基于數(shù)字化實(shí)驗(yàn)對(duì)濃硫酸特性的一體化探究

王旭斌

摘要：創(chuàng)新設(shè)計(jì)濃硫酸與蔗糖的“黑面包”實(shí)驗(yàn)裝置，利用濕度傳感器與二氧化碳傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)密閉實(shí)驗(yàn)裝置內(nèi)相對(duì)濕度以及二氧化碳濃度的變化，通過(guò)宏觀辨識(shí)、微觀探析、曲線分析的三重表征方式，一體化探究濃硫酸的特性及“黑面包”實(shí)驗(yàn)的產(chǎn)物。

關(guān)鍵詞：濕度傳感器;二氧化碳傳感器;濃硫酸特性;一體化

文章編號(hào)：1008-0546（2020）01-0082-04 中圖分類號(hào)：G633.8 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2020.01.023

《普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017版）》明確指出，“常見(jiàn)的無(wú)機(jī)物及其應(yīng)用”這一必修主題中，“不同化合價(jià)含硫化合物的轉(zhuǎn)化”為學(xué)生必做實(shí)驗(yàn)。因此“濃硫酸的特性探究”依然是高中生學(xué)習(xí)元素及其化合物知識(shí)的必備實(shí)驗(yàn)，而我們知道濃硫酸與蔗糖的“黑面包”實(shí)驗(yàn)是一經(jīng)典實(shí)驗(yàn)，它不僅可以讓學(xué)生留下深刻的印象，同時(shí)可幫助學(xué)生理解濃硫酸的相關(guān)重要性質(zhì)及培養(yǎng)學(xué)生實(shí)驗(yàn)探究的科學(xué)思維。

現(xiàn)行人教版和蘇教版對(duì)于“黑面包”實(shí)驗(yàn)操作方法都有介紹，人教版：在燒杯中放入蔗糖，滴入適量水，攪拌均勻，然后再加入濃硫酸，迅速攪拌，觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象Ⅲ。蘇教版：取2g蔗糖放人大試管中，加2～3滴水，再加人約3mL濃硫酸，迅速攪拌，然后塞上帶玻璃導(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。而對(duì)于以上兩種設(shè)計(jì)方案許多老師提出了不足?；谠械膶?shí)驗(yàn)方案，老師們紛紛做出了改進(jìn)與創(chuàng)新。如王建芬、齊俊林研究的“蔗糖與濃硫酸反應(yīng)實(shí)驗(yàn)的創(chuàng)新設(shè)計(jì)”，在人教版實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，利用廢棄的可樂(lè)瓶、水槽和分液漏斗設(shè)計(jì)了一套環(huán)保的“黑面包”實(shí)驗(yàn)裝置，如圖1;陳益、徐守兵研究的“濃硫酸系列性質(zhì)實(shí)驗(yàn)的一體化和綠色化設(shè)計(jì)”，在蘇教版實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上，將大試管與球形干燥管結(jié)合，在干燥管內(nèi)自下而上分別加入了含品紅的脫脂棉、濕潤(rùn)的藍(lán)色石蕊試紙和含氫氧化鈉溶液的脫脂棉來(lái)檢驗(yàn)“黑面包”實(shí)驗(yàn)的生成物及尾氣處理，裝置如圖2;吳松原、佟檜群等研究的“蔗糖與濃硫酸反應(yīng)一體化實(shí)驗(yàn)的再改進(jìn)”利用100mL的三頸燒瓶、環(huán)形玻璃攪拌棒、醫(yī)用玻璃瓶、軟膠管及相應(yīng)的試劑設(shè)計(jì)了一套密封、環(huán)保的“黑面包”的形成及產(chǎn)物一體化檢驗(yàn)裝置，如圖3;何婧、喬金鎖等研究的“蔗糖與濃硫酸反應(yīng)實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)及反應(yīng)產(chǎn)物的定性檢測(cè)”，以及高飛研究的“濃硫酸使蔗糖脫水實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)和創(chuàng)新”，裝置設(shè)計(jì)上有共性：密封體系，藥品用量少，注重環(huán)保，產(chǎn)物的確認(rèn)及性質(zhì)檢驗(yàn)完整，如圖4與圖5。

從以上不同的“黑面包”實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)不難發(fā)現(xiàn)，證明了濃硫酸脫水性和強(qiáng)氧化性的同時(shí)，圍繞節(jié)能（微型、藥品少）、環(huán)保（尾氣處理）及產(chǎn)物的驗(yàn)證（直觀、方便）等角度進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì)，從而優(yōu)化了教材中的原有方案。然而，所有“黑面包”改進(jìn)實(shí)驗(yàn)中并沒(méi)有證明濃硫酸吸水性，而且都是局限于傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)儀器和實(shí)驗(yàn)方法的改進(jìn)，缺乏現(xiàn)代傳感技術(shù)和計(jì)算機(jī)的應(yīng)用，難以提高學(xué)生的信息素養(yǎng)。那么，在“黑面包”的實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，濃硫酸的吸水性如何驗(yàn)證呢？房壽高研究的“濃硫酸性質(zhì)實(shí)驗(yàn)的整合創(chuàng)新設(shè)計(jì)”給了筆者很好的提示：“他利用往兩支小試管中‘哈氣使試管內(nèi)壁起水霧而變得模糊，然后往其中一支試管中滴加濃硫酸后對(duì)比兩試管模糊度，發(fā)現(xiàn)滴加濃硫酸的試管因濃硫酸吸收了水霧使管壁變得清晰，從而說(shuō)明濃硫酸的吸水性?！边@一設(shè)計(jì)非常巧妙，讓筆者認(rèn)識(shí)到在“黑面包”實(shí)驗(yàn)過(guò)程中加入濃硫酸時(shí)周圍的水蒸氣被濃硫酸吸收從而導(dǎo)致空氣濕度下降，只不過(guò)濕度的變化肉眼不能識(shí)別，因此傳統(tǒng)的“黑面包”實(shí)驗(yàn)中濃硫酸的吸水性才避而不談。那我們能否參考房老師的實(shí)驗(yàn)方法來(lái)檢驗(yàn)濃硫酸的吸水性從而實(shí)現(xiàn)三大特性一體化探究呢？經(jīng)過(guò)嘗試，筆者發(fā)現(xiàn)，“哈氣”起霧受到周圍環(huán)境溫度的影響，溫度較低時(shí)水霧保留較久，而溫度高的時(shí)候，水霧很快就消失了，方法還是存在缺陷。那么，有沒(méi)有更好的方法或技術(shù)來(lái)證明空氣濕度的變化呢？基于對(duì)數(shù)字化實(shí)驗(yàn)的了解，筆者聯(lián)想到了“相對(duì)濕度傳感器”，它可以檢測(cè)出空氣中細(xì)微的濕度變化，正好符合實(shí)驗(yàn)要求。因此，筆者結(jié)合數(shù)字化實(shí)驗(yàn)，設(shè)計(jì)了利用濕度傳感器以及二氧化碳傳感器來(lái)輔助探究濃硫酸三大特性的創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)方案，達(dá)到了通過(guò)凸顯“黑面包”實(shí)驗(yàn)的宏觀現(xiàn)象及曲線表征來(lái)一體化證明濃硫酸吸水性、脫水性和強(qiáng)氧化性的目的。

一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/p>

創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)儀器結(jié)合現(xiàn)代傳感器技術(shù)（濕度傳感器以及二氧化碳傳感器）探究濃硫酸的“黑面包”實(shí)驗(yàn)，通過(guò)宏觀辨識(shí)、微觀探析和曲線分析三重表征的方式理解濃硫酸的吸水性、脫水性、強(qiáng)氧化性以及“黑面包”實(shí)驗(yàn)的產(chǎn)物。

二、實(shí)驗(yàn)部分

1.藥品與試劑

98.3%的濃硫酸，蒸餾水，蔗糖，0.01mol·L^-1酸性高錳酸鉀溶液，濃氫氧化鈉溶液。

2.儀器

朗威DISLab8.0濕度傳感器、二氧化碳傳感器、數(shù)據(jù)采集器、鐵架臺(tái)、磁力攪拌器、攪拌磁子、150mL改裝三頸燒瓶（瓶底有小凹槽）、塑料膠管、50mL小燒杯、10mL注射器、30mL注射器、魯爾管（耐酸、堿）、試管刷、碾缽。

3.實(shí)驗(yàn)裝置，如圖6

4.買驗(yàn)步驟

（1）添加藥品

如圖6所示，將攪拌磁子置于三頸燒瓶凹槽處，滴加兩滴蒸餾水，再加入約2g碾磨過(guò)的蔗糖于三頸燒瓶凹槽處，取一支10mL注射器抽取約3mL濃硫酸，取兩支30mL注射器，其中一支抽取約3-5mL稀酸性高錳酸鉀溶液，另一支抽取20mL濃氫氧化鈉溶液備用。

（2）搭建裝置

三頸燒瓶用鐵架臺(tái)固定，置于磁力攪拌器正上方，裝有濃硫酸與酸性高錳酸鉀溶液的兩注射器分別通過(guò)魯爾管和針頭固定于膠塞上，膠塞塞人中間瓶口，二氧化碳傳感器、相對(duì)濕度傳感器分別與三頸燒瓶?jī)蓚?cè)瓶口相接，傳感器通過(guò)數(shù)據(jù)采集器與電腦相接。

（3）實(shí)驗(yàn)操作

打開(kāi)朗威DISLab8.0軟件，點(diǎn)擊通用軟件，軟件顯示三頸燒瓶?jī)?nèi)二氧化碳濃度及空氣濕度值，待數(shù)據(jù)穩(wěn)定后，點(diǎn)擊曲線顯示，電腦實(shí)時(shí)采集二氧化碳濃度及相對(duì)濕度的數(shù)值變化;打開(kāi)魯爾管開(kāi)關(guān)，將濃硫酸加入三頸燒瓶中，觀察蔗糖顏色變化及相對(duì)濕度變化，同時(shí)打開(kāi)磁力攪拌器開(kāi)關(guān)，快速攪拌2～3秒，繼續(xù)觀察蔗糖變化以及二氧化碳濃度和相對(duì)濕度變化;待數(shù)據(jù)穩(wěn)定，停止采集，抽取適量燒瓶?jī)?nèi)的氣體于酸性高錳酸鉀的注射器中觀察溶液顏色變化;最后將濃氫氧化鈉溶液利用注射器加入三頸燒瓶中，進(jìn)行氣體綠色處理。

三、實(shí)驗(yàn)條件控制和結(jié)論

1.反應(yīng)條件的控制

（1）蔗糖、蒸餾水與濃硫酸的用量

本實(shí)驗(yàn)選擇碾成粉末狀的蔗糖2g，98.3%的濃硫酸3mL以及2滴蒸餾水進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。首先，本著節(jié)約、環(huán)保的原則能確?！昂诿姘毙纬?其次，藥品用量過(guò)多會(huì)導(dǎo)致密閉體系內(nèi)氣體濃度過(guò)大使傳感器數(shù)據(jù)顯示延后或超出量程，甚至損壞傳感器。

（2）三頸燒瓶的改裝

由于實(shí)驗(yàn)取用的蔗糖和濃硫酸的量比較少，若直接在原裝的三頸燒瓶中用磁力攪拌磁子，蔗糖與濃硫酸的混合物容易散開(kāi)，不易聚熱，難以形成“黑面包”。因此，三頸燒瓶底部高溫?zé)瞥鲆话疾?，攪拌磁子?滴蒸餾水恰好在凹槽處，再加入蔗糖、濃硫酸攪拌，熱量自下而上使“黑面包”更易形成。

2.結(jié)果分析

（1）濃硫酸脫水性探究結(jié)果如圖7。

宏觀辨識(shí)：白色到黑色，脫水碳化，說(shuō)明濃硫酸具有脫水性。

（2）“黑面包”實(shí)驗(yàn)產(chǎn)物SO2探究結(jié)果如圖8。

宏觀辨識(shí)：紫紅色酸性高錳酸鉀溶液褪色，說(shuō)明有還原性的SO2氣體生成;

微觀探析：硫元素化合價(jià)從+6降到+4價(jià)，說(shuō)明濃硫酸有得電子的能力，因此具有氧化性。

（3）數(shù)字化探究“黑面包”實(shí)驗(yàn)中三頸燒瓶?jī)?nèi)相對(duì)濕度和二氧化碳濃度，結(jié)果如圖9。

曲線分析：40s到70s相對(duì)濕度開(kāi)始下降，說(shuō)明水蒸氣濃度下降，濃硫酸有吸水性，80s后二氧化碳濃度不斷上升，說(shuō)明“黑面包”實(shí)驗(yàn)有二氧化碳生成;而70s后相對(duì)濕度又上升，說(shuō)明體系中水蒸氣濃度上升。綜合分析，水蒸氣來(lái)源主要有兩個(gè)：一是濃硫酸使蔗糖脫出的水受熱蒸發(fā);二是碳和濃硫酸反應(yīng)生成二氧化碳和二氧化硫的同時(shí)還生成了水蒸汽。

四、實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新與反思

1.創(chuàng)新點(diǎn)

（1）用三頸燒瓶代替教材中的大試管作為“黑面包”實(shí)驗(yàn)發(fā)生裝置，三頸燒瓶底部高溫?zé)瞥霭疾郏ㄗ饔茫悍胖脭嚢璐抛樱?，攪拌磁子代替玻璃棒攪拌，保留?jīng)典“黑面包”的同時(shí)，加料、氣體檢驗(yàn)及尾氣吸收都在密閉裝置中進(jìn)行，綠色環(huán)保。

（2）用濕度傳感器、二氧化碳傳感器實(shí)時(shí)檢測(cè)燒瓶?jī)?nèi)空氣濕度及二氧化碳濃度的變化，直觀反映濃硫酸的特性及“黑面包”實(shí)驗(yàn)的產(chǎn)物。

2.反思

以教育信息化帶動(dòng)教育現(xiàn)代化，是我國(guó)教育事業(yè)發(fā)展的戰(zhàn)略選擇。信息技術(shù)與學(xué)科教育的深度融合是中學(xué)教學(xué)的突破口，將“數(shù)字化實(shí)驗(yàn)”引入高中化學(xué)教學(xué)，成為當(dāng)前改進(jìn)中學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的新趨勢(shì)。因?yàn)閿?shù)字化實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)了實(shí)驗(yàn)手段的數(shù)字化、測(cè)量呈現(xiàn)實(shí)時(shí)化、現(xiàn)象規(guī)律可視化、操作測(cè)量簡(jiǎn)單化，解決了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)中只能定性不能定量，即使定量卻又無(wú)法呈現(xiàn)過(guò)程的狀況，所以數(shù)字化實(shí)驗(yàn)在保留傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上超越了傳統(tǒng)。而學(xué)生通過(guò)利用傳感器技術(shù)對(duì)化學(xué)實(shí)驗(yàn)的探究，不僅提高了信息技術(shù)的能力，而且能夠很好激發(fā)創(chuàng)新思維，是當(dāng)前新課改“核心素養(yǎng)”教學(xué)的有效途徑。