燃糖成“蛇”趣味實(shí)驗(yàn)的探究

黃敏+丁偉

摘要：蔗糖與小蘇打（NaHCO3）的混合物在催化燃燒時會產(chǎn)生燃糖成“蛇”的有趣現(xiàn)象。根據(jù)燃燒時間、灰“蛇”長度和蔗糖的反應(yīng)程度，比較多種不同催化劑對燃糖成“蛇”的催化效果，并進(jìn)一步探究催化劑顆粒對催化效果的影響。結(jié)果表明，活性炭、石墨粉和碳酸鎂的催化效果相對較好；催化劑的顆粒越小，其比表面積越大，對燃糖成“蛇”實(shí)驗(yàn)的催化效果越好。

關(guān)鍵詞：蔗糖；燃糖成“蛇”；催化效果；實(shí)驗(yàn)探究

文章編號：1005–6629（2017）12–0052–03 中圖分類號：G633.8 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

蔗糖是一種常見的二糖，廣泛存在于甘蔗、甜菜、水果中，由1分子葡萄糖和1分子果糖脫水縮合而成。蔗糖的熔點(diǎn)為185～186℃，著火點(diǎn)為410℃，直接加熱時易發(fā)生熔融、炭化，但不易燃燒。

在蘇教版《實(shí)驗(yàn)化學(xué)》教材中設(shè)置了關(guān)于“蔗糖的燃燒”的拓展課題，該實(shí)驗(yàn)先使用香煙灰作為催化劑進(jìn)行蔗糖燃燒實(shí)驗(yàn)，之后在石棉網(wǎng)上鋪一層礱糠灰（稻米殼燒成的灰燼）作為催化劑進(jìn)行燃糖成“蛇”實(shí)驗(yàn)[1]。經(jīng)實(shí)驗(yàn)表明，有多種灰燼能催化蔗糖的燃燒。那么，究竟是灰燼中的何種化學(xué)物質(zhì)對燃糖成“蛇”實(shí)驗(yàn)起催化作用呢？在現(xiàn)有研究的基礎(chǔ)上，本研究選用若干種純化學(xué)物質(zhì)對比不同催化劑對燃糖成“蛇”實(shí)驗(yàn)的催化效果，并對催化劑顆粒大小的影響展開實(shí)驗(yàn)探究，旨在為這一問題的解決提供一些思路和依據(jù)。

1 燃糖成“蛇”實(shí)驗(yàn)的研究概況

關(guān)于蔗糖的燃燒及燃糖成“蛇”實(shí)驗(yàn)，國內(nèi)外文獻(xiàn)介紹較多的是有關(guān)蔗糖燃燒實(shí)驗(yàn)中采用的催化劑。日本的《化學(xué)の教育》這樣分析：蔗糖燃燒時加入的香煙灰中含有碳酸鹽，碳酸鹽是該反應(yīng)的催化劑[2]。美國也有化學(xué)期刊方面的文獻(xiàn)報導(dǎo)：香煙灰含有稀土金屬離子，稀土金屬離子對蔗糖的燃燒具有催化作用[3]。國內(nèi)，葉燕珠等人對蔗糖燃燒中的催化劑種類進(jìn)行實(shí)驗(yàn)探究，通過使用各種純化學(xué)試劑進(jìn)行蔗糖的燃燒實(shí)驗(yàn)，推斷得出是一些金屬氧化物在起催化作用[4]。

對于燃糖成“蛇”的實(shí)驗(yàn)，相關(guān)的實(shí)驗(yàn)研究較少。其中，趙琦設(shè)計(jì)一系列實(shí)驗(yàn)分別探究了催化劑種類、蔗糖和小蘇打混合物的比例以及催化劑顆粒對燃糖成“蛇”實(shí)驗(yàn)效果的影響。該研究以灰“蛇”長度、反應(yīng)的持續(xù)性和最終的反應(yīng)程度作為催化效果比較的指標(biāo)。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，所使用的頭發(fā)灰、棉花灰、稻草灰、茶葉灰和活性炭中，稻草灰和活性炭的催化效果較好；催化劑經(jīng)碾細(xì)后催化效果更好；蔗糖與小蘇打的質(zhì)量比為8：1時，混合物的燃燒效果較好[5]。

2 實(shí)驗(yàn)探究

在現(xiàn)有研究的基礎(chǔ)上，本研究選用了若干種純化學(xué)物質(zhì)，以燃燒時間、灰“蛇”長度和蔗糖最終的反應(yīng)程度作為指標(biāo)，比較不同催化劑對燃糖成“蛇”實(shí)驗(yàn)的催化效果，再進(jìn)一步探究催化劑顆粒大小對催化效果的影響。

2.1 實(shí)驗(yàn)原理

在蔗糖與小蘇打混合物的催化燃燒實(shí)驗(yàn)中，形成燃糖成“蛇”的現(xiàn)象主要是利用了固體物質(zhì)反應(yīng)產(chǎn)生的氣體使疏松的物質(zhì)膨脹的原理。

混合物加熱后，蔗糖會形成碳和一些碳化物固體，小蘇打受熱分解生成二氧化碳?xì)怏w。疏松的固體混合物就在二氧化碳?xì)怏w的作用下逐漸膨脹，進(jìn)而形成柱狀產(chǎn)物。

2.2 不同催化劑的催化效果比較

根據(jù)對已有研究的分析，首先選取多種不同的純化學(xué)物質(zhì)作為燃糖成“蛇”實(shí)驗(yàn)中的催化劑，類別包括非金屬單質(zhì)、金屬氧化物和鹽類，具體見表1。

2.2.1 實(shí)驗(yàn)過程

（1）按8：1的質(zhì)量比分別稱取干燥的蔗糖（本實(shí)驗(yàn)使用的蔗糖為白砂糖）和小蘇打，置于研缽中混合研磨；

（2）在潔凈的石棉網(wǎng)上鋪上一層催化劑，稱取0.3g研磨好的混合物置于催化劑層上，堆成“小山”狀；

（3）用滴管滴加15滴酒精（95%）于上述白色混合物四周的催化劑層上，再用火柴引燃，同時開始計(jì)時；

（4）觀察現(xiàn)象，直到混合物燃燒結(jié)束，記錄燃燒時間和蔗糖的反應(yīng)程度，最后測量并記錄灰“蛇”長度；

（5）更換催化劑，重復(fù)步驟（2）～（4）。

2.2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

引燃白色混合物后，可以清晰地觀察到混合物表面發(fā)生熔化、炭化，然后逐漸爬出一條灰黑色的“小蛇”（見圖1），燃燒時還會聞到類似棉花糖的香甜氣味。

根據(jù)上述結(jié)果可以作以下幾點(diǎn)分析：

（1）活性炭和石墨粉對燃糖成“蛇”反應(yīng)有很好的催化效果；

（2）總體上，金屬氧化物的催化效果較為良好，但氧化鐵和二氧化錳的效果稍差一些；

（3）在選用的鹽類中，碳酸鹽的催化效果參差不齊，碳酸鎂最好，碳酸鈣次之，而碳酸鉀和碳酸鈉幾乎不具有催化效果；各種氯化物的催化效果相近，且效果一般。由此可見，并不是所有鹽類都會對燃糖成“蛇”反應(yīng)起催化作用。

2.3 催化劑顆粒大小與催化效果

根據(jù)上述多種不同催化劑的實(shí)驗(yàn)探究結(jié)果，可以發(fā)現(xiàn)催化效果相對較好的催化劑是活性炭、石墨粉和碳酸鎂，而這三者在狀態(tài)上均為粉末狀固體，且顆粒較為細(xì)小。據(jù)此進(jìn)一步提出猜想：燃糖成“蛇”實(shí)驗(yàn)的催化效果可能與催化劑的顆粒大小有關(guān)，顆粒越小，催化效果越好。

按照這一猜想，另外選取了粉末狀顆粒人造沸石（AmBpO2p·nH2O，A為Ca、Na、K、Ba、Sr等，B為Al和Si）和瓊脂[（C12H18O9）n]，以及球狀顆粒藍(lán)色硅膠（mSiO2·nH2O）和分子篩（硅鋁酸鹽）作為催化劑層，按照相同的操作步驟再次進(jìn)行燃糖成“蛇”實(shí)驗(yàn)。探究結(jié)果見表3。

由表3可知，探究結(jié)果符合上述猜想：催化劑的顆粒越小，燃糖成“蛇”實(shí)驗(yàn)的催化效果越好。

2.4 結(jié)論

燃糖成“蛇”實(shí)驗(yàn)中的化學(xué)反應(yīng)發(fā)生在催化劑的表面上，因此催化劑的比表面積大小直接影響催化劑的活性高低。若催化劑的表面性質(zhì)是均勻的，催化劑的活性則與其表面積成正比[6]。通過上述的實(shí)驗(yàn)探究，可初步得出結(jié)論：在本研究選用的純化學(xué)物質(zhì)中，對燃糖成“蛇”實(shí)驗(yàn)具有催化作用的物質(zhì)占大多數(shù)，其中活性炭、石墨粉和碳酸鎂的催化效果相對較好；而催化劑的催化效果與其顆粒大小有關(guān)，顆粒越小，其比表面積越大，活性越高，對燃糖成“蛇”實(shí)驗(yàn)的催化效果越好。

3 啟示

相比較蔗糖的催化燃燒實(shí)驗(yàn)，蔗糖燃糖成“蛇”的實(shí)驗(yàn)更具趣味性和探究性，對相關(guān)的教學(xué)實(shí)踐具有以下兩方面啟示意義。

（1）燃糖成“蛇”的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象生動有趣，催化劑取材方便，實(shí)驗(yàn)結(jié)果好壞又涉及多方面因素，故較為容易設(shè)計(jì)成趣味實(shí)驗(yàn)供學(xué)生進(jìn)行自主探究，讓學(xué)生在實(shí)驗(yàn)中體會控制變量的科學(xué)思想，培養(yǎng)嚴(yán)謹(jǐn)系統(tǒng)的邏輯思維，形成積極主動的探究意識。

（2）在引燃蔗糖和小蘇打的混合物時，可以觀察到催化劑中含有的金屬元素在燃燒時所產(chǎn)生火焰的特有顏色，故燃糖成“蛇”實(shí)驗(yàn)可以與金屬的焰色反應(yīng)相結(jié)合進(jìn)行教學(xué)，既增加了實(shí)驗(yàn)的觀賞性，又豐富了實(shí)驗(yàn)的內(nèi)容。

參考文獻(xiàn)：

[1]王祖浩主編.普通高中課程標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)教科書·實(shí)驗(yàn)化學(xué)（選修）[M].南京：江蘇教育出版社，2014：52～53.

[2][3][4]葉燕珠，吳新建，張賢金，汪阿戀.幾個初中化學(xué)趣味實(shí)驗(yàn)及相關(guān)探究課題[J].化學(xué)教學(xué)，2015，（1）：52～55.

[5]趙琦.蔗糖催化燃燒的實(shí)驗(yàn)探究設(shè)計(jì)[J].化學(xué)教育，2009，（1）：69～70.

[6]劉旦初主編.多相催化原理[M].上海：復(fù)旦大學(xué)出版社，1997：41～42.endprint