高飛

摘要： 對蔗糖與濃硫酸的“黑面包”實驗，在保留良好的觀賞性和展示效果的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)和創(chuàng)新設(shè)計，兼顧微型化的產(chǎn)物檢驗，充分挖掘該實驗的探究價值和知識價值，同時考慮實驗的攪拌及后續(xù)固體產(chǎn)物處理的方便性，對產(chǎn)生的污染氣體巧妙處理，體現(xiàn)環(huán)保理念和綠色化學(xué)思想，加強(qiáng)了對學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)的培養(yǎng)。

關(guān)鍵詞： 蔗糖脫水； 濃硫酸； 黑面包實驗； 實驗改進(jìn)

文章編號： 1005-6629（2018）6-0067-03 中圖分類號： G633.8 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： B

1 實驗的價值及存在的問題

硫酸是化學(xué)工業(yè)及科研中最重要的化學(xué)試劑，濃硫酸的性質(zhì)是元素化學(xué)知識中的重要組成部分，脫水性是濃硫酸一大性質(zhì)。濃硫酸使蔗糖脫水實驗（俗稱“黑面包”實驗）是中學(xué)化學(xué)教學(xué)中的經(jīng)典實驗，是高中階段學(xué)生最感興趣的實驗之一。這都源于該實驗令人震撼的展示效果： 少量的試劑最后能變成膨大數(shù)倍的“黑面包”，極具觀賞性，令觀察者印象頗為深刻。通過該實驗，學(xué)生可以認(rèn)識和掌握相關(guān)物質(zhì)的性質(zhì)，在此過程中，還可以挖掘?qū)W(xué)生的創(chuàng)新意識及環(huán)保思想等科學(xué)素養(yǎng)培養(yǎng)的價值。

現(xiàn)行人教版高中教材的做法如下： 在燒杯中放入蔗糖，滴入適量水，攪拌均勻，然后再加入濃硫酸，迅速攪拌，觀察實驗現(xiàn)象[1]。蘇教版中的做法有所不同： 取2g蔗糖放入大試管中，加2～3滴水，再加入約3mL濃硫酸，迅速攪拌，然后塞上帶玻璃導(dǎo)管的橡皮塞，將玻璃導(dǎo)管的另一端插入盛有品紅溶液的試管中，觀察實驗現(xiàn)象[2]。這兩種做法現(xiàn)象明顯直觀、操作簡單且不失趣味性和視覺的沖擊力。但同時也明顯存在著至少兩個方面的缺憾： 首先，對產(chǎn)物沒有或只有很簡單的品紅檢驗，無法滿足學(xué)生的探究心理；二是不符合環(huán)保的理念，實驗體系完全敞開，對實驗所產(chǎn)生的氣體沒有進(jìn)行必要的妥善處理，對演示的空間環(huán)境造成了污染，師生會感到不適，學(xué)生也會產(chǎn)生畏懼心理。以上兩點(diǎn)使該實驗演示效果打了折扣。

筆者通過百度、知網(wǎng)、維普網(wǎng)等網(wǎng)絡(luò)資源平臺查閱發(fā)現(xiàn)，近年來，不少研究者針對傳統(tǒng)做法的弊端，對該實驗的方案進(jìn)行了不少的改進(jìn)與創(chuàng)新，如趙東洋[3]、李麗華等[4]老師主要關(guān)注裝置的微型化處理；陳純等[5]、黃沔銣等[6]、何婧等[7]、吳松原等[8]側(cè)重產(chǎn)物的檢驗、減少或消除污染等問題的解決。以上方案雖然不同程度地實現(xiàn)了實驗的微型化、綠色化改進(jìn)，并對實驗中產(chǎn)生的一些物質(zhì)進(jìn)行了檢驗，但仍存在或多或少的不足： 一是微型化處理失去了該實驗原本強(qiáng)烈的震撼效果，趣味性減弱，并且某些材料不易得；其次，為了促進(jìn)反應(yīng)的進(jìn)行，在實驗中普遍用到了水。筆者認(rèn)為作為脫水性實驗，水是重要產(chǎn)物，應(yīng)當(dāng)在探究和檢驗中有所體現(xiàn)；第三，大多數(shù)方案在相對封閉的體系中進(jìn)行時，并沒有很好地解決攪拌問題；第四，有些方案選擇圓底燒瓶[8][9]甚至三頸燒瓶[10]作為反應(yīng)容器，這樣做的缺點(diǎn)是實驗完畢后固體產(chǎn)物非常難以處理。

為了取得預(yù)期效果，回歸實驗的本來面貌（不加水），保留“黑面包”的震撼效果，兼顧微型化、綠色化及產(chǎn)物的檢驗，從利于知識的整體性、全面性角度出發(fā)，特將該實驗再作改進(jìn)和創(chuàng)新設(shè)計。

2 實驗原理

C12H22O11濃H2SO412C+11H2O

C+2H2SO4（濃）△CO2↑+2SO2↑+2H2O

CO2+C△2CO

CuSO4+5H2OCuSO4·5H2O

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

2Na2S+5SO2+2H2O3S↓+4NaHSO3

SO2+2NaOHNa2SO3+H2O

CO2+2NaOHNa2CO3+H2O

3 實驗設(shè)計方案

3.1 實驗儀器、用品及藥品

分液漏斗、3cm×20cm具支試管、彎頭玻璃棒、多球干燥管、100mL燒杯、滴管、10mL量筒、托盤天平、普通玻璃導(dǎo)管、T型玻璃導(dǎo)管、橡膠管、橡膠塞、止水夾、氣球、洗耳球；98%濃硫酸、蔗糖、無水CuSO4粉末、酸性KMnO4溶液、紫色石蕊試液、Na2S溶液、NaOH溶液

3.2 實驗裝置

實驗裝置見圖1（夾持裝置略）。

4 實驗操作及現(xiàn)象

（1） 檢查裝置的氣密性。先檢查分液漏斗是否漏水。然后按圖1所示連接好儀器及氣球，關(guān)閉分液漏斗下端的旋塞，打開止水夾k1，關(guān)閉k2，將具支試管微熱，發(fā)現(xiàn)氣球正常膨脹；待氣球基本恢復(fù)原狀，打開止水夾k2，關(guān)閉k1，燒杯中加入適量的蒸餾水浸沒導(dǎo)管口，再次將具支試管微熱，若燒杯中的導(dǎo)管口有氣泡冒出，停止加熱后，形成一段穩(wěn)定的水柱，說明整個裝置氣密性良好。

（2） 稱量約8.0g蔗糖，量取6.0mL濃硫酸，分別加入具支試管及分液漏斗中，在多球干燥管中用長滴管加入相應(yīng)的試劑，小燒杯中加入NaOH溶液，固定好氣球，打開k1，關(guān)閉k2。

（3） 打開分液漏斗旋塞，加入硫酸，并迅速用手捻轉(zhuǎn)彎頭玻璃棒進(jìn)行攪拌（必要時可稍稍加熱），觀察現(xiàn)象。

現(xiàn)象1： 用彎頭玻璃棒攪拌或稍加熱后，混合物由白色變?yōu)辄S色，繼而轉(zhuǎn)為褐色，最后呈黑色，接著產(chǎn)生大量氣體，黑色物質(zhì)體積迅速膨脹沿著玻璃棒上升。

現(xiàn)象2： 無水CuSO4逐漸變?yōu)闇\綠色或藍(lán)色，裝置體系的具支試管及多球干燥管內(nèi)壁附著大量水珠（特別是具支試管中，非常明顯）；品紅溶液慢慢變淡至褪色，KMnO4溶液很快褪色，紫色石蕊試液變紅色，Na2S溶液中產(chǎn)生淡黃色沉淀；氣球漸漸鼓起來（讓學(xué)生直觀看到有大量氣體產(chǎn)生）。

（4） 待反應(yīng)完畢，用酒精燈加熱品紅溶液至微沸，觀察現(xiàn)象。

現(xiàn)象3： 品紅溶液恢復(fù)紅色。

（5） 打開k2，關(guān)閉k1、再打開分液漏斗旋塞及上口玻璃塞，用洗耳球從分液漏斗上口緩緩鼓氣，使裝置體系中殘余的氣體進(jìn)入堿溶液被吸收。氣球中的氣體也可緩緩?fù)ㄈ雺A液中或在課后實驗室通風(fēng)櫥中進(jìn)一步妥善處理。

（6） 可將反應(yīng)后的產(chǎn)物黑炭由彎頭玻璃棒輕松帶出，展示“黑面包”給學(xué)生觀察。

5 實驗改進(jìn)的意義

（1） 保留傳統(tǒng)做法中良好的視覺沖擊和震撼效果，有鮮明的特點(diǎn)和趣味性，能引起學(xué)生強(qiáng)烈的學(xué)習(xí)興趣和進(jìn)一步探究的欲望，學(xué)生記憶深刻，教學(xué)效果好。

（2） 對產(chǎn)物進(jìn)行必要的檢驗，特別是不加水而觀察和檢驗到水的生成（CO2可通過氧化還原反應(yīng)原理得出）。同時兼顧體現(xiàn)了SO2的漂白性、酸性、氧化性、還原性等幾大性質(zhì)，充分挖掘了該實驗的探究價值和知識價值，更具科學(xué)性和實用性，說服力強(qiáng)。

（3） 保留“黑面包”觀賞性的同時對產(chǎn)物進(jìn)行微型化檢驗，在不影響檢驗效果的前提下，大大降低了試劑的用量，使操作簡單，現(xiàn)象明顯。必要的攪拌、最后的固體產(chǎn)物的處理也很方便，具有明顯的簡約性和節(jié)約性。

（4） 通過對實驗所產(chǎn)生氣體的巧妙處理，使得現(xiàn)場演示不污染環(huán)境或污染減少，對師生的健康有利，充分體現(xiàn)了環(huán)境保護(hù)的理念和綠色化學(xué)的思想。

6 實驗說明及探討

（1） 實驗中為了科學(xué)體現(xiàn)水來自于蔗糖，故不另外加水。為了促進(jìn)實驗的進(jìn)行，可將蔗糖在研缽中研成粉末狀，并特將玻璃棒一端彎一個弧度，將伸在外面的另外一端用砂紙適當(dāng)打磨，增大摩擦，利于操作，攪拌效果很好，室內(nèi)溫度較高時，只要1～2min固體便開始膨脹，若在冬季，可能需要更長的時間。建議在充分?jǐn)嚢韬螅镁凭珶粑?，便立刻反?yīng)膨脹。

（2） 根據(jù)張霞[11]、何婧等[12]老師的研究及筆者的多次試驗，該實驗所用的蔗糖及98%的濃硫酸的用量分別采用8～10g、 6～7.5mL，能保證安全且有較為理想的實驗效果。

（3） 雖然該反應(yīng)產(chǎn)生較多的水，但由于反應(yīng)放出大量的熱，造成氣體的溫度較高，導(dǎo)致白色的無水硫酸銅粉末只略顯淺綠色而很難出現(xiàn)清晰的藍(lán)色[13]。品紅溶液的褪色較慢，故濃度要適度低一些，而酸性KMnO4溶液的紫色褪去速度很快。

（4） 根據(jù)不同情況下實驗的需要，多球干燥管中的試劑也可以適當(dāng)增減或更換，相應(yīng)的干燥管也可以更換為其他規(guī)格，比如雙球或三球等，干燥管球的大小為3cm×3cm或2cm×2cm比較適合。

（5） 建議課前就將各藥品提前加好，可大大節(jié)約課堂演示時間；為了能使所有學(xué)生觀察到現(xiàn)象，微型部分——多球干燥管可通過實物投影儀投影，也可將一便攜攝像頭固定在夾持干燥管的鐵架臺下部，通過大屏幕投影展示，效果非常好。

（6） 該實驗也會產(chǎn)生少量CO氣體，可以利用銀氨溶液或PdCl2溶液進(jìn)行檢驗，其原理均是利用CO的還原性將+1價的銀或+2價的鈀還原為黑色的銀單質(zhì)或鈀單質(zhì)，即現(xiàn)象均為出現(xiàn)黑色沉淀[14～16]。

原理為： CO+2Ag（NH3）2OH2Ag↓+（NH4）2CO3+2NH3

CO+PdCl2+H2O=Pd↓+CO2+2HCl

（7） 如前所述，氣球中的氣體可緩緩?fù)ㄈ雺A液中或課后在實驗室通風(fēng)櫥中進(jìn)一步處理，正因為有少量CO的生成，而CO并不能被堿液所吸收，建議最好選擇課后妥善處理，確保對環(huán)境的污染盡可能降到最低。

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