀器設(shè)計了集反應(yīng)、產(chǎn)物檢測和尾氣處理的一體化裝置［4］，能同時完成濃硫酸的性質(zhì)實驗以及多種氣體產(chǎn)物的檢驗，具有簡約、易組裝的特點，但氣球中蘸有濃NaOH溶液的棉花球不能完全吸收裝置中殘存的二氧化硫，拆解裝置時易造成環(huán)境污染；劉亞莉等借助溫度及二氧化碳傳感器測定了濃硫酸與蔗糖反應(yīng)時溫度的變化和濃硫酸與碳反應(yīng)時二氧化碳濃度的變化［5］，但該裝置組裝復(fù)雜，貼在飲料瓶內(nèi)壁上的品紅濾紙條容易掉落從而影響實驗效果。上述改進雖然一定程度上改善了蔗糖與濃硫酸反應(yīng)實驗的教學(xué)效果，但仍然存在著不易操作、實驗儀器難以獲得和尾氣吸收不完全等問題。為了解決實驗中的不足，筆者做了新的改進。3

實驗方案3.1

實驗原理（1）蔗糖與濃硫酸反應(yīng)：C12H22O11濃硫酸12C+11H2OC+2H2SO4（濃）CO2↑+2SO2↑+2H2O（2）二氧化硫和二氧化碳的檢驗：2KMnO4+5SO2+2H2OK2SO4+2MnSO4+2H2SO4CO2+H2OH2CO3H2CO3H++HCO-3（3）二氧化硫、二氧化碳和濃硫酸的處理：SO2+2NaOHNa2SO3+H2OCO2+2NaOHNa2CO3+H2OH2SO4+2NaOHNa2SO4+H2O3.2

實驗改進思路利用圖1（a）中的特制玻璃試管、圖1（b）中的三通閥（接管口外徑為3.2mm）和塑料噴頭（接管口外徑為4mm，工作壓力為1.5～3.5kg，滿足手動所提供的壓力形成噴霧）組裝新的實驗裝置（見圖2）。經(jīng)反復(fù)實踐，確定了蔗糖、濃硫酸和水的用量，保證“黑面包實驗”的震撼效果。改進后的裝置能檢驗反應(yīng)產(chǎn)生的氣體，及時終止有害氣體的產(chǎn)生，確保有害氣體被完全吸收。3.3

實驗儀器及試劑儀器：鐵架臺、特制玻璃試管（帶塞子）、三通閥、塑料噴頭、20mL注射器、100mL燒杯、3段硅膠軟管（內(nèi)徑4mm、外徑6mm）、塑料卡扣、酒精燈、濾紙條（10mm×15mm）、托盤天平、藥匙、鑷子試劑：蔗糖、98%濃硫酸、30%氫氧化鈉溶液、0.01%品紅溶液、0.05%高錳酸鉀溶液、0.01%溴麝香草酚藍(lán)溶液、蒸餾水3.4

實驗操作及現(xiàn)象（1）稱量8.0g蔗糖加入特制試管中，注射器B吸取10mL98%濃硫酸，注射器C吸取20mL空氣，按圖2所示連接儀器，用塑料卡扣固定硅膠軟管與噴頭、控制閥連接處。（2）檢驗裝置氣密性。旋轉(zhuǎn)控制閥1，連通NaOH溶液與噴頭。旋轉(zhuǎn)控制閥2，連通注射器C與特制玻璃試管，用注射器C往裝置內(nèi)注入空氣，若NaOH溶液中有大量氣泡產(chǎn)生，說明裝置氣密性良好。（3）切斷注射器C與特制試管之間的氣流通道，往下推動注射器B，將濃硫酸全部注入試管中?，F(xiàn)象1：注入少量濃硫酸時，試管中混合物由白色逐漸變?yōu)辄S色。隨著試管中濃硫酸的增加，混合物快速從黃色→棕色→黑色。黑色物質(zhì)的體積快速膨脹（約6cm高），試管內(nèi)壁掛有大量水珠?，F(xiàn)象2：蘸有品紅溶液的濾紙條由紅色逐漸變?yōu)闊o色，蘸有高錳酸鉀溶液的濾紙條由紫色快速變?yōu)闊o色，蘸有溴麝香草酚藍(lán)溶液的濾紙條由藍(lán)色逐漸變?yōu)辄S色?，F(xiàn)象3：用手觸摸試管外壁，感受到試管外壁發(fā)燙。（4）加熱裝有品紅試紙的支管，品紅試紙恢復(fù)紅色。（5）終止二氧化硫的產(chǎn)生。當(dāng)產(chǎn)生上述現(xiàn)象后，旋轉(zhuǎn)控制閥1，連通注射器A與NaOH溶液，注射器A吸取20mLNaOH溶液。旋轉(zhuǎn)控制閥1連通注射器A與特制試管，向特制試管中噴入NaOH溶液（既可以終止制氣反應(yīng)，又可以除去管中大部分氣體）。（6）消除剩余二氧化硫。旋轉(zhuǎn)控制閥2，注射器C吸取20mL空氣后，旋轉(zhuǎn)控制閥2連通注射器C與特制試管，注入空氣將支管中的氣體吹入特制試管中，重復(fù)操作（5）除去剩余氣體。4

實驗說明（1）改進后的實驗未進行攪拌，為促進反應(yīng)的進行，開始實驗前應(yīng)將蔗糖研成粉狀，并在稱取后用少量蒸餾水潤濕一下。（2）SO2不會干擾溴麝香草酚藍(lán)試紙的變色情況，溴麝香草酚藍(lán)試紙由藍(lán)色變?yōu)辄S色，說明反應(yīng)產(chǎn)生了一定濃度的CO2。（3）用于終止反應(yīng)、消除剩余氣體的NaOH溶液要足量。（4）特制玻璃試管的支管略向上傾斜，可避免噴淋而下的NaOH溶液污染試紙條，影響試紙的變色情況。（5）實驗結(jié)束后，可以用玻璃棒輕松將產(chǎn)物帶出，將疏松多孔的“黑面包”展示給學(xué)生觀察。5

實驗改進的優(yōu)點（1）裝置簡約，操作簡單。改進后的實驗裝置實現(xiàn)了反應(yīng)、氣體檢驗和氣體吸收的一體化，還可以應(yīng)用到銅與濃硫酸反應(yīng)的實驗中，驗證生成的SO2氣體。該裝置適用于學(xué)生分組實驗，不僅增加學(xué)生動手實驗的機會，而且讓學(xué)生對濃硫酸的特性有近距離接觸，從而提高學(xué)生學(xué)習(xí)和探究的興趣。（2）現(xiàn)象明顯，便于觀察。一方面，向特制試管中注入濃硫酸，可清晰地觀察到逐漸上升的多孔海綿狀碳柱。另一方面，特制試管中產(chǎn)生的氣體濃度大，三種試紙變色快，直觀地證明了反應(yīng)產(chǎn)生的SO2和CO2氣體，有效提升學(xué)生的實驗興趣和科學(xué)探究意識。（3）有益環(huán)保，安全性高。注射器、三通閥與噴頭的配合使用，不僅可以及時終止反應(yīng)繼續(xù)產(chǎn)生有害氣體，還能充分吸收特制試管中殘留的有害氣體，有利于培養(yǎng)學(xué)生的綠色化學(xué)觀念和環(huán)保意識。參考文獻：［1］普通高中教科書·化學(xué)必修（第二冊）［M］.北京：人民教育出版社，2019：4.［2］蔗糖與濃硫酸反應(yīng)實驗的新設(shè)計［J］.化學(xué)教學(xué)，201