蔗糖与浓硫酸反应实验的一体化改进

摘要

为解决蔗糖与浓硫酸反应在教学演示中尾气未处理污染环境以及生成物检验等问题，利用具支试管、注射器等常见仪器设计集反应、物质检验和尾气处理的一体化简易实验装置，并使用温度计测定实验过程中的温度变化。改进实验具有现象明显、操作简单、仪器易得、绿色环保等特点。

Graphical abstract

关键词

蔗糖 / 浓硫酸 / 实验改进 / 脱水性 / 一体化

浓硫酸具有脱水性，是化学的重要概念之一。现行教材均以蔗糖与浓硫酸反应实验来体现其脱水性，如人教版^［1］和鲁科版^［2］教材均以图片形式直观展示浓硫酸脱水的实验现象。该实验固然具有操作简单、现象明显等优点，但也存在以下不足：①实验在敞口的烧杯中进行，未经尾气处理，必然污染环境；②实验只能观测到疏松多孔的海绵状碳，无法对生成物质进行检验。因此在实际教学中，教师更偏向于通过多媒体演示该实验或直接口述实验现象，难以达到《普通高中化学课程标准（2017年版2020年修订）》对该部分内容的要求：“通过实验探究，了解硫及其重要化合物的主要性质。”^［3］苏教版^［4］教材将其设计为实验探究环节，能更好地激发学生的化学学习兴趣并培养其实验探究能力。相较于人教版、鲁科版教材对该实验的呈现，苏教版的内容更符合化学学科核心素养的要求。尽管如此，但仍存以下不足：①实验未进行尾气处理，必然污染环境；②实验未设置防倒吸装置。鉴于此，笔者利用具支试管、注射器、小气球等仪器对蔗糖与浓硫酸反应实验进行了一体化设计，即在保留原有优点的基础上，增加了对气体等物质的检验，取得了不错的效果。

1 研究现状

为了解浓硫酸与蔗糖反应实验研究发展的现状，笔者查阅了大量相关文献，发现有不少学者对该实验进行了改进，其改进内容主要围绕微量化、数字化和一体化等方面进行，但仍存在一些问题。例如：刘亚莉等^［5］利用二氧化碳传感器以及温度传感器等数字化仪器（图1）实现了温度的可视化，以及利用数字化仪器验证产生的气体中含有二氧化碳，但存在学校设备更新较慢而导致实验仪器使用率不高、普及度不广等问题，以及实验使用的无底饮料瓶，在操作中会因浮力产生倾斜而导致气体逸出；黄亚武等^［6］设计了集反应、检验、尾气处理的一体化装置，如图2所示。但利用该装置进行实验时发现：将滤纸条粘在干燥管中检验二氧化硫与二氧化碳，干燥管中使用滤纸条一次性检验的性质过多，学生在观察反应现象时，难以将其性质与现象一一对应，且酸性高锰酸钾极易氧化滤纸条使其颜色改变，既影响实验结果，又导致结论不严谨；高飞^［7］的设计方案实现了实验的微量化，如图3所示，能有效检测二氧化硫及水的生成，但未设计防倒吸装置。在文献研究基础上，笔者对蔗糖与浓硫酸反应实验进行改进，即：利用注射器、小气球、具支试管等常见仪器设计反应、检验、尾气处理一体化的简易实验装置；借助温度计测定反应过程中的温度变化；利用小气球平衡气压，并使用小气球内装有的饱和氢氧化钠溶液进行尾气处理；使用脱脂棉比滤纸条更便于操作，能避免高锰酸钾氧化滤纸条而影响实验结论。

2 实验创新

2.1 实验原理

（1） 脱水性：浓硫酸具有脱水性，可以使蔗糖脱水成为碳。

（2） 氧化性：浓硫酸具有强氧化性，可以将碳氧化为二氧化碳。

2.2 性质检验

（1） 还原性：二氧化硫具有还原性，可以使酸性高锰酸钾褪色。

（2） 与碱溶液反应。

（3） 漂白性：二氧化硫具有漂白性，能使品红褪色。

2.3 实验仪器与实验药品

（1） 实验仪器：大具支试管、小具支试管、玻璃棒、温度计、酒精灯、烧杯、铜丝、脱脂棉、铁架台（含铁夹）、注射器、小气球、橡胶管、球形干燥管。

（2） 实验药品：品红溶液、紫色石蕊溶液、酸性高锰酸钾溶液、蔗糖、浓硫酸、浓氢氧化钠溶液。

2.4 实验步骤

（1） 组装实验仪器并检查装置气密性（图4）。

（2） 先利用分析天平称取9.0 g左右的蔗糖，再利用纸槽将其送入大具支试管底部，最后用带有玻璃棒和温度计的双孔塞将大具支试管塞紧。

（3） 向球形干燥管中放入干燥的无水硫酸铜粉末。

（4） 先将分别蘸有品红溶液、紫色石蕊溶液、酸性高锰酸钾溶液的脱脂棉依次挂在铜丝上，再分别将三者放入小具支试管中；在小具支试管的试管口处套一只装有饱和氢氧化钠溶液的小气球。

（5） 用注射器缓慢向装有蔗糖的大具支试管中注射浓硫酸，并用玻璃棒进行搅拌，必要时可对其适当加热；观察并记录实验现象。

（6） 待反应完全后，将小气球中的饱和氢氧化钠溶液倒入小具支试管中；向大具支试管中注入空气，使残留的二氧化硫气体被饱和氢氧化钠溶液全部吸收。

（7） 待温度冷却至室温，清洗实验仪器，整理桌面。

2.5 实验现象及分析

（1） 反应开始后，可观察到混合物先由白变黄再变黑，之后迅速膨胀，形成疏松多孔的黑色海绵状固体，同时产生大量气体。上述现象说明，浓硫酸使蔗糖脱水变为碳，碳单质进而与浓硫酸反应产生大量气体。

（2） 温度计示数由缓慢上升变至迅速上升，即该反应为放热反应，会放出大量热。

（3） 球形干燥管中的无水硫酸铜粉末由白色变为蓝色，说明浓硫酸与蔗糖反应过程有水生成，证明浓硫酸具有脱水性。

（4） 小具支试管中蘸有品红溶液、酸性高锰酸钾的脱脂棉均褪色，蘸有紫色石蕊溶液的脱脂棉变为红色。紫色石蕊溶液变红说明有酸性气体生成，品红与酸性高锰酸钾溶液的褪色证明该酸性气体中含有二氧化硫；由氧化还原的知识可推导出酸性气体中还含有二氧化碳。

3 创新实验装置的优点

（1） 普适性。实验药品与实验仪器常见，装置搭建简单，具有通用性，不仅便于教师在课堂上演示实验，而且便于学生进行小组合作实验。

（2） 直观性。现象明显，便于观察。实验可明显观察到黑色固体迅速膨胀成海绵状，无水硫酸铜变蓝，蘸有品红、酸性高锰酸钾溶液的脱脂棉褪色，以及蘸有紫色石蕊溶液的脱脂棉变红。基于现象，学生可以进行实验整合。

（3） 一体化。整个实验过程在密闭体系中进行，能对尾气进行有效吸收处理，符合绿色化学理念。

（4） 节约性。实验药品用量少，成本低廉易得。

（5） 多功能性。实验所用注射器不仅能显示浓硫酸用量，还能控制反应进程；装置尾部的小气球非但能平衡气压，还能装饱和氢氧化钠溶液并利用其进行尾气处理。

以绿色化学理念为出发点，优化设计了一套环境友好的甲烷取代反应实验装置，并根据已有研究选择最佳反应条件。该反应装置不仅可以提供较为全面的事实证据，方便学生归纳出合理的结论以解释物质的性质与变化（证据推理），还可以通过改进实验装置，激发学生的学习兴趣，增强其科学探究能力与创新意识（科学探究与创新意识），促其逐步养成严谨求实的科学态度以及与环境和谐共处的观念（科学态度与社会责任）；此外，在宏观物质变化中推测断键成键机理（宏观辨识与微观探析），可引导学生认识到物质是变化的，知道取代反应需要一定条件，并遵循一定规律，逐步树立“变化观念”。

参考文献

[1] 王晶，郑长龙.普通高中教科书化学必修第二册［M］.北京：人民教育出版社，2019.

[2] 王磊.普通高中教科书化学必修第二册［M］.济南：山东科学技术出版社，2019.

[3] 中华人民共和国教育部. 普通高中化学课程标准（2017年版2020年修订） ［S］.北京：人民教育出版社，2020.

[4] 王祖浩.普通高中教科书化学必修第二册［M］.南京：江苏凤凰教育出版社，2020.

[5] 刘亚莉，吴霞，刘茜，等.浓硫酸脱水性和氧化性实验的简易装置设计［J］.化学教学，2022（10）：75-78.

[6] 黄亚武，姚亮发，张贤金.蔗糖与浓硫酸反应实验的一体化设计［J］.化学教学，2022（10）：68-71.

[7] 高飞.浓硫酸使蔗糖脱水实验的改进与创新［J］.化学教学，2018（06）：67-69. （上接第82页）

[8] 及相似相溶和分离提纯等知识，还强调后处理操作技能等。相比于传统的取代实验装置，改进装置更为复杂，对学生的认知能力要求更高，可能会给学生带来更大的认知负荷和思维难度。因此，在后续研究中有必要尝试精简实验装置，简化实验操作。

[9] 结语