探究濃硫酸性質實驗的改進與創新

福建省晉江市第一中學 莊亞婷

一、硫及其化合物在教材中的地位

2020 級高一學生使用的是新教材，化學1 教材在元素化合物這塊知識點上做了適當的刪減和調整，刪掉了硅、銅及其化合物的相關章節，氫氧化鋁的性質在學習元素周期律部分知識點時進行穿插分析，將氮、鐵及其化合物的知識點挪到了化學2，保留了鈉、鎂、氯、溴、碘（鹵素）、硫及其化合物的知識點。其中，用了專題四整整一個專題、三個單元來分析硫與環境保護，足見硫及其化合物的重要性。掌握好硫及其化合物的知識點對于化學2 氮及其化合物的學習有著承上啟下的作用。對于變價元素的性質探究，難免要討論到氧化還原反應。學生在初中對濃硫酸的吸水性、脫水性有一定的了解，但是強氧化性沒有系統學習，這個是高中教學的重點和難點。化學是以實驗為基礎的學科，問題的分析離不開實驗的探究。特別是在元素及其化合物的教學中，實驗演示能幫助學生更好地理解物質的反應變化與規律。蘇教版教材設計了三個實驗，依次要證明濃硫酸吸水性、脫水性和強氧化性。筆者旨在對蘇教版教材中的實驗進行探究、適當改進和創新。

二、蘇教版教材中的實驗設計

實驗1：向表面皿中加入少量膽礬（CuSO4·5H2O），再加入約3mL 濃硫酸，攪拌，觀察實驗現象。

實驗2：取2g 蔗糖（C12H22O11）放入大試管中，加2—3滴水，再加入約3mL 濃硫酸，迅速攪拌，然后塞進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。

實驗3：將一小片銅片放入大試管中，然后加入2mL 濃硫酸，用如左圖裝置進行實驗，觀察實驗現象。

三、問題的提出與解決

（一）濃硫酸吸水性實驗

實驗1 關于濃硫酸吸水性的實驗設計，比較簡單易操作，學生對濃硫酸吸水性的性質掌握已經有了一定的基礎。但是，學生容易把膽礬（CuSO4·5H2O）和無水硫酸銅的顏色混淆。如何更好地設計實驗，讓學生對二者的顏色更好地辨別，達到更好的教學效果？

改進措施：實驗1 的實驗如果能在原設計的基礎上加入空白對比實驗，那么效果會更好，也符合現在高考命題的趨勢。通過空白實驗對比，教師現場拍照投屏，學生能直觀對比觀察膽礬（CuSO4·5H2O）和無水硫酸銅的顏色。而本操作也不會影響實驗所需的操作時間。課堂實驗時間的控制，主要取決于膽礬的用量，取2 到3 勺使加入的濃硫酸沒過膽礬能看到現象即可。

（二）濃硫酸脫水性及強氧化性實驗

實驗2 的實驗設計是要驗證濃硫酸的脫水性以及強氧化性。本實驗的設計對比于人教版的設計已經有了更新。人教版的做法是取20g 蔗糖和幾滴水于200mL 燒杯中，加入15mL 濃硫酸，迅速攪拌。該設計操作簡單、現象明顯、趣味性強，但藥品量大，且是在敞口燒杯中進行，產生的大量有毒氣體會直接逸散到空氣中，不僅會危害師生身體健康，還會污染環境。蘇教版設計減小了藥品的用量，并能檢驗產生的二氧化硫氣體。但筆者在實踐中發現，在試管中攪拌不容易操作，且有時攪拌較長時間才會出現混合物體積迅速膨脹的現象。這導致實驗耗時較長，課堂松散，甚至可能達不到預期效果。

改進措施：可先將蔗糖研磨以利于后續反應順利進行，從而控制反應時間。濃硫酸與碳反應要在較高溫度下進行，而蔗糖的脫水是一個放熱反應，一般能提供后續反應所需的熱量。但是如果冬天天氣寒冷，溫度有可能達不到反應所需溫度。這時可用酒精燈微熱試管底部，促發后續反應的進行。但要注意的是，微熱的操作應該是在碳化后進行，且微熱只要看到有混合物體積膨脹的傾向，就可以停止。由于反應產生的二氧化硫氣體有毒，是大氣主要污染物之一，我們可以在裝有品紅溶液的試管口處放一團蘸有氫氧化鈉溶液的脫脂棉進行尾氣處理。

（三）濃硫酸強氧化性實驗

實驗3 的設計意圖是用濃硫酸與不活潑金屬銅反應來驗證濃硫酸的強氧化性。筆者在實際操作中發現了幾個問題。第一，大試管中有酸霧產生，而產生的酸霧量大會堵住試管口，氣體不容易跑出去。第二，在驗證反應生成氣體是二氧化硫時，需將導氣管深入盛有品紅溶液的試管中，但由于二氧化硫易溶于水，易引起倒吸的現象，存在安全隱患。在實際操作中為了防止倒吸，停止加熱前要先打開雙孔橡皮塞，而大試管中的反應仍在進行，會導致產生的二氧化硫氣體逸出影響師生健康。

改進措施：酸霧的產生是由于酒精燈加熱可達到400°C以上，而硫酸的沸點是338°C，所以產生了硫酸酸霧。書本中設計導管長，產生的酸霧不能及時排出，反應又不斷在進行，會造成酸霧不能及時排出而堵在試管口的現象。可以考慮縮短導管，或加快反應速率等方法來防止酸霧堵住試管口。而防倒吸，可以通過增加一個防倒吸裝置或者改用蘸有品紅溶液的濾紙來代替品紅溶液進行物質的檢驗。

綜上，筆者對濃硫酸與銅的性質探究實驗做了一定的改進創新，最后得到了較好的實驗效果，具體設計如下。

四、濃硫酸與銅反應改進實驗

（一）實驗用品

實驗器材：酒精燈、火柴、鐵架臺（帶鐵夾）、單孔橡皮塞（2 個）、大試管（1 個）、燃燒管（雙通管）、橡皮管、濾紙、棉花。

實驗藥品：銅片、98%濃硫酸、品紅溶液、酸性高錳酸鉀溶液、氫氧化鈉溶液。

（二）實驗裝置（其中鐵架臺等夾持儀器省略）

（三）實驗操作、現象、結論

操作：將一小片銅片剪成細條狀，放入大試管，再加入2mL濃硫酸，迅速與事先放好藥瓶的燃燒管（雙通管）連接。如圖組裝好儀器。先用酒精燈外焰預熱試管底部，然后集中加熱。

現象：加熱一會兒后可以看見銅片逐漸溶解，有氣泡生成，吸有高錳酸鉀溶液和品紅溶液的濾紙褪色。待試管冷卻后取下，將大試管中的液體倒入盛有少量水的燒杯中，可以看到溶液呈現藍色。

結論：有二氧化硫氣體生成，銅與濃硫酸反應生成了二價銅離子。濃硫酸可以和不活潑金屬銅反應，體現了濃硫酸的強氧化性和酸性。

（四）實驗疑問解釋

1.為什么不用濕潤紫色石蕊試紙檢驗二氧化硫氣體？由于反應有硫酸酸霧，不能準確解釋試紙變紅的原因。

2.銅片剪成細條狀可以增大濃硫酸與銅反應的接觸面積，加快反應速率。

3.實驗室如果沒有濾紙條可以用濾紙加工，剪成細短條（類似于pH 試紙大小）。濾紙條只要能看到現象變化就行，沒有必要剪很大。過大，送入試管后試紙容易卷縮到一起而有一部分會接觸不到二氧化硫氣體，直觀視覺上就是濾紙一部分褪色，一部分不褪色，或者需要較長時間才能看到實驗現象，耽誤教學進程。

4.實驗室提供的品紅溶液和酸性高錳酸鉀溶液如果濃度較大，可以適當稀釋以后再用濾紙吸收，這樣更容易觀察到實驗現象，縮短反應時間。

5.該實驗的成功關鍵還在于藥品的選擇和使用。由于濃硫酸的吸水性強，在藥品選擇上要盡量挑選近期開封的藥品。藥品取用完，馬上蓋好瓶蓋，防止濃硫酸吸收空氣中的水蒸氣濃度下降而拉長實驗演示時間或實驗演示不明顯。

（五）改進實驗的優點

一是實驗儀器簡單，操作簡易，用蘸有藥品的濾紙或脫脂棉來代替溶液，節約藥品，減少器材。二是實驗裝置避開了倒吸現象的產生，消除了安全隱患，有利于各校開展。三是縮短了導管的長度，不會出現酸霧堵住試管口的現象。且二氧化硫氣體能快速轉移到燃燒管中，使吸有品紅溶液的濾紙和吸有酸性高錳酸鉀溶液的濾紙快速褪色，實驗現象明顯。四是實驗所需時間短，課堂教學環節緊湊，能保證實驗課堂的有序進行，教學效果好。

綜上所述，根據《普通高中化學課程標準（2017 年版）》，普通高中化學課程是與義務教育化學或科學課程相銜接的基礎教育課程，是落實立德樹人根本任務、發展素質教育、弘揚科學精神、提升學生核心素養的重要載體；化學學科核心素養是學生必備的科學素養，是學生終身學習和發展的重要基礎；化學學科核心素養包括“宏觀辨識與微觀探析”“變化觀念與平衡思想”“證據推理與模型認知”“科學探究與創新意識”“科學態度與社會責任”五個方面。在濃硫酸的性質探究實驗中，筆者采用人人通移動講臺同步直播實驗教學過程，投屏現象明顯。創設真實化學實驗情境，是基于真實情境的教學。實驗探究物質的性質，并對實驗進行創新，體現核心素養中強調的科學探究與創新意識。同時，對宏觀現象進行微觀探析，解釋現象發生的本質，總結濃硫酸的性質，這體現了宏觀辨識與微觀探析在課堂上的呈現。通過實驗原理與方法的分析，滲透化學學科必備知識，有利于培養學生學科素養。