利用數(shù)字化實(shí)驗(yàn)探究蔗糖與濃硫酸反應(yīng)的優(yōu)化條件

楊輝琴 王佩珊 吳惠玲

摘要：高中化學(xué)教材中蔗糖與濃硫酸的反應(yīng)是演示實(shí)驗(yàn)。有的教材沒有給出實(shí)驗(yàn)所需反應(yīng)物的用量，有的用量不是最優(yōu)化，實(shí)驗(yàn)成功率不高。針對蘇教版的實(shí)驗(yàn)方案，采用數(shù)字化實(shí)驗(yàn)探究實(shí)驗(yàn)的優(yōu)化條件，旨在為實(shí)驗(yàn)教學(xué)提供參考。

關(guān)鍵詞：紅外溫度傳感器；蔗糖；濃硫酸；優(yōu)化條件；實(shí)驗(yàn)改進(jìn)

文章編號：1008-0546（2022）12x-0092-04

中圖分類號：G632.41

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

doi： 10.3969/j .issn.1008-0546.2022.12x.023

一、問題的提出

濃硫酸的強(qiáng)氧化性和脫水性，高中化學(xué)用蔗糖與濃硫酸反應(yīng)來證明。人教版高中《化學(xué)（必修第二冊）》（2019年版）[1]和魯科版高中《化學(xué)（必修第一冊）》（2019年版）[2]以圖片的形式展現(xiàn)該實(shí)驗(yàn)（如圖1和圖2），具體反應(yīng)物的用量、反應(yīng)條件和操作步驟等沒有詳細(xì)說明，往往用量控制不好，實(shí)驗(yàn)成功率低，另外實(shí)驗(yàn)在敞開的燒杯中進(jìn)行，造成環(huán)境污染。

蘇教版高中《化學(xué)（必修第一冊）》（2020年版）：取2 g蔗糖（C12H22O11）放人大試管中，加2-3滴水，再加入約3 mL濃硫酸，迅速攪拌，然后塞緊帶玻璃導(dǎo)管的橡皮塞，將玻璃導(dǎo)管的另一端插入盛有品紅溶液的試管中，觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。[3]該實(shí)驗(yàn)有反應(yīng)物的用量、反應(yīng)條件和具體實(shí)驗(yàn)操作步驟，但是在實(shí)際實(shí)驗(yàn)操作中發(fā)現(xiàn)當(dāng)室溫較低時(shí)（18-19℃），蔗糖由白變棕再變黑，放置一段時(shí)間才緩慢產(chǎn)生氣泡，“發(fā)”不起來，無法觀察到“黑面包”和品紅褪色現(xiàn)象。說明該用量在低溫時(shí)不能確保實(shí)驗(yàn)成功。最佳的用量是多少呢？這就是筆者研究的課題。

二、文獻(xiàn)中的相關(guān)研究案例

查閱文獻(xiàn)發(fā)現(xiàn)，針對蔗糖與濃硫酸反應(yīng)的最佳條件已有一些研究：吳叔娥，盧一卉，李遠(yuǎn)蓉[4]確定該實(shí)驗(yàn)的優(yōu)化條件配比為：10 g蔗糖，9 mL濃硫酸和25滴水。孔令鑫和姜言霞[5]研究了濃硫酸的體積、蔗糖的質(zhì)量、加水量和燒杯大小，得出綿白糖10 g，濃硫酸10 mL和10滴水為最佳條件。曹貽利和溫祖標(biāo)[6]研究得出實(shí)驗(yàn)最佳反應(yīng)條件為：7g粉末狀蔗糖，25℃的蒸餾水20滴，8 mL濃硫酸。這些研究為實(shí)驗(yàn)教學(xué)提供了借鑒，但是蔗糖和濃硫酸的用量多，產(chǎn)生的SO：多，對環(huán)境的污染較大；另外這些研究都通過大量的實(shí)驗(yàn)事實(shí)得出結(jié)論，比如正交法探究黑面包實(shí)驗(yàn)，需要大量的人力物力和時(shí)間。

筆者在研究方法和研究方向上做了思考。作為演示實(shí)驗(yàn)，只要現(xiàn)象明顯，能達(dá)到課堂教學(xué)要求即可。以能觀察到“黑面包”和品紅褪色現(xiàn)象為評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，利用數(shù)字化實(shí)驗(yàn)探究反應(yīng)溫度、蔗糖、濃硫酸、水的最佳反應(yīng)條件。

三、實(shí)驗(yàn)方案

1．實(shí)驗(yàn)改進(jìn)原理

本實(shí)驗(yàn)反應(yīng)物用量少，反應(yīng)逸出的SO2少，品紅溶液濃度大些或量多些，足以將逸出的SO2完全吸收，可以不考慮尾氣處理。但殘留在大試管和“黑面包”吸附的SO2不少，打開橡皮塞加水洗滌時(shí)逸出SO2，危害師生健康又污染環(huán)境。在大試管處加了一個(gè)裝有氫氧化鈉溶液的注射器（如圖3所示），待實(shí)驗(yàn)結(jié)束后冷卻至室溫，往里面加氫氧化鈉溶液將SO2充分吸收。紅外溫度傳感器用于測量反應(yīng)過程體系溫度的變化。

2．實(shí)驗(yàn)原理

3．實(shí)驗(yàn)器材與藥品

主要儀器：型號Bi0006-S紅外溫度帶屏傳感器，溫度計(jì)，大試管（直徑3.2 cm）、小試管、注射器、鐵架臺帶鐵夾、玻璃棒、10 mL量筒、電子天平、膠頭滴管（其他儀器省略）。

藥品：98%濃硫酸、蔗糖、稀NaOH溶液、品紅溶液。

4．實(shí)驗(yàn)過程及結(jié)果分析

按照圖3連接好裝置并檢驗(yàn)氣密性，打開紅外溫度傳感器和數(shù)據(jù)處理軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。按照蘇教版的操作步驟進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，往大試管中依次加入2 g蔗糖（ C12H22O11）、20滴水、3 mL 98%濃硫酸，觀察到蔗糖迅速膨脹形成“黑面包”，導(dǎo)管口有氣泡逸出，品紅褪色。實(shí)驗(yàn)結(jié)束待試管冷卻，往里面加氫氧化鈉溶液吸收SO2。實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象明顯又綠色環(huán)保，實(shí)驗(yàn)效果良好。

保存軟件采集到的數(shù)據(jù)，用于后續(xù)實(shí)驗(yàn)探究數(shù)據(jù)分析。

四、優(yōu)化實(shí)驗(yàn)條件的探究

蔗糖與濃硫酸反應(yīng)產(chǎn)生“黑面包”同時(shí)品紅褪色，實(shí)驗(yàn)成功的關(guān)鍵是反應(yīng)溫度和濃硫酸的濃度。反應(yīng)體系溫度越高，濃硫酸的濃度越大，反應(yīng)越激烈，放出的氣體越多。蘇教版的蔗糖質(zhì)量2 g，作為演示實(shí)驗(yàn)這個(gè)質(zhì)量已經(jīng)很少，本研究中蔗糖以2 g為基準(zhǔn)。

1．產(chǎn)生氣泡的溫度測量

室溫18℃，按蘇教版教材的用量和步驟操作，蔗糖由白變棕再變黑，放置一段時(shí)間才緩慢產(chǎn)生氣泡，無“黑面包”現(xiàn)象，測得溫度67℃，溫度變化如圖4所示。要快速產(chǎn)生黑面包，溫度必須高于67℃。

2．濃硫酸稀釋溫度的變化

室溫18℃，分別取10滴、15滴、20滴、25滴、30滴水，分別向其中逐體積加入濃硫酸，每次加1 mL，測得溫度變化（如圖5所示）。由圖可見，隨著硫酸體積的增大，溫度降低。當(dāng)濃硫酸體積不變時(shí)，隨著加水量增加，溫度升高（如圖6所示），但硫酸的濃度降低。2 mL濃硫酸時(shí)，加水20滴、25滴、30滴，溫度都約103℃，但水量多，濃硫酸的濃度低。綜合考慮反應(yīng)溫度和濃硫酸的濃度，水滴數(shù)與濃硫酸的最佳體積選擇：20滴水和2 mL濃硫酸，為了確保實(shí)驗(yàn)成功，又不浪費(fèi)藥品，濃硫酸再加1 mL，即20滴水和3 mL濃硫酸，此時(shí)溫度92℃，高于67℃。3．相同條件下，不同加水量，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象及溫度變化

室溫18℃，2 g蔗糖，3 mL 98%濃硫酸，不同加水量，溫度變化（如圖7所示），實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象如表1所示。

從表1和圖7可看出：（1）適當(dāng)增加水量，體系溫度升高，反應(yīng)更快更激烈，產(chǎn)生氣體更多，“黑面包”高度更高。（2）室溫18℃，2 g蔗糖、20滴水、3 mL 98%濃硫酸的配比能滿足教學(xué)需要。

4．相同條件下，不同質(zhì)量的蔗糖，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象

室溫18℃，20滴水，3 mL 98%濃硫酸，不同蔗糖質(zhì)量，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象如表2所示。由此可見蔗糖質(zhì)量增大，“黑面包”高度增加；20滴水、3 mL 98%濃硫酸的配比也適合蔗糖質(zhì)量大點(diǎn)的。

5．相同條件下，不同體積的濃硫酸，反應(yīng)過程溫度變化

室溫18℃，2 g蔗糖，20滴水，不同濃硫酸體積，溫度變化（如圖8所示）。濃硫酸剛加進(jìn)去溫度基本相同，隨著反應(yīng)的進(jìn)行，加3mL濃硫酸的體系溫度高于加2 mL濃硫酸的體系溫度，反應(yīng)放出的氣體更多。加3 mL濃硫酸，體系中濃硫酸的濃度更大，氧化性更強(qiáng)，選擇3 mL濃硫酸更能滿足教學(xué)需要。

6．其他條件

其他影響因素，比如蔗糖的種類、蔗糖顆粒大小、濃硫酸的濃度等，已經(jīng)有學(xué)者進(jìn)行探究，本研究不再探究。以節(jié)約藥品、能觀察到明顯現(xiàn)象為本，沒有探究更大量的蔗糖和濃硫酸，研究存在一些不足，后續(xù)再進(jìn)行探究。

四、結(jié)論

通過測反應(yīng)所需溫度，再測濃硫酸稀釋溫度的變化，借助紅外溫度傳感器呈現(xiàn)實(shí)驗(yàn)過程溫度變化，快速找到最佳的水滴數(shù)與濃硫酸體積，減少實(shí)驗(yàn)探究次數(shù)，減少人力物力和時(shí)間。

室溫18℃，2 g蔗糖、20滴水、3 mL 98%濃硫酸，既能節(jié)約藥品，又能觀察到“黑面包”和品紅褪色現(xiàn)象，能滿足教學(xué)需要。蔗糖的質(zhì)量也可選擇4g。

實(shí)驗(yàn)改進(jìn)：實(shí)驗(yàn)器材易得、操作簡單、節(jié)時(shí)高效、綠色環(huán)保，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象生動有趣。

參考文獻(xiàn)

[1]人民教育出版社，課程教材研究所，化學(xué)課程教材研究開發(fā)中心．普通高中教科書（化學(xué)必修第二冊）[M]．北京：人民教育出版社，2019．

[2]王磊，陳光巨．普通高中教科書（化學(xué)必修第一冊）[M]．濟(jì)南：山東科學(xué)技術(shù)出版社，2019.

[3] 王祖浩．普通高中教科書（化學(xué)必修第一冊）[M]．南京：江蘇鳳凰教育出版社，2020．

[4]吳叔娥，盧一卉，李遠(yuǎn)蓉．“蔗糖與濃硫酸反應(yīng)”實(shí)驗(yàn)裝置的改進(jìn)[J]．實(shí)驗(yàn)教學(xué)與儀器，2017，34（12）：32-33．

[5]孔令鑫，姜言霞．蔗糖與濃硫酸反應(yīng)的最佳條件探究[Jl.化學(xué)教與學(xué)，2018（ 11）：89-92．

[6] 曹貽利，溫祖標(biāo)．正交試驗(yàn)法探究黑面包實(shí)驗(yàn)[J]．教育與裝備研究，2020，36（09） ： 50-54.