蔗糖與濃硫酸反應(yīng)的最佳條件探究

孔令鑫 姜言霞

摘要：蔗糖與濃硫酸的反應(yīng)是高中化學(xué)教材中證明濃硫酸的強氧化性和脫水性重要演示實驗之一。但在實際操作中往往會因反應(yīng)物物料比的不同而導(dǎo)致現(xiàn)象不明顯甚至失敗。文章主要探究了影響蔗糖與濃硫酸反應(yīng)的因素，并通過對比實驗探究出了蔗糖與濃硫酸反應(yīng)的最佳物料比。

關(guān)鍵詞：蔗糖；濃硫酸；最佳條件；影響因素；物料比

文章編號：1008-0546（2018）11-0089-04 中圖分類號：G633.8 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2018.11.029

一、問題的提出

高中化學(xué)教材中蔗糖與濃硫酸反應(yīng)的“黑面包”實驗，是驗證濃硫酸的脫水性和氧化性的直觀實驗之一。人教版化學(xué)教材必修1指出：“蔗糖中加入濃硫酸時，蔗糖變黑，體積膨脹，變成疏松多孔的海綿狀的炭，并放出有刺激性氣體的氣體。”教材只是簡單描述實驗現(xiàn)象，并未給出具體的實驗步驟以及反應(yīng)物的加入量，教師無法準(zhǔn)確掌握反應(yīng)物的物料比，使得蔗糖與濃硫酸的反應(yīng)成功率降低。并且該實驗受到諸多因素的影響，如若使用濃硫酸濃度過低，反應(yīng)只產(chǎn)生黑褐色粘稠物，導(dǎo)致實驗失敗，無法觀察到“黑面包”升起的現(xiàn)象 [1]。另外，教材中蔗糖與濃硫酸的反應(yīng)在燒杯中進(jìn)行，現(xiàn)象雖明顯，但產(chǎn)生的二氧化硫污染環(huán)境，不符合綠色化學(xué)的理念。因此，蔗糖與濃硫酸反應(yīng)的影響因素有哪些呢？采用何種物料配比實驗效果最佳？這些問題成了本實驗要研究的主要問題。

查閱相關(guān)文獻(xiàn)可以發(fā)現(xiàn)，有關(guān)蔗糖與濃硫酸反應(yīng)的實驗主要分為三種。一種是從綠色化學(xué)的理念出發(fā)，改進(jìn)實驗裝置以有效處理尾氣。例如，針對教材中蔗糖與濃硫酸反應(yīng)缺少尾氣處理裝置，不符合綠色化學(xué)的理念，王建芬 [2]等利用玻璃水槽、小燒杯、分液漏斗、可樂瓶等器材制作了蔗糖與濃硫酸反應(yīng)的改進(jìn)實驗裝置。改進(jìn)后的實驗裝置實現(xiàn)了加料、反應(yīng)和有害氣體吸收三個過程的有機(jī)結(jié)合。陳純 [3]等針對常規(guī)實驗裝置污染環(huán)境這一問題，利用連接止水夾的玻璃導(dǎo)管和氣球?qū)嶒炑b置進(jìn)行了改進(jìn)，能夠很好地收集氣體并檢驗氣體，符合綠色化學(xué)的要求。胡景剛 [4]利用生活中常見的大可樂瓶對反應(yīng)裝置進(jìn)行了改進(jìn)，并設(shè)計了攪拌裝置，既保證了蔗糖與濃硫酸的反應(yīng)在封閉體系中進(jìn)行，又可以攪拌反應(yīng)物以加快反應(yīng)速率。針對教材實驗在開放體系中進(jìn)行，污染環(huán)境以及藥品用量隨意取用，導(dǎo)致實驗成功率不高的問題，張震 [5]將反應(yīng)容器改為試管，倒扣量筒于試管上方，利用滴有酚酞的氫氧化鈉溶液來吸收尾氣，解決了污染問題。另外，實驗借助“半定量法”得出了蔗糖、濃硫酸和水的最佳用量。一種是通過改進(jìn)實驗裝置檢驗產(chǎn)物的性質(zhì)。另一種是通過改進(jìn)裝置，驗證蔗糖與濃硫酸剩余反應(yīng)物的性質(zhì)。吳松原 [5]等利用三口燒瓶改進(jìn)實驗裝置，使蔗糖與濃硫酸的反應(yīng)在密閉裝置中進(jìn)行，并借助品紅溶液、酸性高錳酸鉀溶液、澄清石灰水等檢驗產(chǎn)物的性質(zhì)。筆者認(rèn)為三口燒瓶的底部球形，可以使蒸餾水自然滲透、潤濕蔗糖，有利于反應(yīng)的進(jìn)行，提高實驗成功率。文獻(xiàn)也有少部分實驗涉及蔗糖與濃硫酸反應(yīng)的最佳條件的探究。研究主要是在改進(jìn)實驗裝置的基礎(chǔ)上，利用“半定量法”得出蔗糖、濃硫酸和水的最佳用量，缺少系統(tǒng)研究蔗糖與濃硫酸最佳實驗條件的實驗。

參考已有文獻(xiàn)，并考慮到蔗糖與濃硫酸的實驗本身放熱，故本實驗沒有將反應(yīng)溫度作為探究因素之一，而將蔗糖類型（后通過對比實驗排除）、加入水的量、濃硫酸體積、燒杯口徑以及蔗糖質(zhì)量作為探究條件。參照張媛媛 [6]的研究，本實驗選取5mL濃硫酸，依次改變蔗糖用量，以測得濃硫酸與蔗糖反應(yīng)的最大限度。在探究濃硫酸體積對實驗的影響時，控制蔗糖質(zhì)量10g，加入水的量為10滴，依次改變濃硫酸的用量從而探究出反應(yīng)效果最佳的濃硫酸用量。本實驗的研究目的是探究蔗糖與濃硫酸反應(yīng)的最佳條件及最佳物料比，分析產(chǎn)生這種結(jié)果的可能原因。為了讓學(xué)生更直觀地看到生成的二氧化硫氣體被吸收，該實驗特別選用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.5%的高錳酸鉀溶液作為指示劑和尾氣處理液。當(dāng)觀察到高錳酸鉀溶液褪色時，說明二氧化硫與高錳酸鉀發(fā)生了反應(yīng)。

二、實驗研究過程

1.實驗原理

蔗糖與濃硫酸反應(yīng)時由于濃硫酸具有脫水性，一部分氫氧元素從蔗糖分子中脫去，剩下的碳元素以單質(zhì)碳的形式存在。加入水后，濃硫酸吸水放熱，使得碳繼續(xù)被氧化成二氧化碳，而濃硫酸自身被還原為二氧化硫。二氧化碳與二氧化硫氣體大量溢出，將黑色碳塊向上頂起。其中加入水的作用有兩點，一是與濃硫酸反應(yīng)放出大量的熱，提高反應(yīng)速率；二是增大蔗糖與濃硫酸反應(yīng)的接觸面積，因為在反應(yīng)過程中生成的單質(zhì)碳包裹在蔗糖周圍，在一定程度上會影響蔗糖與濃硫酸的反應(yīng)速率。

2.實驗步驟

（1）向100mL燒杯（測定不同規(guī)格燒杯時需適當(dāng)調(diào)整）中加入一定量的綿白糖或蔗糖（具體質(zhì)量見后面的數(shù)據(jù)分析），并加入一定量的水（具體水量見后面的數(shù)據(jù)分析）。

（2）向100mL燒杯內(nèi)加入一定量的98%的濃硫酸（具體的濃硫酸的量見后面的數(shù)據(jù)分析部分），一邊加入一邊攪拌。

（3）在反應(yīng)后的燒杯上方快速罩上去掉瓶底的大可樂瓶，并將尾氣通入到0.5%的高錳酸鉀溶液中，待溶液開始褪色，尾氣被完全吸收后撤去反應(yīng)裝置。

3.實驗裝置圖

三、數(shù)據(jù)與分析

1.蔗糖種類

實驗選取了5g的綿白糖和蔗糖以及10g的綿白糖和蔗糖進(jìn)行對比，在100mL燒杯中，得到的數(shù)據(jù)記錄如下（表1）。

由于綿白糖、蔗糖與白砂糖中蔗糖含量不同（蔗糖>白砂糖>綿白糖），且顆粒大小不同，蔗糖、綿白糖及白砂糖與濃硫酸反應(yīng)生成的產(chǎn)物體積不同。考慮到綿白糖的易得性，本實驗選用綿白糖進(jìn)行實驗。

2.綿白糖質(zhì)量

通過表2和圖1可以得出，濃硫酸體積為5mL，加入10滴水時，加入綿白糖越多，生成的黑色產(chǎn)物越高，反應(yīng)效果越好，5mL濃硫酸最多可以反應(yīng)掉35g綿白糖。

3.濃硫酸體積

實驗選取了10g的綿白糖和10滴水，改變加入濃硫酸的體積進(jìn)行對照實驗，得出實驗數(shù)據(jù)并記錄如下（表3）：

通過對比實驗現(xiàn)象我們可以得出：在綿白糖的量和加入的量不變的情況下，增大濃硫酸體積，黑色物質(zhì)升起的高度先增大后減小。當(dāng)濃硫酸體積為10mL時，反應(yīng)生成的物質(zhì)體積最大。此外，實驗還發(fā)現(xiàn)，濃硫酸體積越大，生成的黑色物質(zhì)氣孔越大。蔗糖與濃硫酸的實驗分成兩步進(jìn)行，第一步是濃硫酸將蔗糖中的水脫去，第二步碳與濃硫酸繼續(xù)反應(yīng)生成二氧化碳和有刺激性氣味的二氧化硫。濃硫酸還具有吸水性，若加入濃硫酸過多，濃硫酸會因吸水而變稀，因而實驗效果下降，加入過多濃硫酸生成的黑色物質(zhì)反倒減少。

4.加水量

為了使實驗現(xiàn)象對比更為明顯，實驗選取了10g綿白糖和5mL濃硫酸，通過改變加入水的量來設(shè)計對照實驗。實驗現(xiàn)象展示如下（表4）：

通過上述實驗我們可以得出如下的結(jié)論：在加入水的量為5-40滴范圍內(nèi)，加入的水越多，黑色物質(zhì)升起的高度先升高后下降，當(dāng)綿白糖質(zhì)量為10g，濃硫酸體積為5mL，加入20滴水時，產(chǎn)生的黑色物質(zhì)最多。另外，隨著加入水越多，反應(yīng)速率加快。加水越多，濃硫酸與水反應(yīng)放出的熱量越多，加速蔗糖炭化反應(yīng)的進(jìn)行。但是加入水過多會將濃硫酸稀釋，從而影響實驗效果。

5.燒杯直徑

本實驗選取了50mL、100mL、250mL規(guī)格的燒杯進(jìn)行對照實驗，按照上述步驟向其中加入10g的綿白糖和5mL濃硫酸，并滴入10滴水進(jìn)行實驗，結(jié)果記錄如下（表5）：

通過實驗數(shù)據(jù)可以明顯地看出燒杯口徑越小，黑色物質(zhì)升起的越高，產(chǎn)生的黑色物質(zhì)體積越大，反應(yīng)現(xiàn)象越明顯。綜合以上實驗，可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)使用50mL規(guī)格的燒杯時，加入綿白糖10g、濃硫酸5mL、水20d或者綿白糖10g、濃硫酸10mL、水10d時，實驗現(xiàn)象最為明顯。

6.物料最佳配比

在通過對比實驗（表6）發(fā)現(xiàn)，綿白糖（g） ∶ 濃硫酸（mL） ∶ 水（d）之比為1 ∶ 1 ∶ 1實驗效果更好，產(chǎn)生的黑色物質(zhì)較多。在不同規(guī)格的燒杯中進(jìn)行驗證（見表7）發(fā)現(xiàn)該物料比實驗成功率較高，且實驗效果較好，在不同規(guī)格燒杯中黑色產(chǎn)物升起高度均較明顯。

四、結(jié)果與討論

本實驗通過對照實驗得到，影響蔗糖與濃硫酸反應(yīng)的主要因素包括蔗糖的質(zhì)量、濃硫酸的體積、加入水的量以及燒杯口徑。濃硫酸在該反應(yīng)中表現(xiàn)出脫水性和氧化性，實驗結(jié)果表明加入濃硫酸過多，反應(yīng)產(chǎn)物減少，且產(chǎn)物氣孔變大。此外，加水的量對該實驗也有一定影響，加水過少反應(yīng)放出的熱量無法為蔗糖的炭化反應(yīng)提供足夠的熱量，加水過多則會稀釋濃硫酸從而導(dǎo)致實驗現(xiàn)象不明顯。通過控制變量，本實驗得出蔗糖與濃硫酸反應(yīng)的最佳物料比是蔗糖（g） ∶ 濃硫酸（mL） ∶ 水（滴）=1 ∶ 1 ∶ 1，按照這種配比進(jìn)行實驗，得到的實驗效果最好。本實驗雖通過對照實驗得出了蔗糖與濃硫酸的最佳條件，但是實驗變量控制不夠嚴(yán)謹(jǐn)，例如無法嚴(yán)格控制攪拌的速率，導(dǎo)致實驗數(shù)據(jù)可能存在一定誤差。此外，反應(yīng)生成黑色物質(zhì)的時間只是定性的描述，沒有測量確切的反應(yīng)時間。另外，為了追求實驗的直觀性，濃硫酸用量較多，未考慮節(jié)約藥品這一問題。以上問題將在后續(xù)的實驗中繼續(xù)改進(jìn)。

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