蔗糖与浓硫酸反应实验的新设计

摘要

为提升“蔗糖与浓H₂SO₄反应”实验的教学效果，创新设计实验方案，既是对传统实验方案的优化，又是提高教学效果的典型案例。其具体做法是：以塑料喷头、注射器、三通阀、自制仪器等实验材料对实验进行创新设计。改进后的实验方案，具有操作简便、现象明显、可控性强、教学效果好、符合绿色环保理念的优点。

Graphical abstract

关键词

新设计 / 黑面包实验 / 蔗糖 / 浓硫酸 / 一体化装置

在现有高中化学教材中，设计蔗糖与浓H₂SO₄反应实验的目的是证明浓H₂SO₄具有氧化性和脱水性。其实验大致内容是：“向烧杯中的蔗糖放入适量的水后，再加入浓H₂SO₄并用玻璃棒搅拌，观察现象。”^［1］

按照教材方法能让学生感受到“黑面包实验”带来的视觉冲击力，但仍存在以下明显不足：①装置为敞口体系，生成的有毒物SO₂污染环境；②没有检验生成物；③不能让学生亲身体会反应放热的现象；④未明确指出反应物的用量，造成试剂浪费。基于上述分析，笔者对该实验进行以下改进，在保留原实验现象的同时，还能验证并除去生成的气体。

1 现有研究成果概述

笔者在中国知网上搜索“蔗糖与浓H₂SO₄反应”，发现有很多同行对该实验进行了改进，虽有成效，但仍显不足。王建芬等^［2］的设计方案：在用分液漏斗下端搅拌蔗糖与浓H₂SO₄时，橡胶塞极有可能松动而造成有毒物的外逸，且罩在1 000 mL烧碱溶液上方的可乐瓶由于浮力作用很容易倾翻，给后续实验的安全带来不稳定的因素；高飞^［3］的设计方案：试剂用量太少导致实验现象不明显，且挤压洗耳球排尽装置中的残余有害气体时，需要挤压多次才能完成，比较麻烦；黄亚武等^［4］的设计方案：棉花蘸取烧碱溶液的量太少，不足以将SO₂完全吸收，将装置拆卸时很有可能导致残余的SO₂外逸而造成环境污染；刘亚莉等^［5］的设计方案：组装仪器太过复杂，粘贴在塑料瓶内壁的滤纸条很容易滑落而导致实验失败。为此，笔者利用塑料喷头、注射器、三通阀、自制仪器等实验材料对实验进行了改进。

2 实验方案设计

2.1 实验原理

（1） 浓H₂SO₄与蔗糖反应：{\mathrm{C}}_{\mathrm{12}}{\mathrm{H}}_{\mathrm{22}}{\mathrm{O}}_{\mathrm{11}}\stackrel{\mathrm{浓硫}\mathrm{酸}}{\to }\mathrm{11}{\mathrm{H}}_{\mathrm{2}}\mathrm{O}+\mathrm{12}\mathrm{C}，\mathrm{2}{\mathrm{H}}_{\mathrm{2}}\mathrm{S}{\mathrm{O}}_{\mathrm{4}}(\mathrm{浓})+\mathrm{C}\stackrel{△}{̿}\mathrm{2}{\mathrm{H}}_{\mathrm{2}}\mathrm{O}+\mathrm{2}\mathrm{S}{\mathrm{O}}_{\mathrm{2}}\uparrow +\mathrm{C}{\mathrm{O}}_{\mathrm{2}}\uparrow。

（2） 检验CO₂和SO₂：2H₂O+5SO₂+2KMnO₄=2H₂SO₄+2MnSO₄+K₂SO₄，H₂O+CO₂⇋H₂CO₃，H₂CO₃⇋HCO₃^-+H⁺。

（3） 浓H₂SO₄和CO₂、SO₂的处理：2NaOH+H₂SO₄=2H₂O+Na₂SO₄，2NaOH+CO₂=H₂O+Na₂CO₃，2NaOH+SO₂=H₂O+Na₂SO₃。

2.2 实验思路

新设计的浓H₂SO₄与蔗糖反应实验装置由图1所示的三通阀（接口外径为3.2 mm）、自制仪器和塑料喷头（接口外径为4 mm）等组装而成（图2）。笔者经多次试验，最终确定了试剂用量，确保了“黑面包实验”的成功。新设计的实验能检验SO₂并将其除去。

2.3 实验用品

蒸馏水、0.01%的溴麝香草酚蓝溶液、0.05%的高锰酸钾溶液、0.01%的品红溶液、30%的烧碱溶液、98%的浓H₂SO₄、蔗糖、镊子、钥匙、天平、滤纸条（10 mm×15 mm）、酒精灯、塑料卡扣、3段硅胶软管（内径4 mm、外径6 mm）、烧杯（100 mL）、注射器（20 mL）、塑料喷头、三通阀、带塞子的自制仪器、铁架台等。

2.4 实验过程

（1） 用天平称取8 g蔗糖，将其放入自制仪器中，用注射器B、C分别吸取10 mL 98%的浓H₂SO₄和20 mL空气；按图2所示连接仪器，控制阀、喷头与硅胶软管的连接处用塑料卡扣固定。

（2） 旋转注射器A和塑料卡扣之间的控制阀1，使塑料喷头与烧杯中的烧碱溶液连通；旋转注射器C和自制仪器支管口之间的控制阀2，使自制仪器与注射器C连通，轻推注射器C的活塞，注入空气，若烧杯中产生大量气泡，说明装置不漏气。

（3） 阻断自制仪器与注射器C之间的通道，并把注射器B的活塞下推，将注射器B中的浓H₂SO₄注入自制仪器内。现象1：当有少许浓H₂SO₄注入自制仪器内时，自制仪器内的白色混合物变为黄色；待注入大量浓H₂SO₄时，黄色混合物先变成棕色，最后变为黑色。黑色物质在自制仪器内囤积约5 cm高，同时伴有大量水珠出现。现象2：蘸有0.01%的品红溶液和0.05%的高锰酸钾溶液的滤纸条都变为无色，蘸有0.01%的溴麝香草酚蓝溶液的滤纸条变为黄色。现象3：用手轻摸自制仪器外壁，感觉发烫。

（4） 对准自制仪器支管处的品红试纸加热，试纸重新变红。

（5） 停止生成SO₂。旋转控制阀1，使注射器A和烧杯中的烧碱溶液连通，抽取烧杯中的烧碱溶液20 mL；旋转控制阀1，使注射器A与自制仪器连接，向自制仪器中喷入烧碱溶液（不但能终止产生气体，还能除去装置中绝大部分残余的气体）。

（6） 除去SO₂。旋转控制阀2，注射器C抽取20 mL空气后，再将控制阀2旋转，使自制仪器与注射器C连通；将空气注入支管，将支管中的气体排入自制仪器中，重复步骤（5），即可除去剩余气体。

3 实验说明

（1） 为使反应更加充分，应做到：实验前，应把蔗糖研磨成粉末状并用水润湿；实验时，无须搅拌。

（2） 溴麝香草酚蓝变为黄色，说明有CO₂生成，且SO₂不会干扰溴麝香草酚蓝的变色。

（3） 实验所用的烧碱溶液要足量。

（4） 将自制仪器的支管稍稍向上倾斜，可以防止烧碱溶液污染试纸，从而影响实验结果。

4 实验优点

（1） 新设计的实验装置实现了蔗糖与浓H₂SO₄反应、生成物的检验、尾气处理的一体化，Cu与浓H₂SO₄反应生成的SO₂也可以用该装置来检验。此外，该实验装置很适合用于学生分组实验，以便培养学生的动手能力和科学探究精神。

（2） 实验现象非常明显。将浓H₂SO₄注入自制仪器中，能非常清晰地看到多孔海绵状碳柱上升的过程。此外，自制仪器狭小的空间使得产生的气体浓度高，同时3种试纸迅速变色很好地证明了有SO₂和CO₂的产生。

参考文献

[1] 人民教育出版社，课程教材研究所，化学课程教材研究开发中心.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] 王建芬，齐俊林.蔗糖与浓硫酸反应实验的新设计［J］.化学教学，2018（02）：73-75.

[3] 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.

[4] 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.

[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.