黃亞武 姚亮發(fā) 張賢金

摘要： 對蘇教版教材高中化學《必修（第一冊）》（2020年版）中“蔗糖與濃硫酸反應”實驗進行改進，設計了集反應、產(chǎn)物檢測和尾氣處理等一體化的實驗裝置，可以滿足學生分組實驗的需要，并同時完成濃硫酸的性質試驗以及多種氣體產(chǎn)物的檢驗。改進后的實驗裝置具有簡捷、安全和環(huán)保等優(yōu)點。

關鍵詞： 蔗糖； 濃硫酸性質； 實驗改進； 一體化設計

文章編號： 10056629（2022）10006804

中圖分類號： G633.8

文獻標識碼： B

1 問題的提出

《普通高中化學課程標準（2017年版）》明確指出要培育學生的化學學科核心素養(yǎng)，而實驗探究是化學學科的特色，是重要的科學實踐，是學生高階思維培養(yǎng)的路徑，是發(fā)展學生核心素養(yǎng)的主陣地。必修模塊“常見的無機物及其應用”中將“不同價態(tài)含硫物質的轉化”設置為必做的學生實驗，而“學習活動建議”中“實驗及探究活動”內(nèi)容也再次提到“含硫物質（如硫、二氧化硫等）的性質和濃硫酸的性質”［1］。因此，探究濃硫酸的性質不容忽視，決不能隨便應付了之。對濃硫酸性質的探究，蘇教版教材中分別用濃硫酸與膽礬、蔗糖和金屬銅反應三個典型實驗來說明。研究發(fā)現(xiàn)，探究濃硫酸與蔗糖反應不能只限定在脫水性上，還可以挖掘和開發(fā)更多的實驗探究素材，以發(fā)揮該實驗的教育價值。

2 不同版本教材實驗分析

濃硫酸與蔗糖反應的實驗很獨特，現(xiàn)象極具觀賞性，最能引發(fā)“大腦風暴”的效果。新版的人教版［2］、魯科版［3］高中教材弱化了蔗糖與濃硫酸反應的探究過程，僅通過三張圖片來展示實驗中所觀察到的實驗現(xiàn)象。如魯科版教材中，第一張圖顯示少量的白色蔗糖和一根玻璃棒放在小燒杯中；第二張圖顯示加入濃硫酸后，用玻璃棒攪拌時小燒杯中蔗糖變黑且體積略有膨脹，同時小燒杯中黑色固體的上方有較濃的白霧出現(xiàn)；第三張圖顯示外觀為圓柱形（直徑與小燒杯內(nèi)徑差不多）的黑色固體沿著玻璃棒垂直上升，且體積急劇膨脹。這意味著教師可以選擇不做實驗，用圖片分析實驗的結果即可。這種處理方法是讓學生通過圖片感知實驗情況，雖然圖片展示的實驗過程及現(xiàn)象較為清晰，也不存在污染問題，但畢竟錯失了實驗的教學功能。而蘇教版［4］的做法則不同，仍保留演示實驗供學生探究，這種做法對幫助學生從基于證據(jù)角度推斷濃硫酸、二氧化硫等物質的相關性質，培養(yǎng)學生對實驗現(xiàn)象的觀察、分析和得出結論等探究能力是很有幫助的。但該實驗仍存在著至少四個弊端：一是反應發(fā)生裝置用試管替代小燒杯，雖然在儀器小型化上有所改進，但教師在講臺上做演示，實驗的可見度較低；二是單純探究氣體產(chǎn)物SO2的漂白性，顯得比較單調(diào)乏味，難以激發(fā)學生的探究熱情；三是實驗產(chǎn)生的污染氣體無法妥善解決；四是用手直接觸摸試管外壁感知實驗過程中的放熱現(xiàn)象，不符合實驗安全性的原則。

3 已有實驗改進方案分析

查閱相關文獻，近幾年來有不少教師對該實驗做了一些改進與創(chuàng)新。改進內(nèi)容主要圍繞綠色化、一體化、微量化和信息化等方面。例如，王建芬［5］等利用可樂瓶等器材制作實驗裝置，實現(xiàn)加藥品、反應和有毒氣體吸收等過程的一體化；陳海濤［6］利用塑料保鮮袋來收集氣體說明反應有氣體產(chǎn)生，進而證明該氣體是SO2；何婧［7］等利用試管、注射器、雙口玻璃管、試管等儀器，通過一些試劑來檢驗部分氣體產(chǎn)物；吳松原［8］等（利用三口燒瓶等儀器）、吳叔娥［9］等（利用錐形瓶、具支試管等儀器）、高飛［10］（利用分液漏斗、具支試管、多球干燥管等儀器）改進實驗裝置后，用品紅溶液、酸性KMnO4溶液、澄清石灰水等檢驗氣體產(chǎn)物的性質，并用堿液吸收尾氣；王旭斌［11］利用三口燒瓶、磁力攪拌器等儀器，借用手持技術檢測燒瓶內(nèi)的空氣濕度及CO2濃度的變化。

上述實驗改進一定程度上優(yōu)化了實驗的效果，但依然存在操作不規(guī)范或不易操作、實驗儀器不常見或裝置太復雜、實驗試劑添加不方便、實驗完成后儀器清洗較麻煩、實驗數(shù)據(jù)及圖譜變化中會有些交錯不好分辯和分析等問題。為了解決上述實驗中的不足，筆者對該實驗又作了新的改進和完善。

4 實驗改進的思路

基于實驗教學的特點和深度學習的要求，本著簡捷、高效、一體化、綠色環(huán)保的原則，經(jīng)過反復實踐探索，除了繼續(xù)保留書本實驗藥品用量和SO2的檢驗外，重新設計了集反應、產(chǎn)物檢測和尾氣處理一體化的實驗新裝置（見圖1）。相比于蘇教版教材，增加了裝置的封閉處理、溫度的測定（以數(shù)據(jù)來說明放熱問題）和其他氣體產(chǎn)物的檢驗，甚至可對實驗所處的異常條件下發(fā)生CO2與C反應生成的CO進行檢測，有效地優(yōu)化了教材原實驗的設計，獲得了預想的實驗效果。實踐證實，新實驗裝置既符合教師演示的要求，又適合學生分組實驗開展合作探究。

5 實驗方案

5.1 實驗反應原理

H2SO4（濃）+nH2OH2SO4·nH2O

C12H22O11濃硫酸12C+11H2O

C+2H2SO4（濃）△CO2↑+2SO2↑+2H2O

CO2+C△2CO

CO+2Ag（NH3）2OH2Ag↓+（NH4）2CO3+2NH3

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

SO2+H2OH2SO3

CO2+H2OH2CO3

SO2+2NaOHNa2SO3+H2O

CO2+2NaOHNa2CO3+H2O

5.2 實驗儀器、用品及藥品

廣口瓶（250mL）、膠頭滴管、溫度計（測溫范圍：－30～+360℃）、干燥管（60mL）、點滴板、托盤天平、藥匙、鑷子、量筒（10mL）、連有玻璃彎管的橡膠塞、雙孔橡膠塞、研缽（60mm）、氣球、棉花團；98%濃硫酸、蔗糖、藍色石蕊試紙、濾紙條4條（3mm×5mm）、 0.1mol·L－1品紅溶液、0.1mol·L－1酸性高錳酸鉀溶液、銀氨溶液（用2%的硝酸銀和2%的氨水配制）、0.1%溴麝香草酚藍水溶液、30%濃NaOH溶液、凡士林等

5.3 實驗操作及現(xiàn)象

（1） 按圖1組裝實驗裝置后，檢查氣密性。

（2） 制作幾種檢驗氣體的試紙。將四張濾紙條（3mm×5mm）分別放在點滴板凹槽上，用膠頭滴管分別取溶液滴在濾紙條上，這樣等濾紙濕潤后，就制得了檢驗氣體的試紙，即蘸有品紅溶液的試紙、蘸有酸性KMnO4溶液的試紙、蘸有溴麝香草酚藍水溶液的試紙、蘸有銀氨溶液的試紙。

（3） 用鑷子將制作好的四種檢驗氣體的試紙和濕潤的藍色石蕊試紙分別沾在干燥管球形部位內(nèi)壁處，接著將氣球（球內(nèi)放入蘸有濃NaOH溶液的棉花球）套在干燥管的小管口處，然后將插在廣口瓶雙口塞子上的玻璃彎管另一端的單孔橡膠塞與干燥管的大管口相連接（見圖1）。

（4） 廣口瓶啟塞，稱取蔗糖2.0g放入廣口瓶中，滴加2～3滴蒸餾水濕潤。而后量取3.0mL濃硫酸倒入廣口瓶中，迅速塞上塞子，振蕩，觀察現(xiàn)象。

現(xiàn)象1：溫度計的讀數(shù)變化先緩慢后突然快速升高，而后變化較緩，最后又漸漸回落。

現(xiàn)象2：瓶中混合物的顏色經(jīng)歷由白→黃→褐→黑的明顯突變，緊接著出現(xiàn)白霧，固體表面出現(xiàn)大量氣泡，黑色固體（蓬松海綿狀）體積迅速膨脹。

現(xiàn)象3：干燥管的球形容器中，五種檢驗氣體的試紙的顏色發(fā)生了不同的變化。蘸有品紅溶液的試紙紅色漸漸褪去；蘸有酸性KMnO4溶液的試紙很快褪色；潤濕的藍色石蕊試紙變紅但不褪色；蘸有銀氨溶液的試紙變黑色；蘸有溴麝香草酚藍水溶液的試紙則由藍變綠最后變黃。

現(xiàn)象4：氣球的體積略有增大，后又慢慢變小。

5.4 實驗說明及探討

（1） 實驗中向蔗糖加蒸餾水，是為了促進實驗快速進行，因為濃硫酸在水中溶解時有大量的熱量放出，促進反應的進行；水使部分蔗糖溶解，可促進濃硫酸與蔗糖的充分接觸，加快脫水反應的發(fā)生。

（2） 實驗改進后沒有使用玻璃棒攪拌，實驗剛開始的速率較慢，因此濃硫酸加入后一定要輕輕振蕩，加快反應的進行。

（3） 為了確保有較為理想的效果，建議選用食用的一級或優(yōu)級的干燥白砂糖，白砂糖事先用研缽作研磨處理。

（4） 實驗中有大量的熱量放出，導致前期廣口瓶內(nèi)溫度快速升高，但隨著反應中氣體的產(chǎn)生，后續(xù)溫度變化不大，到后期反應幾乎停止，瓶內(nèi)溫度開始下降。因此，通過廣口瓶內(nèi)溫度的變化可以推測反應進行的情況。

（5） 實驗中蔗糖由白色最終變?yōu)楹谏菨饬蛩崦撍缘淖罴咽聦嶒炞C。

（6） 干燥管中球形部位處的容積相對較大，是反應產(chǎn)生氣體的主要聚集場所，氣體的濃度較大，導致氣體與試紙充分接觸。五種試紙發(fā)生變色較快，取得較好的實驗效果。

（7） 反應產(chǎn)生的SO2具有漂白性、還原性是通過分別蘸有品紅溶液和酸性KMnO4溶液試紙的褪色來驗證的。濕潤的藍色石蕊試紙不見褪色而只是變紅，說明CO2、 SO2溶于水而顯酸性，同時也說明SO2的漂白性是有限的。不受SO2干擾的蘸有溴麝香草酚藍水溶液的試紙最終變?yōu)辄S色，說明CO2的存在且有一定的濃度，其顏色變化是由CO2反應生成的碳酸的濃度逐漸增大，溶液的pH逐漸降低所致。沾有銀氨溶液的試紙變黑色，說明金屬銀被CO還原出來。

（8） 實驗中檢測到有CO氣體生成，是因為反應產(chǎn)生的CO2與C在高溫下發(fā)生歸中反應得到的。

6 實驗改進的意義

（1） 改進后的裝置具有簡約、易組裝和小型化的特點，非常適用于學生的分組實驗，讓學生對濃硫酸性質有近距離的體驗感，提高學生成功進行實驗探究的期望值和積極性。

（2） 有效整合了濃硫酸特性和多種氣體產(chǎn)物的檢驗，實現(xiàn)了一體化的探究過程。既提高了實驗效率，簡化了實驗操作，又方便了產(chǎn)物的檢驗，有效培養(yǎng)了學生的科學探究意識。

（3） 設計嚴謹，充分挖掘了實驗的探究素材，為濃硫酸特性的外顯提供了可視化證據(jù)。如用溫度計測量溫度的變化來說明反應過程中的熱量變化，同時借助五種試紙的顏色改變，直觀地證明了反應所生成的氣體產(chǎn)物，使實驗的探究結論更具說服力，有利于發(fā)展學生的證據(jù)推理素養(yǎng)。

（4） 拓展了對CO、 CO2氣體鑒定的新認識，簡化了CO、 CO2、 SO2共存時的檢驗流程。

（5） 全密封的實驗裝置，使實驗過程不會逸出有害氣體污染環(huán)境，有利于學生樹立綠色化學思想和環(huán)境保護理念。

參考文獻：

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