蔗糖與濃硫酸反應(yīng)實(shí)驗(yàn)的新設(shè)計(jì)

張麗敏

摘要： “蔗糖與濃硫酸反應(yīng)”實(shí)驗(yàn)的副產(chǎn)物二氧化硫和酸霧，易污染教學(xué)環(huán)境，有必要對實(shí)驗(yàn)進(jìn)行改進(jìn)。利用燒杯、微型電動(dòng)吸氣泵、玻璃棒、紅外測溫儀等器材的組合，重新設(shè)計(jì)了一套實(shí)驗(yàn)裝置。此裝置解決了實(shí)驗(yàn)過程中的污染問題，還可驗(yàn)證反應(yīng)產(chǎn)物中主要污染物的成分。

關(guān)鍵詞： 蔗糖; 濃硫酸; 二氧化硫; 實(shí)驗(yàn)改進(jìn)

文章編號(hào)： 1005-6629（2021）12-0075-03

中圖分類號(hào)： G633.8

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： B

1 問題提出

蔗糖與濃硫酸反應(yīng)實(shí)驗(yàn)是現(xiàn)行高中化學(xué)教材[1～4]中的一個(gè)經(jīng)典實(shí)驗(yàn)，各個(gè)版本其實(shí)驗(yàn)方法都是大同小異。盡管這些高中化學(xué)教材提供的實(shí)驗(yàn)方法及裝置比較簡單、便于操作、易于觀察，并能較好地說明濃硫酸的脫水性和強(qiáng)氧化性，基本達(dá)到預(yù)期的實(shí)驗(yàn)效果。但教材中的實(shí)驗(yàn)仍存在以下三個(gè)方面的不足： 一是反應(yīng)產(chǎn)生的副產(chǎn)物二氧化硫和酸霧會(huì)污染教學(xué)環(huán)境，不符合環(huán)保要求;二是實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生的有毒氣體，無法得到實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證;三是不能讓觀察者感知反應(yīng)為放熱反應(yīng)。這些均不利于培養(yǎng)學(xué)生的感性認(rèn)識(shí)，也不利于學(xué)生對知識(shí)點(diǎn)的理解和掌握。那么，如何克服高中化學(xué)教材中蔗糖與濃硫酸的反應(yīng)實(shí)驗(yàn)方法的這些短板呢？經(jīng)過潛心研究發(fā)現(xiàn)，利用玻璃燒杯、透明塑料桶、微型電動(dòng)吸氣泵、紅外測溫儀等儀器組合成一套演示實(shí)驗(yàn)裝置，可使問題迎刃而解。

2 文獻(xiàn)中相關(guān)研究案例簡介

為了進(jìn)一步研究蔗糖與濃硫酸的反應(yīng)實(shí)驗(yàn)的新方法，我們查閱了大量的化學(xué)期刊和文獻(xiàn)，發(fā)現(xiàn)登載的有關(guān)蔗糖與濃硫酸反應(yīng)實(shí)驗(yàn)的研究論文并不多。盡管廣大同仁對該實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了認(rèn)真的研究和探討，設(shè)計(jì)出不同的實(shí)驗(yàn)方法，解決了一定的實(shí)際問題，但仍有不盡如人意的地方。研究發(fā)現(xiàn)，有的實(shí)驗(yàn)方法[5～7]并沒有解決二氧化硫及其酸霧對教學(xué)環(huán)境的污染問題，有的實(shí)驗(yàn)方法[8]看似解決了污染問題，但因蔗糖與濃硫酸

的反應(yīng)較為劇烈，在短時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生大量氣體和熱量，使反應(yīng)裝置內(nèi)的壓強(qiáng)突然增大，導(dǎo)致有毒氣體和酸霧迅速逸出，氫氧化鈉溶液不能及時(shí)吸收反應(yīng)生成的大量氣體，仍然造成室內(nèi)環(huán)境污染。

實(shí)驗(yàn)方法上也沒有很好地證明有毒氣體的主要成分。課堂演示時(shí)，不能通過明顯的數(shù)字變化顯示反應(yīng)前后的溫度變化，只能用手觸摸的方法證明“蔗糖與濃硫酸反應(yīng)”是一個(gè)放熱反應(yīng)。

因此“蔗糖與濃硫酸反應(yīng)”實(shí)驗(yàn)還有較大的研究空間，有必要進(jìn)一步完善和優(yōu)化實(shí)驗(yàn)方法，使其更加合理化。

3 設(shè)計(jì)理念

在前人實(shí)驗(yàn)研究的基礎(chǔ)上，我們認(rèn)為，要進(jìn)一步完善實(shí)驗(yàn)方法，應(yīng)該注意以下幾個(gè)方面：

（1） 掌握好蔗糖、水、濃硫酸的用量，保證濃硫酸具有較高的濃度（最好用新開封的濃硫酸）。

（2） 為了使實(shí)驗(yàn)效果更好，可以改砂糖為綿白糖。為增大糖與濃硫酸的接觸面積，應(yīng)將綿白糖研磨成粉末狀。

（3） 為使反應(yīng)物混合均勻，反應(yīng)迅速，反應(yīng)開始前要用玻璃棒不斷攪拌綿白糖、水和濃硫酸的混合物。

（4） 由于蔗糖與濃硫酸的反應(yīng)是放熱反應(yīng)，可在玻璃燒杯內(nèi)進(jìn)行。并利用紅外測溫儀測得反應(yīng)前后的溫度變化，讓全體學(xué)生一目了然，這個(gè)反應(yīng)是一個(gè)放熱反應(yīng)。

（5） 既能讓學(xué)生觀察到明顯的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，又要解決二氧化硫的污染問題，可以在透明的鐘罩內(nèi)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作。

（6） 利用微型電動(dòng)吸氣泵抽出反應(yīng)生成的二氧化硫氣體及酸霧，并用氫氧化鈉溶液來吸收這些廢氣。

（7） 可以通過高錳酸鉀稀溶液褪色來檢驗(yàn)二氧化硫的生成。

4 設(shè)計(jì)方法

（1） 嚴(yán)格選取和處理實(shí)驗(yàn)所需藥品： 綿白糖（研磨成粉末狀）、水和濃硫酸（現(xiàn)開封的）。

（2） 由于綿白糖粉末與水混合不會(huì)發(fā)生反應(yīng)，故先將兩者混合好放在玻璃燒杯內(nèi)，并用玻璃棒攪拌均勻。

（3） 打開微型電動(dòng)吸氣泵，以便使鐘罩內(nèi)有毒氣體順利通過灌腸注射器內(nèi)蘸有氫氧化鈉溶液的棉團(tuán)。

（4） 將濃硫酸沿?zé)瓋?nèi)壁慢慢倒入其中。

（5） 利用玻璃棒上蘸有高錳酸鉀稀溶液的濾紙條檢驗(yàn)生成的二氧化硫氣體。

（6） 利用灌腸注射器內(nèi)脫脂棉中的氫氧化鈉溶液吸收多余的二氧化硫氣體，從而消除污染。

（7） 利用紅外測溫儀測量反應(yīng)前后的溫度變化。

（8） 反應(yīng)時(shí)利用裝置內(nèi)的玻璃棒進(jìn)行攪拌。

5 實(shí)驗(yàn)原理

（1） 蔗糖與濃硫酸的反應(yīng)：

C12H22O11濃硫酸12C+11H2O

C+2H2SO4（濃）CO2↑+2SO2↑+2H2O

（2） 氫氧化鈉溶液對二氧化碳、二氧化硫和酸霧的吸收：

CO2+2NaOHNa2CO3+H2O

SO2+2NaOHNa2SO3+H2O

H2SO4+2NaOHNa2SO4+2H2O

（3） 二氧化硫的檢驗(yàn)：

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

6 實(shí)驗(yàn)方案

6.1 實(shí)驗(yàn)材料

小燒杯（100mL）1個(gè)、微型電動(dòng)吸氣泵（24V）1個(gè)、灌腸注射器注射管（100mL）1支、紅外測溫儀1個(gè)、單孔5號(hào)橡膠塞1個(gè)、3號(hào)單孔橡膠塞2個(gè)、玻璃棒2根、滴管1支、鐵架臺(tái)、鐵夾、十字夾各1個(gè)、研缽、缽杵各1個(gè)、木板（15cm×3cm×1.5cm）1塊、木螺絲4個(gè)、濾紙條、細(xì)線、脫脂棉若干

綿白糖、濃硫酸、蒸餾水、2%高錳酸鉀溶液、10%氫氧化鈉溶液

6.2 實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示。

說明： A-微型電動(dòng)吸氣泵;B-灌腸注射器注射管;C-蘸有10%氫氧化鈉溶液的脫脂棉;D-固定在鐘罩上的玻璃棒;E-固定玻璃棒的木板;F-透明塑料鐘罩;G-蘸有2%高錳酸鉀溶液的濾紙條;H-綿白糖、水和硫酸的混合物。

6.3 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

（1） 取10g綿白糖固體顆粒，放在研缽里將其研磨成粉末狀（越細(xì)越好）。

（2） 取一個(gè)透明塑料空油桶（容積5L），用水洗凈，然后用剪刀將桶底剪掉（如圖2所示）。

（3） 取一塊長等于油桶直徑、寬3cm、厚1.5cm的木板，用木鉆在木板中央鉆一個(gè)孔（如圖3所示）。

（4） 用螺絲將帶孔的木板固定在無底油桶的內(nèi)側(cè)壁上（如圖4所示）。

（5） 將帶膠塞的玻璃棒、灌腸注射器的針管以及微型電動(dòng)吸氣泵固定在無底油桶上，并在注射器針管內(nèi)裝入蘸有10%氫氧化鈉溶液的脫脂棉，在玻璃棒上裹上兩層蘸有高錳酸鉀溶液的濾紙條，然后用細(xì)線扎緊（如圖5所示）。

（6） 將（5）組合好的儀器用鐵夾、十字夾等固定在鐵架臺(tái)上。

6.4 操作過程

（1） 在燒杯內(nèi)加入10g錦白糖粉末后，用膠頭滴管向綿白糖粉末上滴加10滴蒸餾水，用另一根玻璃棒攪拌均勻后放在鐘罩下部，調(diào)節(jié)鐘罩的高度，使鐘罩內(nèi)玻璃棒下端與燒杯底部相隔1～2mm左右。

（2） 接通微型電動(dòng)吸氣泵的電源，徐徐抽取鐘罩內(nèi)的氣體。

（3） 將10mL濃硫酸沿小燒杯內(nèi)壁加入其中。

（4） 用紅外測溫儀測量反應(yīng)前燒杯外壁的溫度為20℃。

（5） 用手握住小燒杯的外壁，順時(shí)針或逆時(shí)針慢慢搖動(dòng)小燒杯，使玻璃棒輕輕攪動(dòng)燒杯底部的綿白糖、水及濃硫酸的混合物，反應(yīng)立即進(jìn)行，瓶內(nèi)混合物從白色迅速變成黑色物質(zhì)（C12H22O11濃硫酸12C+11H2O），并不斷膨脹（此時(shí)放開握燒杯的手，以防燙傷），反應(yīng)產(chǎn)生大量氣體（C+2H2SO4（濃）

CO2↑+2SO2↑+2H2O），玻璃棒上蘸有高錳酸鉀溶液的濾紙由紅色逐漸褪為無色（2KMnO4+5SO2+2H2OK2SO4+2MnSO4+2H2SO4），片刻黑色物質(zhì)充滿整個(gè)燒杯，此時(shí)用紅外測溫儀測出燒杯外壁的溫度為105℃，由此說明蔗糖與濃硫酸的反應(yīng)是放熱反應(yīng)。

（6） 反應(yīng)結(jié)束，待有毒氣體及其酸霧吸收完畢后，關(guān)閉氣泵開關(guān)，將燒杯內(nèi)的生成物倒入指定的容器內(nèi)。

7 有關(guān)說明

（1） 倘若二氧化硫、硫酸酸霧吸收仍不完全，可在吸氣泵出氣口處連接一根塑料軟管，將排出的氣體通入盛有氫氧化鈉溶液的燒杯內(nèi)，進(jìn)行二次吸收。

（2） 搖動(dòng)燒杯時(shí)，為防止燒杯外壁溫度過高而燙手，可戴線手套加以保護(hù)。

（3） 微型電動(dòng)吸氣泵、紅外測溫儀網(wǎng)上有售。

（4） 實(shí)驗(yàn)裝置具有取材方便、制作簡單、易于操作、現(xiàn)象明顯、無空氣污染、能檢測有毒氣體的成分、可測溫度變化等諸多優(yōu)點(diǎn)。

（5） 裝置制成后貼好標(biāo)簽，存放于實(shí)驗(yàn)室備用。

參考文獻(xiàn)：

[1]人民教育出版社化學(xué)室編著. 全日制普通高級中學(xué)教科書（必修）·化學(xué)（第一冊）[M]. 北京： 人民教育出版社， 2003： 130.

[2]人民教育出版社課程教材研究所， 化學(xué)課程教材研究開發(fā)中心. 普通高中課程標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)教科書·化學(xué)1[M]. 北京： 人民教育出版社， 2007： 101.

[3]王祖浩主編. 普通高中課程標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)教科書·化學(xué)1[M]. 南京： 江蘇教育出版社， 2009： 91.

[4]人民教育出版社課程教材研究所， 化學(xué)課程教材研究開發(fā)中心編著. 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， 2020： 4.

[5]陳涌生. 蔗糖與濃硫酸脫水碳化演示實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)[J]. 化學(xué)教學(xué)， 2002， （11）： 8.

[6]賈愛梅， 劉艷莉. 蔗糖與濃硫酸反應(yīng)實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)——“霧中賞花”[J]. 化學(xué)教學(xué)， 2009， （3）： 13～14.

[7]斯琴畢力格. 濃硫酸與蔗糖反應(yīng)的微型實(shí)驗(yàn)探究[J]. 數(shù)理化學(xué)習(xí)， 2015， （22）： 44～45.

[8]王建芬， 齊俊林. 蔗糖與濃硫酸反應(yīng)實(shí)驗(yàn)的新設(shè)計(jì)[J]. 化學(xué)教學(xué)， 2018， （2）： 73～75.