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        蔗糖炭化脫水實(shí)驗(yàn)的研究

        2022-05-30 23:44:21陳舉飛
        化學(xué)教與學(xué) 2022年16期
        關(guān)鍵詞:對(duì)比實(shí)驗(yàn)

        陳舉飛

        關(guān)鍵詞:?jiǎn)栴}前置;對(duì)比實(shí)驗(yàn);反應(yīng)物配比;充分?jǐn)嚢?/p>

        蔗糖炭化脫水實(shí)驗(yàn),操作簡(jiǎn)單、現(xiàn)象明顯,學(xué)生樂(lè)看、老師樂(lè)做。對(duì)該實(shí)驗(yàn)的深入研究、分析,能提高學(xué)生的探究能力和教師的實(shí)驗(yàn)教學(xué)能力。

        教材提示的蔗糖與濃硫酸炭化反應(yīng)實(shí)驗(yàn)操作過(guò)程是:在燒杯中加入一定量的蔗糖,再向蔗糖中滴入幾滴蒸餾水將蔗糖潤(rùn)濕,然后通過(guò)玻璃棒向燒杯中加入一定量的濃硫酸,用玻璃棒充分?jǐn)嚢鑋1]。

        實(shí)驗(yàn)過(guò)程中,可以觀察到:燒杯中的蔗糖晶體先由白色變黃色,再變棕色,接著變黑色;然后黑色混合物體積逐漸膨脹,最后形成一個(gè)“黑面包”,同時(shí)聞到刺激性氣味。

        實(shí)驗(yàn)完成后,學(xué)生常常會(huì)問(wèn):既然是蔗糖的脫水炭化,為什么還要在加濃硫酸之前加蒸餾水呢?我們老師常想:怎樣操作才能讓這個(gè)實(shí)驗(yàn)的速度更快、現(xiàn)象更明顯、污染物排放更少呢?

        一、探究加入蒸餾水的作用

        對(duì)于“蔗糖的脫水反應(yīng)為什么還要加蒸餾水?”的問(wèn)題,我們可以采取問(wèn)題前置的方法,把課后學(xué)生給老師的提問(wèn)變成課堂上老師對(duì)學(xué)生的提問(wèn),引導(dǎo)學(xué)生通過(guò)自主探究,解決問(wèn)題。

        在演示實(shí)驗(yàn)結(jié)束,學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)操作流程和實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象都有了充分的了解之后,老師向?qū)W生提出問(wèn)題:不加蒸餾水實(shí)驗(yàn)會(huì)有什么變化?水在實(shí)驗(yàn)中起什么作用?讓學(xué)生思考,設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案,再進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

        學(xué)生設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)方案,大多都是增加一個(gè)只加蔗糖和濃硫酸,不加蒸餾水的實(shí)驗(yàn)進(jìn)行對(duì)比,通過(guò)對(duì)比實(shí)驗(yàn),探尋實(shí)驗(yàn)中加入蒸餾水的作用。在學(xué)生動(dòng)手完成實(shí)驗(yàn)之前提醒他們,要從盡可能多的方面仔細(xì)觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象(見(jiàn)表1)。

        學(xué)生觀察到兩個(gè)實(shí)驗(yàn)的現(xiàn)象除了在是否生成“黑面包”上有明顯的不同外,還在溫度、產(chǎn)生氣體多少兩個(gè)方面也有明顯的差距。進(jìn)而引導(dǎo)學(xué)生思考——是什么原因造成了兩個(gè)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的差異呢?

        通過(guò)獨(dú)立思考、小組討論,學(xué)生分析得出兩個(gè)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象不同的原因是:加入適量的蒸餾水→增加濃硫酸稀釋時(shí)釋放的熱量→升高反應(yīng)混合物的溫度→推動(dòng)發(fā)生反應(yīng):C+2H2SO4(濃)△△ CO2↑+2SO2↑+2H2O,反應(yīng)產(chǎn)生大量氣體,使混合物體積膨脹,最后形成“黑面包”[2]。

        在學(xué)生分析得出結(jié)論后,再引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)一步設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案來(lái)驗(yàn)證他們的推測(cè)。經(jīng)過(guò)思考,學(xué)生通常會(huì)呈現(xiàn)兩種實(shí)驗(yàn)方案。

        方案一:繼續(xù)向?qū)嶒?yàn)二得到的盛有黑色混合物的燒杯中滴加適量的蒸餾水,觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。

        方案二:將實(shí)驗(yàn)二得到的盛有黑色混合物的燒杯加熱,觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。

        學(xué)生分小組討論,分析兩種實(shí)驗(yàn)方案的優(yōu)點(diǎn)和不足:方案一的操作比較簡(jiǎn)單,卻忽略了這一過(guò)程中包含濃硫酸的稀釋。稀釋濃硫酸時(shí),正確的操作是把濃硫酸倒入水中,不能把水倒入濃硫酸里面。方案二的操作相對(duì)復(fù)雜,但安全性高。自然地,選擇方案二進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

        實(shí)驗(yàn)三:將實(shí)驗(yàn)二得到的盛有黑色混合物的燒杯加熱,發(fā)現(xiàn)隨著溫度的升高,燒杯中逐漸產(chǎn)生大量氣體,刺激性的氣味逐漸濃烈,黑色混合物體積逐漸膨脹,最后也會(huì)變成“黑面包”。證明上述分析是正確的。

        上述實(shí)驗(yàn)使學(xué)生對(duì)蔗糖的脫水反應(yīng)有了更深的理解,但也容易使一部分學(xué)生形成:蒸餾水有幫助濃硫酸使蔗糖發(fā)生脫水反應(yīng)的作用。因此,有必要繼續(xù)追問(wèn)學(xué)生:蒸餾水對(duì)蔗糖在濃硫酸作用下發(fā)生脫水反應(yīng)有幫助嗎?最后引導(dǎo)學(xué)生明確:蔗糖的脫水反應(yīng)不需要蒸餾水,但蒸餾水能起到加快反應(yīng)速率、使實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象更明顯的作用。

        該實(shí)驗(yàn)探究的開(kāi)展,需要以濃硫酸與碳發(fā)生氧化還原反應(yīng)的知識(shí)作基礎(chǔ)。因此,在教學(xué)內(nèi)容的呈現(xiàn)順序上,要先學(xué)習(xí)濃硫酸的氧化性,后學(xué)習(xí)濃硫酸的脫水性,學(xué)生對(duì)演示實(shí)驗(yàn)的分析、探究實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)才有支撐。

        二、探究適宜的實(shí)驗(yàn)條件和實(shí)驗(yàn)操作

        對(duì)于我們教師更多關(guān)注的“怎樣操作才能讓這個(gè)實(shí)驗(yàn)的速度更快、現(xiàn)象更明顯、污染物排放更少?”等問(wèn)題,需要不斷探索、反復(fù)試驗(yàn),才能確定適宜的實(shí)驗(yàn)條件和合理的實(shí)驗(yàn)操作。表2是部分實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

        通過(guò)上述對(duì)比實(shí)驗(yàn),可以發(fā)現(xiàn):蔗糖的質(zhì)量相同時(shí),(1)加入蒸餾水越少,蔗糖晶體由白色變黃色,再變棕色,最后變黑色的過(guò)程越清晰;加入蒸餾水越多,蔗糖晶體由白色變黃色,再變棕色,最后變黑色的過(guò)程越快速,蒸餾水過(guò)多時(shí),一加入濃硫酸混合物立即變?yōu)楹谏?,不利于學(xué)生觀察、理解蔗糖的脫水過(guò)程。(2)加入的蒸餾水越多,混合物體積膨脹越大、速率越快,逸出的刺激性氣體也越多。(3)加入濃硫酸過(guò)多時(shí),混合物的體積膨脹反而較小、產(chǎn)生“黑面包”速率較慢。

        綜合來(lái)看:一般選擇50 mL燒杯、20 g蔗糖、10滴蒸餾水、15 mL 98%濃硫酸來(lái)完成這個(gè)實(shí)驗(yàn)比較適宜。既能清楚觀察到燒杯中的蔗糖晶體由白色變黃色,再變棕色,最后變黑色的過(guò)程,又有較快的“黑面包”生長(zhǎng)速率,能夠滿足課堂演示的要求。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中刺激性氣味很輕,具有污染物排放較少的優(yōu)點(diǎn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)束后,向燒杯中緩慢加入適量稀堿溶液,就能較好消除實(shí)驗(yàn)殘余物的污染。

        在反復(fù)多次的實(shí)驗(yàn)中筆者還注意到,即使反應(yīng)物的配比完全相同,實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象有時(shí)還是有明顯的差異。攪拌時(shí)間越長(zhǎng),“黑面包”反而生長(zhǎng)得越慢、體積越小。特別是當(dāng)加入的水量較少時(shí),不停的攪拌,只能在燒杯中看見(jiàn)小的氣泡,燒杯中黑色混合物的體積幾乎不會(huì)膨脹,也就沒(méi)有黑面包生成[3]。這與我們已有的認(rèn)知:快速不停的攪拌能使反應(yīng)物混合更充分、接觸面積更大,能加快反應(yīng)速度相矛盾——原因是快速不停的攪拌增加了熱量的散失,反而不利于溫度上升(特別是加入的水量較少時(shí),濃硫酸稀釋釋放的熱量本來(lái)就少),影響了碳與濃硫酸的反應(yīng)。

        當(dāng)加入的水量較多時(shí),不需要攪拌反應(yīng)物已能自動(dòng)混勻,反應(yīng)速率已經(jīng)較快,攪拌反而讓“黑面包”的結(jié)構(gòu)變得疏松不均勻,逸出較多的氣體污染物,有害師生健康,也不利于環(huán)境保護(hù)。合理的操作是:蔗糖、水、濃硫酸按適當(dāng)比例混合后,用玻璃棒稍加攪拌,混勻之后即停止攪拌,靜置,混合物體積逐漸膨脹,且速度越來(lái)越快,很快就會(huì)充滿燒杯?;仡^再讀教材上的操作提示:“充分?jǐn)嚢琛倍皇恰安煌嚢琛?,就是讓反?yīng)物混勻即可。描述簡(jiǎn)練準(zhǔn)確,需要我們認(rèn)真領(lǐng)會(huì)。

        夏天和冬天,環(huán)境溫度相差比較大,反應(yīng)物的量相同,實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象也有明顯差異。冬天環(huán)境溫度低,要適當(dāng)增加蒸餾水的量。

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