王旭斌

摘要：創(chuàng)新設(shè)計(jì)濃硫酸與蔗糖的“黑面包”實(shí)驗(yàn)裝置，利用濕度傳感器與二氧化碳傳感器實(shí)時監(jiān)測密閉實(shí)驗(yàn)裝置內(nèi)相對濕度以及二氧化碳濃度的變化，通過宏觀辨識、微觀探析、曲線分析的三重表征方式，一體化探究濃硫酸的特性及“黑面包”實(shí)驗(yàn)的產(chǎn)物。

關(guān)鍵詞：濕度傳感器;二氧化碳傳感器;濃硫酸特性;一體化

文章編號：1008-0546（2020）01-0082-04 中圖分類號：G633.8 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2020.01.023

《普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017版）》明確指出，“常見的無機(jī)物及其應(yīng)用”這一必修主題中，“不同化合價含硫化合物的轉(zhuǎn)化”為學(xué)生必做實(shí)驗(yàn)。因此“濃硫酸的特性探究”依然是高中生學(xué)習(xí)元素及其化合物知識的必備實(shí)驗(yàn)，而我們知道濃硫酸與蔗糖的“黑面包”實(shí)驗(yàn)是一經(jīng)典實(shí)驗(yàn)，它不僅可以讓學(xué)生留下深刻的印象，同時可幫助學(xué)生理解濃硫酸的相關(guān)重要性質(zhì)及培養(yǎng)學(xué)生實(shí)驗(yàn)探究的科學(xué)思維。

現(xiàn)行人教版和蘇教版對于“黑面包”實(shí)驗(yàn)操作方法都有介紹，人教版：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(shí)驗(yàn)現(xiàn)象Ⅲ。蘇教版：取2g蔗糖放人大試管中，加2～3滴水，再加人約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(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。而對于以上兩種設(shè)計(jì)方案許多老師提出了不足。基于原有的實(shí)驗(yàn)方案，老師們紛紛做出了改進(jìn)與創(chuàng)新。如王建芬、齊俊林研究的“蔗糖與濃硫酸反應(yīng)實(shí)驗(yàn)的創(chuàng)新設(shè)計(jì)”，在人教版實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，利用廢棄的可樂瓶、水槽和分液漏斗設(shè)計(jì)了一套環(huán)保的“黑面包”實(shí)驗(yàn)裝置，如圖1;陳益、徐守兵研究的“濃硫酸系列性質(zhì)實(shí)驗(yàn)的一體化和綠色化設(shè)計(jì)”，在蘇教版實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上，將大試管與球形干燥管結(jié)合，在干燥管內(nèi)自下而上分別加入了含品紅的脫脂棉、濕潤的藍(lán)色石蕊試紙和含氫氧化鈉溶液的脫脂棉來檢驗(yàn)“黑面包”實(shí)驗(yàn)的生成物及尾氣處理，裝置如圖2;吳松原、佟檜群等研究的“蔗糖與濃硫酸反應(yīng)一體化實(shí)驗(yàn)的再改進(jìn)”利用100mL的三頸燒瓶、環(huán)形玻璃攪拌棒、醫(yī)用玻璃瓶、軟膠管及相應(yīng)的試劑設(shè)計(jì)了一套密封、環(huán)保的“黑面包”的形成及產(chǎn)物一體化檢驗(yàn)裝置，如圖3;何婧、喬金鎖等研究的“蔗糖與濃硫酸反應(yīng)實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)及反應(yīng)產(chǎn)物的定性檢測”，以及高飛研究的“濃硫酸使蔗糖脫水實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)和創(chuàng)新”，裝置設(shè)計(jì)上有共性：密封體系，藥品用量少，注重環(huán)保，產(chǎn)物的確認(rèn)及性質(zhì)檢驗(yàn)完整，如圖4與圖5。

從以上不同的“黑面包”實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)不難發(fā)現(xiàn)，證明了濃硫酸脫水性和強(qiáng)氧化性的同時，圍繞節(jié)能（微型、藥品少）、環(huán)保（尾氣處理）及產(chǎn)物的驗(yàn)證（直觀、方便）等角度進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì)，從而優(yōu)化了教材中的原有方案。然而，所有“黑面包”改進(jìn)實(shí)驗(yàn)中并沒有證明濃硫酸吸水性，而且都是局限于傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)儀器和實(shí)驗(yàn)方法的改進(jìn)，缺乏現(xiàn)代傳感技術(shù)和計(jì)算機(jī)的應(yīng)用，難以提高學(xué)生的信息素養(yǎng)。那么，在“黑面包”的實(shí)驗(yàn)過程中，濃硫酸的吸水性如何驗(yàn)證呢？房壽高研究的“濃硫酸性質(zhì)實(shí)驗(yàn)的整合創(chuàng)新設(shè)計(jì)”給了筆者很好的提示：“他利用往兩支小試管中‘哈氣使試管內(nèi)壁起水霧而變得模糊，然后往其中一支試管中滴加濃硫酸后對比兩試管模糊度，發(fā)現(xiàn)滴加濃硫酸的試管因濃硫酸吸收了水霧使管壁變得清晰，從而說明濃硫酸的吸水性?！边@一設(shè)計(jì)非常巧妙，讓筆者認(rèn)識到在“黑面包”實(shí)驗(yàn)過程中加入濃硫酸時周圍的水蒸氣被濃硫酸吸收從而導(dǎo)致空氣濕度下降，只不過濕度的變化肉眼不能識別，因此傳統(tǒng)的“黑面包”實(shí)驗(yàn)中濃硫酸的吸水性才避而不談。那我們能否參考房老師的實(shí)驗(yàn)方法來檢驗(yàn)濃硫酸的吸水性從而實(shí)現(xiàn)三大特性一體化探究呢？經(jīng)過嘗試，筆者發(fā)現(xiàn)，“哈氣”起霧受到周圍環(huán)境溫度的影響，溫度較低時水霧保留較久，而溫度高的時候，水霧很快就消失了，方法還是存在缺陷。那么，有沒有更好的方法或技術(shù)來證明空氣濕度的變化呢？基于對數(shù)字化實(shí)驗(yàn)的了解，筆者聯(lián)想到了“相對濕度傳感器”，它可以檢測出空氣中細(xì)微的濕度變化，正好符合實(shí)驗(yàn)要求。因此，筆者結(jié)合數(shù)字化實(shí)驗(yàn)，設(shè)計(jì)了利用濕度傳感器以及二氧化碳傳感器來輔助探究濃硫酸三大特性的創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)方案，達(dá)到了通過凸顯“黑面包”實(shí)驗(yàn)的宏觀現(xiàn)象及曲線表征來一體化證明濃硫酸吸水性、脫水性和強(qiáng)氧化性的目的。

一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/p>

創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)儀器結(jié)合現(xiàn)代傳感器技術(shù)（濕度傳感器以及二氧化碳傳感器）探究濃硫酸的“黑面包”實(shí)驗(yàn)，通過宏觀辨識、微觀探析和曲線分析三重表征的方式理解濃硫酸的吸水性、脫水性、強(qiáng)氧化性以及“黑面包”實(shí)驗(yàn)的產(chǎn)物。

二、實(shí)驗(yàn)部分

1.藥品與試劑

98.3%的濃硫酸，蒸餾水，蔗糖，0.01mol·L^-1酸性高錳酸鉀溶液，濃氫氧化鈉溶液。

2.儀器

朗威DISLab8.0濕度傳感器、二氧化碳傳感器、數(shù)據(jù)采集器、鐵架臺、磁力攪拌器、攪拌磁子、150mL改裝三頸燒瓶（瓶底有小凹槽）、塑料膠管、50mL小燒杯、10mL注射器、30mL注射器、魯爾管（耐酸、堿）、試管刷、碾缽。

3.實(shí)驗(yàn)裝置，如圖6

4.買驗(yàn)步驟

（1）添加藥品

如圖6所示，將攪拌磁子置于三頸燒瓶凹槽處，滴加兩滴蒸餾水，再加入約2g碾磨過的蔗糖于三頸燒瓶凹槽處，取一支10mL注射器抽取約3mL濃硫酸，取兩支30mL注射器，其中一支抽取約3-5mL稀酸性高錳酸鉀溶液，另一支抽取20mL濃氫氧化鈉溶液備用。

（2）搭建裝置

三頸燒瓶用鐵架臺固定，置于磁力攪拌器正上方，裝有濃硫酸與酸性高錳酸鉀溶液的兩注射器分別通過魯爾管和針頭固定于膠塞上，膠塞塞人中間瓶口，二氧化碳傳感器、相對濕度傳感器分別與三頸燒瓶兩側(cè)瓶口相接，傳感器通過數(shù)據(jù)采集器與電腦相接。

（3）實(shí)驗(yàn)操作

打開朗威DISLab8.0軟件，點(diǎn)擊通用軟件，軟件顯示三頸燒瓶內(nèi)二氧化碳濃度及空氣濕度值，待數(shù)據(jù)穩(wěn)定后，點(diǎn)擊曲線顯示，電腦實(shí)時采集二氧化碳濃度及相對濕度的數(shù)值變化;打開魯爾管開關(guān)，將濃硫酸加入三頸燒瓶中，觀察蔗糖顏色變化及相對濕度變化，同時打開磁力攪拌器開關(guān)，快速攪拌2～3秒，繼續(xù)觀察蔗糖變化以及二氧化碳濃度和相對濕度變化;待數(shù)據(jù)穩(wěn)定，停止采集，抽取適量燒瓶內(nèi)的氣體于酸性高錳酸鉀的注射器中觀察溶液顏色變化;最后將濃氫氧化鈉溶液利用注射器加入三頸燒瓶中，進(jìn)行氣體綠色處理。

三、實(shí)驗(yàn)條件控制和結(jié)論

1.反應(yīng)條件的控制

（1）蔗糖、蒸餾水與濃硫酸的用量

本實(shí)驗(yàn)選擇碾成粉末狀的蔗糖2g，98.3%的濃硫酸3mL以及2滴蒸餾水進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。首先，本著節(jié)約、環(huán)保的原則能確保“黑面包”形成;其次，藥品用量過多會導(dǎo)致密閉體系內(nèi)氣體濃度過大使傳感器數(shù)據(jù)顯示延后或超出量程，甚至損壞傳感器。

（2）三頸燒瓶的改裝

由于實(shí)驗(yàn)取用的蔗糖和濃硫酸的量比較少，若直接在原裝的三頸燒瓶中用磁力攪拌磁子，蔗糖與濃硫酸的混合物容易散開，不易聚熱，難以形成“黑面包”。因此，三頸燒瓶底部高溫?zé)瞥鲆话疾?，攪拌磁子?滴蒸餾水恰好在凹槽處，再加入蔗糖、濃硫酸攪拌，熱量自下而上使“黑面包”更易形成。

2.結(jié)果分析

（1）濃硫酸脫水性探究結(jié)果如圖7。

宏觀辨識：白色到黑色，脫水碳化，說明濃硫酸具有脫水性。

（2）“黑面包”實(shí)驗(yàn)產(chǎn)物SO2探究結(jié)果如圖8。

宏觀辨識：紫紅色酸性高錳酸鉀溶液褪色，說明有還原性的SO2氣體生成;

微觀探析：硫元素化合價從+6降到+4價，說明濃硫酸有得電子的能力，因此具有氧化性。

（3）數(shù)字化探究“黑面包”實(shí)驗(yàn)中三頸燒瓶內(nèi)相對濕度和二氧化碳濃度，結(jié)果如圖9。

曲線分析：40s到70s相對濕度開始下降，說明水蒸氣濃度下降，濃硫酸有吸水性，80s后二氧化碳濃度不斷上升，說明“黑面包”實(shí)驗(yàn)有二氧化碳生成;而70s后相對濕度又上升，說明體系中水蒸氣濃度上升。綜合分析，水蒸氣來源主要有兩個：一是濃硫酸使蔗糖脫出的水受熱蒸發(fā);二是碳和濃硫酸反應(yīng)生成二氧化碳和二氧化硫的同時還生成了水蒸汽。

四、實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新與反思

1.創(chuàng)新點(diǎn)

（1）用三頸燒瓶代替教材中的大試管作為“黑面包”實(shí)驗(yàn)發(fā)生裝置，三頸燒瓶底部高溫?zé)瞥霭疾郏ㄗ饔茫悍胖脭嚢璐抛樱?，攪拌磁子代替玻璃棒攪拌，保留?jīng)典“黑面包”的同時，加料、氣體檢驗(yàn)及尾氣吸收都在密閉裝置中進(jìn)行，綠色環(huán)保。

（2）用濕度傳感器、二氧化碳傳感器實(shí)時檢測燒瓶內(nèi)空氣濕度及二氧化碳濃度的變化，直觀反映濃硫酸的特性及“黑面包”實(shí)驗(yàn)的產(chǎn)物。

2.反思

以教育信息化帶動教育現(xiàn)代化，是我國教育事業(yè)發(fā)展的戰(zhàn)略選擇。信息技術(shù)與學(xué)科教育的深度融合是中學(xué)教學(xué)的突破口，將“數(shù)字化實(shí)驗(yàn)”引入高中化學(xué)教學(xué)，成為當(dāng)前改進(jìn)中學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的新趨勢。因?yàn)閿?shù)字化實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)了實(shí)驗(yàn)手段的數(shù)字化、測量呈現(xiàn)實(shí)時化、現(xiàn)象規(guī)律可視化、操作測量簡單化，解決了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)中只能定性不能定量，即使定量卻又無法呈現(xiàn)過程的狀況，所以數(shù)字化實(shí)驗(yàn)在保留傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上超越了傳統(tǒng)。而學(xué)生通過利用傳感器技術(shù)對化學(xué)實(shí)驗(yàn)的探究，不僅提高了信息技術(shù)的能力，而且能夠很好激發(fā)創(chuàng)新思維，是當(dāng)前新課改“核心素養(yǎng)”教學(xué)的有效途徑。