基于數字化實驗對濃硫酸特性的一體化探究

王旭斌

摘要：創新設計濃硫酸與蔗糖的“黑面包”實驗裝置，利用濕度傳感器與二氧化碳傳感器實時監測密閉實驗裝置內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”實驗的產物。

關鍵詞：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 文獻標識碼：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2020.01.023

《普通高中化學課程標準（2017版）》明確指出，“常見的無機物及其應用”這一必修主題中，“不同化合價含硫化合物的轉化”為學生必做實驗。因此“濃硫酸的特性探究”依然是高中生學習元素及其化合物知識的必備實驗，而我們知道濃硫酸與蔗糖的“黑面包”實驗是一經典實驗，它不僅可以讓學生留下深刻的印象，同時可幫助學生理解濃硫酸的相關重要性質及培養學生實驗探究的科學思維。

現行人教版和蘇教版對于“黑面包”實驗操作方法都有介紹，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，觀察實驗現象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，然后塞上帶玻璃導管的橡皮塞，將玻璃導管的另一端插入盛有品紅溶液的試管中，觀察實驗現象。而對于以上兩種設計方案許多老師提出了不足。基于原有的實驗方案，老師們紛紛做出了改進與創新。如王建芬、齊俊林研究的“蔗糖與濃硫酸反應實驗的創新設計”，在人教版實驗的基礎上，利用廢棄的可樂瓶、水槽和分液漏斗設計了一套環保的“黑面包”實驗裝置，如圖1;陳益、徐守兵研究的“濃硫酸系列性質實驗的一體化和綠色化設計”，在蘇教版實驗基礎上，將大試管與球形干燥管結合，在干燥管內自下而上分別加入了含品紅的脫脂棉、濕潤的藍色石蕊試紙和含氫氧化鈉溶液的脫脂棉來檢驗“黑面包”實驗的生成物及尾氣處理，裝置如圖2;吳松原、佟檜群等研究的“蔗糖與濃硫酸反應一體化實驗的再改進”利用100mL的三頸燒瓶、環形玻璃攪拌棒、醫用玻璃瓶、軟膠管及相應的試劑設計了一套密封、環保的“黑面包”的形成及產物一體化檢驗裝置，如圖3;何婧、喬金鎖等研究的“蔗糖與濃硫酸反應實驗的改進及反應產物的定性檢測”，以及高飛研究的“濃硫酸使蔗糖脫水實驗的改進和創新”，裝置設計上有共性：密封體系，藥品用量少，注重環保，產物的確認及性質檢驗完整，如圖4與圖5。

從以上不同的“黑面包”實驗設計不難發現，證明了濃硫酸脫水性和強氧化性的同時，圍繞節能（微型、藥品少）、環保（尾氣處理）及產物的驗證（直觀、方便）等角度進行創新設計，從而優化了教材中的原有方案。然而，所有“黑面包”改進實驗中并沒有證明濃硫酸吸水性，而且都是局限于傳統實驗儀器和實驗方法的改進，缺乏現代傳感技術和計算機的應用，難以提高學生的信息素養。那么，在“黑面包”的實驗過程中，濃硫酸的吸水性如何驗證呢？房壽高研究的“濃硫酸性質實驗的整合創新設計”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，發現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。”這一設計非常巧妙，讓筆者認識到在“黑面包”實驗過程中加入濃硫酸時周圍的水蒸氣被濃硫酸吸收從而導致空氣濕度下降，只不過濕度的變化肉眼不能識別，因此傳統的“黑面包”實驗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驗方法來檢驗濃硫酸的吸水性從而實現三大特性一體化探究呢？經過嘗試，筆者發現，“哈氣”起霧受到周圍環境溫度的影響，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來證明空氣濕度的變化呢？基于對數字化實驗的了解，筆者聯想到了“相對濕度傳感器”，它可以檢測出空氣中細微的濕度變化，正好符合實驗要求。因此，筆者結合數字化實驗，設計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新實驗方案，達到了通過凸顯“黑面包”實驗的宏觀現象及曲線表征來一體化證明濃硫酸吸水性、脫水性和強氧化性的目的。

一、實驗目的

創新實驗儀器結合現代傳感器技術（濕度傳感器以及二氧化碳傳感器）探究濃硫酸的“黑面包”實驗，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、強氧化性以及“黑面包”實驗的產物。

二、實驗部分

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、數據采集器、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.實驗裝置，如圖6

4.買驗步驟

（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瓶口相接，傳感器通過數據采集器與電腦相接。

（3）實驗操作

打開朗威DISLab8.0軟件，點擊通用軟件，軟件顯示三頸燒瓶內二氧化碳濃度及空氣濕度值，待數據穩定后，點擊曲線顯示，電腦實時采集二氧化碳濃度及相對濕度的數值變化;打開魯爾管開關，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，快速攪拌2～3秒，繼續觀察蔗糖變化以及二氧化碳濃度和相對濕度變化;待數據穩定，停止采集，抽取適量燒瓶內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，進行氣體綠色處理。

三、實驗條件控制和結論

1.反應條件的控制

（1）蔗糖、蒸餾水與濃硫酸的用量

本實驗選擇碾成粉末狀的蔗糖2g，98.3%的濃硫酸3mL以及2滴蒸餾水進行實驗。首先，本著節約、環保的原則能確保“黑面包”形成;其次，藥品用量過多會導致密閉體系內氣體濃度過大使傳感器數據顯示延后或超出量程，甚至損壞傳感器。

（2）三頸燒瓶的改裝

由于實驗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，三頸燒瓶底部高溫燒制出一凹槽，攪拌磁子和2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.結果分析

（1）濃硫酸脫水性探究結果如圖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”實驗產物SO2探究結果如圖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）數字化探究“黑面包”實驗中三頸燒瓶內相對濕度和二氧化碳濃度，結果如圖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”實驗有二氧化碳生成;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;二是碳和濃硫酸反應生成二氧化碳和二氧化硫的同時還生成了水蒸汽。

四、實驗創新與反思

1.創新點

（1）用三頸燒瓶代替教材中的大試管作為“黑面包”實驗發生裝置，三頸燒瓶底部高溫燒制出凹槽（作用：放置攪拌磁子），攪拌磁子代替玻璃棒攪拌，保留經典“黑面包”的同時，加料、氣體檢驗及尾氣吸收都在密閉裝置中進行，綠色環保。

（2）用濕度傳感器、二氧化碳傳感器實時檢測燒瓶內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”實驗的產物。

2.反思

以教育信息化帶動教育現代化，是我國教育事業發展的戰略選擇。信息技術與學科教育的深度融合是中學教學的突破口，將“數字化實驗”引入高中化學教學，成為當前改進中學實驗教學的新趨勢。因為數字化實驗實現了實驗手段的數字化、測量呈現實時化、現象規律可視化、操作測量簡單化，解決了傳統實驗中只能定性不能定量，即使定量卻又無法呈現過程的狀況，所以數字化實驗在保留傳統實驗的基礎上超越了傳統。而學生通過利用傳感器技術對化學實驗的探究，不僅提高了信息技術的能力，而且能夠很好激發創新思維，是當前新課改“核心素養”教學的有效途徑。