蔗糖炭化脫水實(shí)驗(yàn)的研究

陳舉飛

關(guān)鍵詞：問題前置;對(duì)比實(shí)驗(yàn);反應(yīng)物配比;充分?jǐn)嚢?/p>

蔗糖炭化脫水實(shí)驗(yàn)，操作簡單、現(xiàn)象明顯，學(xué)生樂看、老師樂做。對(duì)該實(shí)驗(yàn)的深入研究、分析，能提高學(xué)生的探究能力和教師的實(shí)驗(yàn)教學(xué)能力。

教材提示的蔗糖與濃硫酸炭化反應(yīng)實(shí)驗(yàn)操作過程是：在燒杯中加入一定量的蔗糖，再向蔗糖中滴入幾滴蒸餾水將蔗糖潤濕，然后通過玻璃棒向燒杯中加入一定量的濃硫酸，用玻璃棒充分?jǐn)嚢鑋1]。

實(shí)驗(yàn)過程中，可以觀察到：燒杯中的蔗糖晶體先由白色變黃色，再變棕色，接著變黑色;然后黑色混合物體積逐漸膨脹，最后形成一個(gè)“黑面包”，同時(shí)聞到刺激性氣味。

實(shí)驗(yàn)完成后，學(xué)生常常會(huì)問：既然是蔗糖的脫水炭化，為什么還要在加濃硫酸之前加蒸餾水呢？我們老師常想：怎樣操作才能讓這個(gè)實(shí)驗(yàn)的速度更快、現(xiàn)象更明顯、污染物排放更少呢？

一、探究加入蒸餾水的作用

對(duì)于“蔗糖的脫水反應(yīng)為什么還要加蒸餾水？”的問題，我們可以采取問題前置的方法，把課后學(xué)生給老師的提問變成課堂上老師對(duì)學(xué)生的提問，引導(dǎo)學(xué)生通過自主探究，解決問題。

在演示實(shí)驗(yàn)結(jié)束，學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)操作流程和實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象都有了充分的了解之后，老師向?qū)W生提出問題：不加蒸餾水實(shí)驗(yàn)會(huì)有什么變化？水在實(shí)驗(yàn)中起什么作用？讓學(xué)生思考，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案，再進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

學(xué)生設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)方案，大多都是增加一個(gè)只加蔗糖和濃硫酸，不加蒸餾水的實(shí)驗(yàn)進(jìn)行對(duì)比，通過對(duì)比實(shí)驗(yàn)，探尋實(shí)驗(yàn)中加入蒸餾水的作用。在學(xué)生動(dòng)手完成實(shí)驗(yàn)之前提醒他們，要從盡可能多的方面仔細(xì)觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象（見表1）。

學(xué)生觀察到兩個(gè)實(shí)驗(yàn)的現(xiàn)象除了在是否生成“黑面包”上有明顯的不同外，還在溫度、產(chǎn)生氣體多少兩個(gè)方面也有明顯的差距。進(jìn)而引導(dǎo)學(xué)生思考——是什么原因造成了兩個(gè)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的差異呢？

通過獨(dú)立思考、小組討論，學(xué)生分析得出兩個(gè)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象不同的原因是：加入適量的蒸餾水→增加濃硫酸稀釋時(shí)釋放的熱量→升高反應(yīng)混合物的溫度→推動(dòng)發(fā)生反應(yīng)：C+2H2SO4（濃）△△ CO2↑+2SO2↑+2H2O，反應(yīng)產(chǎn)生大量氣體，使混合物體積膨脹，最后形成“黑面包”[2]。

在學(xué)生分析得出結(jié)論后，再引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)一步設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案來驗(yàn)證他們的推測。經(jīng)過思考，學(xué)生通常會(huì)呈現(xiàn)兩種實(shí)驗(yàn)方案。

方案一：繼續(xù)向?qū)嶒?yàn)二得到的盛有黑色混合物的燒杯中滴加適量的蒸餾水，觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。

方案二：將實(shí)驗(yàn)二得到的盛有黑色混合物的燒杯加熱，觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。

學(xué)生分小組討論，分析兩種實(shí)驗(yàn)方案的優(yōu)點(diǎn)和不足：方案一的操作比較簡單，卻忽略了這一過程中包含濃硫酸的稀釋。稀釋濃硫酸時(shí)，正確的操作是把濃硫酸倒入水中，不能把水倒入濃硫酸里面。方案二的操作相對(duì)復(fù)雜，但安全性高。自然地，選擇方案二進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

實(shí)驗(yàn)三：將實(shí)驗(yàn)二得到的盛有黑色混合物的燒杯加熱，發(fā)現(xiàn)隨著溫度的升高，燒杯中逐漸產(chǎn)生大量氣體，刺激性的氣味逐漸濃烈，黑色混合物體積逐漸膨脹，最后也會(huì)變成“黑面包”。證明上述分析是正確的。

上述實(shí)驗(yàn)使學(xué)生對(duì)蔗糖的脫水反應(yīng)有了更深的理解，但也容易使一部分學(xué)生形成：蒸餾水有幫助濃硫酸使蔗糖發(fā)生脫水反應(yīng)的作用。因此，有必要繼續(xù)追問學(xué)生：蒸餾水對(duì)蔗糖在濃硫酸作用下發(fā)生脫水反應(yīng)有幫助嗎？最后引導(dǎo)學(xué)生明確：蔗糖的脫水反應(yīng)不需要蒸餾水，但蒸餾水能起到加快反應(yīng)速率、使實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象更明顯的作用。

該實(shí)驗(yàn)探究的開展，需要以濃硫酸與碳發(fā)生氧化還原反應(yīng)的知識(shí)作基礎(chǔ)。因此，在教學(xué)內(nèi)容的呈現(xiàn)順序上，要先學(xué)習(xí)濃硫酸的氧化性，后學(xué)習(xí)濃硫酸的脫水性，學(xué)生對(duì)演示實(shí)驗(yàn)的分析、探究實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)才有支撐。

二、探究適宜的實(shí)驗(yàn)條件和實(shí)驗(yàn)操作

對(duì)于我們教師更多關(guān)注的“怎樣操作才能讓這個(gè)實(shí)驗(yàn)的速度更快、現(xiàn)象更明顯、污染物排放更少？”等問題，需要不斷探索、反復(fù)試驗(yàn)，才能確定適宜的實(shí)驗(yàn)條件和合理的實(shí)驗(yàn)操作。表2是部分實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

通過上述對(duì)比實(shí)驗(yàn)，可以發(fā)現(xiàn)：蔗糖的質(zhì)量相同時(shí)，（1）加入蒸餾水越少，蔗糖晶體由白色變黃色，再變棕色，最后變黑色的過程越清晰;加入蒸餾水越多，蔗糖晶體由白色變黃色，再變棕色，最后變黑色的過程越快速，蒸餾水過多時(shí)，一加入濃硫酸混合物立即變?yōu)楹谏焕趯W(xué)生觀察、理解蔗糖的脫水過程。（2）加入的蒸餾水越多，混合物體積膨脹越大、速率越快，逸出的刺激性氣體也越多。（3）加入濃硫酸過多時(shí)，混合物的體積膨脹反而較小、產(chǎn)生“黑面包”速率較慢。

綜合來看：一般選擇50 mL燒杯、20 g蔗糖、10滴蒸餾水、15 mL 98%濃硫酸來完成這個(gè)實(shí)驗(yàn)比較適宜。既能清楚觀察到燒杯中的蔗糖晶體由白色變黃色，再變棕色，最后變黑色的過程，又有較快的“黑面包”生長速率，能夠滿足課堂演示的要求。實(shí)驗(yàn)過程中刺激性氣味很輕，具有污染物排放較少的優(yōu)點(diǎn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，向燒杯中緩慢加入適量稀堿溶液，就能較好消除實(shí)驗(yàn)殘余物的污染。

在反復(fù)多次的實(shí)驗(yàn)中筆者還注意到，即使反應(yīng)物的配比完全相同，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象有時(shí)還是有明顯的差異。攪拌時(shí)間越長，“黑面包”反而生長得越慢、體積越小。特別是當(dāng)加入的水量較少時(shí)，不停的攪拌，只能在燒杯中看見小的氣泡，燒杯中黑色混合物的體積幾乎不會(huì)膨脹，也就沒有黑面包生成[3]。這與我們已有的認(rèn)知：快速不停的攪拌能使反應(yīng)物混合更充分、接觸面積更大，能加快反應(yīng)速度相矛盾——原因是快速不停的攪拌增加了熱量的散失，反而不利于溫度上升（特別是加入的水量較少時(shí)，濃硫酸稀釋釋放的熱量本來就少），影響了碳與濃硫酸的反應(yīng)。

當(dāng)加入的水量較多時(shí)，不需要攪拌反應(yīng)物已能自動(dòng)混勻，反應(yīng)速率已經(jīng)較快，攪拌反而讓“黑面包”的結(jié)構(gòu)變得疏松不均勻，逸出較多的氣體污染物，有害師生健康，也不利于環(huán)境保護(hù)。合理的操作是：蔗糖、水、濃硫酸按適當(dāng)比例混合后，用玻璃棒稍加攪拌，混勻之后即停止攪拌，靜置，混合物體積逐漸膨脹，且速度越來越快，很快就會(huì)充滿燒杯?；仡^再讀教材上的操作提示：“充分?jǐn)嚢琛倍皇恰安煌嚢琛?，就是讓反?yīng)物混勻即可。描述簡練準(zhǔn)確，需要我們認(rèn)真領(lǐng)會(huì)。

夏天和冬天，環(huán)境溫度相差比較大，反應(yīng)物的量相同，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象也有明顯差異。冬天環(huán)境溫度低，要適當(dāng)增加蒸餾水的量。