巧用液封裝置改進(jìn)濃硫酸與蔗糖的反應(yīng)實(shí)驗(yàn)

劉雪云

摘要： 針對(duì)濃硫酸性質(zhì)中“濃硫酸與蔗糖反應(yīng)”傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的不足進(jìn)行改進(jìn)探索。實(shí)驗(yàn)巧用液封裝置，能同時(shí)實(shí)現(xiàn)濃硫酸與蔗糖反應(yīng)和尾氣的及時(shí)處理。改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn)具有儀器簡(jiǎn)單易得、操作簡(jiǎn)單、效果良好、綠色環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)。作為學(xué)生的探究實(shí)驗(yàn)，有利于培養(yǎng)學(xué)生的探究精神和環(huán)保意識(shí)。

關(guān)鍵詞： 濃硫酸與蔗糖反應(yīng)； 液封裝置； 脫水性； 探究實(shí)驗(yàn)

文章編號(hào)： 10056629（2023）07006703

中圖分類(lèi)號(hào)： G633.8

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： B

1 問(wèn)題的提出

濃硫酸的脫水性實(shí)驗(yàn)，在現(xiàn)今的高中教材中均以濃硫酸和蔗糖的反應(yīng)呈現(xiàn)。在人教版和魯科版新教材中，該實(shí)驗(yàn)通過(guò)圖片呈現(xiàn)了蔗糖與濃硫酸反應(yīng)的現(xiàn)象；而在蘇教版新教材［1］中是以“觀察思考”環(huán)節(jié)出現(xiàn)，這就意味著教師在教學(xué)時(shí)有必要至少以演示實(shí)驗(yàn)的形式進(jìn)行教學(xué)，才能讓學(xué)生直觀地感受到“黑面包”實(shí)驗(yàn)的震撼效果，從實(shí)驗(yàn)中培養(yǎng)學(xué)生觀察、分析、歸納總結(jié)的能力。相比幾個(gè)版本的教材對(duì)該實(shí)驗(yàn)的呈現(xiàn)，蘇教版教材更能實(shí)現(xiàn)新課程標(biāo)準(zhǔn)［2］對(duì)學(xué)生化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)的培養(yǎng)這一要求。

但蘇教版教材中該實(shí)驗(yàn)卻有不足之處：一是實(shí)驗(yàn)中取2g蔗糖、3mL濃硫酸及2～3滴水在大試管中進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，實(shí)際上經(jīng)常沒(méi)有出現(xiàn)“黑面包”現(xiàn)象，只是觀察到有黑色粘稠的物質(zhì)產(chǎn)生，沒(méi)辦法給學(xué)生帶來(lái)震撼的視覺(jué)效果，同時(shí)難以從直觀上判斷該實(shí)驗(yàn)有氣體產(chǎn)生;二是根據(jù)教材中描述的步驟進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，操作十分不便。

關(guān)于“濃硫酸與蔗糖反應(yīng)”的改進(jìn)實(shí)驗(yàn)，目前國(guó)內(nèi)已有很多研究。但這些改進(jìn)的裝置也還是存在實(shí)驗(yàn)儀器不易得，裝置組裝和操作繁瑣，常常不能帶來(lái)震撼的視覺(jué)效果。某些實(shí)驗(yàn)雖作了改進(jìn)卻忽略了教學(xué)目標(biāo)和教學(xué)重點(diǎn)等一系列的問(wèn)題。如王海琴［3］等設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)雖能很好處理尾氣，但組裝較為繁瑣，且沒(méi)有對(duì)產(chǎn)物進(jìn)行檢測(cè)；黃亞武［4］等設(shè)計(jì)的集反應(yīng)、檢測(cè)、尾氣處理一體化的裝置，雖然在干燥管中貼上試紙可以用來(lái)檢驗(yàn)產(chǎn)物的多種性質(zhì)，但在干燥管中貼試紙實(shí)際上并不易操作，另外關(guān)于SO2的性質(zhì)，在教材中有多處出現(xiàn)，筆者認(rèn)為在本節(jié)教學(xué)中可以不再呈現(xiàn)，過(guò)多地重復(fù)某一內(nèi)容，學(xué)生往往容易忽略本節(jié)課的重點(diǎn)；劉亞莉［5］等設(shè)計(jì)的反應(yīng)裝置是利用溫度傳感器，通過(guò)溫度數(shù)據(jù)的變化讓學(xué)生感受該反應(yīng)放熱，具有可視化和定量的優(yōu)點(diǎn)，但該實(shí)驗(yàn)裝置也存在儀器不易得、組裝不便等問(wèn)題，另外該裝置中用去掉底部的塑料瓶作為鐘罩罩在1000mL澄清石灰水中，在浮力的作用下塑料瓶容易傾倒而引起有害氣體逸出；高飛［6］設(shè)計(jì)的一體化裝置，在多球干燥管中加藥品來(lái)檢驗(yàn)反應(yīng)產(chǎn)物，實(shí)現(xiàn)了微型化，但因?yàn)榭臻g小加藥品時(shí)要非常小心，否則很容易操作失誤，另外實(shí)驗(yàn)若作為演示實(shí)驗(yàn)，由于藥品用量少，教室后排的學(xué)生可能觀察不到實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，若作為分組實(shí)驗(yàn)，裝置組裝又顯得繁瑣。

2 實(shí)驗(yàn)改進(jìn)思路

為了實(shí)現(xiàn)新課程標(biāo)準(zhǔn)培育素養(yǎng)的目標(biāo)要求，在抓住教學(xué)重點(diǎn)的基礎(chǔ)上，對(duì)“蔗糖與濃硫酸反應(yīng)”的傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)方法作了再改進(jìn)。本改進(jìn)實(shí)驗(yàn)儀器易得、操作簡(jiǎn)單，解決了產(chǎn)物檢測(cè)和尾氣處理的問(wèn)題，讓學(xué)生在短時(shí)間內(nèi)直觀地感受到“黑面包”實(shí)驗(yàn)的震撼效果。實(shí)踐證明，所設(shè)計(jì)的裝置不僅適宜課堂演示，也非常適合分組學(xué)生探究實(shí)驗(yàn)。

3 實(shí)驗(yàn)方案

3.1 實(shí)驗(yàn)原理

（1）濃硫酸具有脫水性，使蔗糖脫水碳化（C12H22O11濃硫酸△12C+11H2O）。

（2）濃硫酸具有強(qiáng)氧化性，C繼續(xù)與濃硫酸反應(yīng)，產(chǎn)生CO2和SO2［C+2H2SO4（濃）△CO2↑+2SO2↑+2H2O］。

（3）SO2與NaOH溶液發(fā)生反應(yīng)（SO2+2NaOHNa2SO3+H2O），因此可用NaOH溶液吸收有害氣體SO2。

（4）Na2SO3與稀鹽酸反應(yīng)（Na2SO3+2HClSO2↑+2NaCl+H2O）產(chǎn)生的SO2可使品紅退色。

3.2 實(shí)驗(yàn)儀器及試劑

儀器：托盤(pán)天平、玻璃棒1根、100mL燒杯2個(gè)、10mL量筒1個(gè)、25mL量筒1個(gè)、大試管1支、酒精燈1個(gè)、滴管2支、改進(jìn)的液封裝置1個(gè)

試劑：適量90℃熱水、98%濃硫酸20mL、蔗糖20.0g、稀NaOH溶液、稀鹽酸、品紅溶液

3.3 實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)裝置說(shuō)明：如圖1所示，實(shí)驗(yàn)前已將a、 b、 c三部分組裝完整，用F表示；連體玻璃瓶（下）體積為250mL。連體玻璃瓶和無(wú)底試劑瓶在網(wǎng)上各大購(gòu)物平臺(tái)上均可買(mǎi)到，價(jià)格便宜。

3.4 實(shí)驗(yàn)步驟及現(xiàn)象

3.4.1 實(shí)驗(yàn)步驟

（1） 用托盤(pán)天平稱(chēng)取蔗糖20.0g，量筒量取20mL 98%濃硫酸備用。

（2） 在如圖1所示的連體玻璃瓶（下）中裝入20.0g蔗糖，連體玻璃瓶（上）中裝入適量稀NaOH溶液。

（3） 用滴管取2mL左右的熱水加入蔗糖中，用玻璃棒略攪拌，迅速將20mL 98%濃硫酸倒入其中。立即蓋上實(shí)驗(yàn)儀器F，迅速攪拌均勻。

（4） 觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。

（5） 請(qǐng)學(xué)生用手輕輕觸摸感受玻璃瓶外壁溫度的變化。

（6） 用滴管取少量連體玻璃瓶（上）中的溶液于試管中，滴入幾滴品紅溶液，再滴入適量稀鹽酸，觀察現(xiàn)象，加熱試管，再次觀察現(xiàn)象。

（7） 待反應(yīng)容器d溫度下降后，將產(chǎn)物倒入指定容器，洗滌儀器。

3.4.2 實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象及分析

（1） 蔗糖先變黃，然后變黑，說(shuō)明濃硫酸將蔗糖中的H和O以2∶1的形式脫去。然后體積迅速膨脹，形成“黑面包”，說(shuō)明有大量氣體產(chǎn)生。

（2） 反應(yīng)容器玻璃瓶外壁溫度升高，甚至發(fā)燙，說(shuō)明該反應(yīng)放熱。

（3） 試管中品紅溶液退色，加熱試管后又恢復(fù)紅色，說(shuō)明該反應(yīng)有SO2產(chǎn)生。

4 實(shí)驗(yàn)說(shuō)明與探討

（1） 實(shí)驗(yàn)中加入2mL左右90℃的熱水，目的是為了加快反應(yīng)速率，相比于加入常溫的蒸餾水，待濃硫酸溶解于水放出的熱量來(lái)促進(jìn)反應(yīng)進(jìn)行的做法，加入熱水能更快看到“黑面包”現(xiàn)象，提升實(shí)驗(yàn)的成功率。

（2） 實(shí)驗(yàn)開(kāi)始后，無(wú)需添加裝置，只需保證蓋上實(shí)驗(yàn)儀器F，就能防止有害氣體SO2逸出，同時(shí)逐漸被連體瓶?jī)?nèi)的稀NaOH溶液吸收。

（3） 為了便于實(shí)驗(yàn)的觀察，讓學(xué)生親身體驗(yàn)濃硫酸使蔗糖脫水的反應(yīng)會(huì)放出大量的熱，本實(shí)驗(yàn)沒(méi)有設(shè)計(jì)用溫度計(jì)或溫度傳感器來(lái)測(cè)試實(shí)驗(yàn)溫度的變化，而是請(qǐng)學(xué)生輕觸玻璃瓶外壁，不會(huì)帶來(lái)安全性的問(wèn)題。

（4） 反應(yīng)產(chǎn)生的氣體被稀NaOH溶液吸收后生成的產(chǎn)物與稀鹽酸反應(yīng)，能使品紅褪色，加熱后溶液又恢復(fù)原來(lái)的顏色，說(shuō)明蔗糖與濃硫酸反應(yīng)產(chǎn)生的氣體中有SO2。該過(guò)程只取少量的連體玻璃瓶（上）中的溶液，滴入稀鹽酸產(chǎn)生的氣體量極少，對(duì)環(huán)境幾乎不會(huì)產(chǎn)生影響。該步驟可由教師以演示實(shí)驗(yàn)的形式予以完成。

（5） 本實(shí)驗(yàn)只安排檢驗(yàn)一種產(chǎn)物SO2，這是因?yàn)樵诮滩闹斜竟?jié)課的重點(diǎn)是探究濃硫酸的吸水性、脫水性和強(qiáng)氧化性，其中“蔗糖與濃硫酸的反應(yīng)”是探究濃硫酸脫水性的重要實(shí)驗(yàn)，學(xué)生只要能從實(shí)驗(yàn)中知道濃硫酸具有脫水性，以及有重要產(chǎn)物SO2產(chǎn)生即可，至于另外一個(gè)產(chǎn)物CO2，學(xué)生完全可以通過(guò)已掌握的氧化還原知識(shí)去推出該產(chǎn)物。若在教學(xué)中過(guò)多地重復(fù)檢驗(yàn)產(chǎn)物，反而會(huì)使教學(xué)復(fù)雜化，使學(xué)生抓不住重點(diǎn)。對(duì)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)作改進(jìn)，不能為改而改，最終卻忽略了教學(xué)的重點(diǎn)。

5 改進(jìn)實(shí)驗(yàn)的優(yōu)點(diǎn)

（1） 實(shí)驗(yàn)用90℃熱水即可加快反應(yīng)速率，學(xué)生在1分鐘內(nèi)便可看到白色蔗糖瞬間變?yōu)楹诿姘Ч终鸷场?/p>

（2） 實(shí)驗(yàn)在保留“黑面包”震撼效果的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)的裝置比較簡(jiǎn)約，沒(méi)有繁瑣的組裝。

（3） 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的裝置是一個(gè)封閉的體系，整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程都能及時(shí)對(duì)有害氣體進(jìn)行吸收處理。

（4） 改進(jìn)的實(shí)驗(yàn)更有利于組織教學(xué)，學(xué)生既能在實(shí)驗(yàn)中培養(yǎng)探究意識(shí)，又能把握住學(xué)習(xí)的重點(diǎn)。

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