“綠色”的黑面包實(shí)驗(yàn)

黃沔銣　吳雙桃　劉藝　顏冬微

[摘要]設(shè)計(jì)“1+3+1”的密閉實(shí)驗(yàn)裝置，對人教版普通高中課程標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)教科書化學(xué)必修1中的“黑面包實(shí)驗(yàn)”進(jìn)行改進(jìn)。結(jié)果表明，采用3～4g蔗糖、3mL濃硫酸以及5～8滴的蒸餾水反應(yīng)，黑面包現(xiàn)象明顯，尾氣驗(yàn)證效果較好。改進(jìn)后的裝置操作方便，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象明顯，且通過尾氣處理有利于師生健康，符合綠色化學(xué)教育理念。

[關(guān)鍵詞]綠色化學(xué)；黑面包實(shí)驗(yàn)；密閉實(shí)驗(yàn)

[中圖分類號]G633.8 [文獻(xiàn)標(biāo)識碼]A [文章編號]1674-6058（2017）05-0103-02

在B瓶中可觀察到，品紅溶液中有氣泡產(chǎn)生，說明有氣體產(chǎn)生，同時可觀察到品紅溶液褪色，表明反應(yīng)產(chǎn)物為SO₂氣體，因?yàn)镾O₂與水生成亞硫酸與品紅生成無色的絡(luò)合物，造成褪色的現(xiàn)象；C瓶中高錳酸鉀溶液褪色，說明SO₂具有還原性；D瓶中澄清的石灰水變渾濁，證明氣泡中夾雜著CO₂氣體，即黑面包反應(yīng)產(chǎn)物中有CO₂氣體。通過3個性質(zhì)檢驗(yàn)裝置，可觀察到濃硫酸脫水性實(shí)驗(yàn)過程中產(chǎn)生了SO₂和CO₂氣體。此過程可從產(chǎn)物方面反推實(shí)驗(yàn)原理，有利于學(xué)生加深理解。

二、實(shí)驗(yàn)注意事項(xiàng)

1.黑面包反應(yīng)器的選擇

圖2為傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)裝置圖，存在裝置敞口、無檢驗(yàn)裝置、無尾氣處理的問題。對該反應(yīng)裝置進(jìn)行改進(jìn)時，曾選擇試管作為實(shí)驗(yàn)裝置，但試管作為反應(yīng)器時，由于底部過于狹小，反應(yīng)物間未能充分接觸，故可觀察到蔗糖殘留，說明反應(yīng)不完全，同時黑面包生成量較小，實(shí)驗(yàn)效果不佳。因此，改用圓底燒瓶作為反應(yīng)器，其圓形底部增大了反應(yīng)面積，促進(jìn)了蔗糖、蒸餾水和濃硫酸三者充分接觸，黑面包現(xiàn)象非常明顯，便于觀察。同時，將實(shí)驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)成集發(fā)生、檢驗(yàn)、吸收于一體的密閉裝置，使得實(shí)驗(yàn)流暢，可看性強(qiáng)。

2.濃硫酸的用量

如圖1所示，圓底燒瓶容積一定，若黑面包生成體積過大，會堵塞上部分氣體通道，因此有必要通過濃硫酸的用量來控制反應(yīng)物的生成量。分別量取1 mL、2mL、3mL、4mL、5mL的濃硫酸與5 g蔗糖于200mL圓底燒瓶中反應(yīng)，測量“黑面包”上升高度，以確定濃硫酸的最佳用量。

結(jié)果顯示，濃硫酸為3 mL時與蔗糖反應(yīng)現(xiàn)象明顯，“黑面包”約占圓底燒瓶體積的2/3。當(dāng)濃硫酸超過5mL時，濃硫酸過量，反應(yīng)劇烈，氣體迅速放出，瞬時壓強(qiáng)差過大，容易發(fā)生意外。濃硫酸是具有強(qiáng)腐蝕性的強(qiáng)酸溶液，對環(huán)境危害較大。因此，在實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象明顯的前提下，盡可能減少濃硫酸的用量，這樣既可節(jié)約成本，又有利于環(huán)境保護(hù)。圖1中使用針筒可以準(zhǔn)確量取濃硫酸，既可減少人體直接接觸的危險，又可利用快速加人濃硫酸時產(chǎn)生的沖力形成攪拌作用，有利于實(shí)驗(yàn)的順利進(jìn)行。

3.蔗糖的用量

濃硫酸具有強(qiáng)腐蝕性，對環(huán)境影響較大，而蔗糖成本低，對環(huán)境無害，因此也可考慮通過控制蔗糖用量來達(dá)到控制實(shí)驗(yàn)的目的。分別稱量1 g、2 g、3 g、4 g、5g蔗糖與3 mL的濃硫酸反應(yīng)，測量“黑面包”上升高度，考察蔗糖用量對反應(yīng)的影響。結(jié)果表明，當(dāng)蔗糖用量為3～4g時，蔗糖可鋪滿圓底燒瓶底部，有利于濃硫酸與蔗糖的充分接觸，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象明顯，效果好。

4.蒸餾水的用量

蒸餾水的用量是本實(shí)驗(yàn)的關(guān)鍵。黑面包實(shí)驗(yàn)是利用濃硫酸與水的稀釋作用提供的熱量來保障實(shí)驗(yàn)的順利進(jìn)行。按照本實(shí)驗(yàn)的用量，滴加5～8滴蒸餾水既可保證實(shí)驗(yàn)熱量充足，又可保證實(shí)驗(yàn)最后黑面包膨脹疏松。若蒸餾水用量不足，稀釋作用效果不佳，會導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)的直接失敗；若蒸餾水過量，最終得到黏稠糊狀流體，就無法形成疏松的“黑面包”。通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證加入6滴蒸餾水，實(shí)驗(yàn)效果最好。

6.尾氣的處理

由于反應(yīng)過程中有SO₂和CO₂廢氣產(chǎn)生，故為實(shí)驗(yàn)添加尾氣處理裝置，即采用氫氧化鈉溶液吸收SO₂和CO₂廢氣。在E尾氣吸收處，可觀察到氫氧化鈉溶液液面略微上升的現(xiàn)象，這是由于殘留的SO₂、生成的CO₂氣體被吸收，產(chǎn)生內(nèi)外壓強(qiáng)差所致，在此處設(shè)置倒置漏斗可防止溶液倒吸。

此裝置既有力地保障了師生健康，又在課堂上滲透了環(huán)境保護(hù)教育，宣傳綠色化學(xué)教育理念，有利于培養(yǎng)學(xué)生的環(huán)境保護(hù)意識。

三、實(shí)驗(yàn)結(jié)論

本實(shí)驗(yàn)采用“1+3+1”實(shí)驗(yàn)裝置，在反應(yīng)裝置、檢驗(yàn)裝置以及吸收裝置上對黑面包實(shí)驗(yàn)進(jìn)行創(chuàng)新，同時可完成產(chǎn)物的制備、檢驗(yàn)以及尾氣處理，操作方便，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象明顯。通過反應(yīng)產(chǎn)物性質(zhì)檢驗(yàn)來反推實(shí)驗(yàn)原理，有利于學(xué)生對此部分內(nèi)容加深理解。同時，對反應(yīng)物的用量進(jìn)行優(yōu)化，3 mL濃硫酸、3～4 g蔗糖、5～8滴蒸餾水的實(shí)驗(yàn)用量效果較好，既有利于教師演示操作，又減少了藥品用量，節(jié)約了成本。“綠色”黑面色實(shí)驗(yàn)是一個環(huán)境友好型綠色實(shí)驗(yàn)。

（責(zé)任編輯 羅艷）