濃硫酸脫水性和氧化性實驗的簡易裝置設計

劉亞莉 吳霞 劉茜 楊麗君

摘要： “濃硫酸與蔗糖反應”的實驗是驗證濃硫酸脫水性和氧化性的重要實驗，為解決實驗過程中教學環(huán)境的污染問題以及方便對生成物進行驗證，利用反應瓶等器材設計濃硫酸脫水性和氧化性實驗的簡易裝置，借助溫度及二氧化碳傳感器實時監(jiān)測反應過程中溫度和二氧化碳濃度的變化，定性描述與定量分析相結(jié)合共同探究濃硫酸的性質(zhì)。改進后的實驗具有操作簡單、儀器簡約、可視性強、安全環(huán)保等特點。

關(guān)鍵詞： 濃硫酸； 脫水性； 氧化性； 簡易裝置； 實驗改進

文章編號： 10056629（2022）10007504

中圖分類號： G633.8

文獻標識碼： B

1 問題提出

濃硫酸具有吸水性、脫水性和氧化性。因為常用作吸水劑，學生容易理解濃硫酸的吸水性，但對其脫水性和氧化性難有直觀的認識。因此，教材中濃硫酸和蔗糖反應的實驗對學生理解濃硫酸的脫水性和氧化性有重要作用。人教版教材用圖片展示了濃硫酸脫水性的實驗現(xiàn)象：蔗糖逐漸變黑，體積劇烈膨脹，形成疏松多孔的海綿狀碳，又名“黑面包”。該實驗操作簡單、現(xiàn)象明顯，但存在幾點不足：（1）實驗在敞開的燒杯中進行，實驗過程中會有酸霧和二氧化硫生成，沒有進行尾氣處理；（2）為了能看到明顯的實驗現(xiàn)象，藥品用量較多，造成浪費和環(huán)境污染；（3）對產(chǎn)生的氣體沒有進行定性檢驗。蔗糖脫水反應的主要反應為：C12H22O1112C+11H2O，但濃硫酸會進一步氧化產(chǎn)物碳，因此會產(chǎn)生大量刺激性氣味的二氧化硫氣體，這是濃硫酸氧化性的體現(xiàn)。因此，蔗糖脫水反應既體現(xiàn)了濃硫酸的脫水性，也體現(xiàn)了濃硫酸的氧化性。但教材中并未對此進行分析，僅單獨列出了濃硫酸與木炭反應的化學方程式，學生對此難免有所困惑?；诖?，我們對濃硫酸和蔗糖反應的實驗裝置進行了重新設計，既保留了明顯的碳化實驗現(xiàn)象，也對產(chǎn)生的氣體進行了驗證。對于蔗糖的脫水產(chǎn)物碳與濃硫酸的進一步反應，則借助二氧化碳傳感器實時監(jiān)測產(chǎn)生的二氧化碳濃度的變化，驗證了濃硫酸對木炭的氧化作用。

2 相關(guān)文獻簡評

為了解濃硫酸與蔗糖反應實驗研究的進展與現(xiàn)狀，查閱了大量的資料，發(fā)現(xiàn)研究濃硫酸與蔗糖反應實驗的文章相對較多，主要集中在以下幾個方面：（1）對實驗進行微型化處理［1］，可以節(jié)約藥品的使用，但實驗效果沒有那么震撼，趣味性減弱；（2）對實驗進行一體化改進，即把濃硫酸與蔗糖的反應以及對生成物性質(zhì)的檢驗整合到一起［2］，但操作較復雜，材料不易獲得，存在現(xiàn)象不明顯等問題；（3）側(cè)重于對生成物進行檢驗，用NaOH溶液對尾氣進行吸收處理［3］；（4）設計封閉的實驗環(huán)境以減少污染［4］。以上實驗設計的共同點是封閉體系減少污染、節(jié)約藥品、生成物及其性質(zhì)的檢驗比較完整。

濃硫酸的強氧化性主要體現(xiàn)在能氧化大多數(shù)金屬單質(zhì)和部分非金屬單質(zhì)。查閱文獻發(fā)現(xiàn)，濃硫酸對金屬的氧化性實驗主要是與銅反應，但研究濃硫酸對非金屬如碳的氧化性實驗很少，主要集中在反應裝置和檢驗裝置的改進方面［5］。

在文獻研究的基礎上，我們對濃硫酸和蔗糖的反應實驗進行了改進和創(chuàng)新，設計了濃硫酸脫水性和氧化性實驗的簡易裝置，并借助溫度及二氧化碳傳感器分別測定了濃硫酸與蔗

糖反應實驗中溫度的變化和濃硫酸與碳反應中二氧化碳濃度的變化。通過

實驗現(xiàn)象以及曲線分析表明：蔗糖與濃硫酸反應產(chǎn)生蓬松的碳，證明濃硫酸有脫水性；碳和濃硫酸進一步反應產(chǎn)生二氧化碳氣體，證明濃硫酸有強氧化性。改進的實驗有利于學生理解濃硫酸的脫水性和氧化性。

3 實驗部分

3.1 儀器及試劑

儀器：Vernier數(shù)據(jù)采集器、計算機（安裝Logger Pro軟件）、Vernier不銹鋼溫度傳感器、Vernier二氧化碳傳感器、150mL反應瓶、250mL燒杯1個、10mL量筒、電子天平、稱量紙、玻璃水槽1個、10mL注射器1只、單孔橡膠塞2個、膠頭滴管1支、空飲料瓶（盛放飲料的塑料瓶，2 L）1個、剪刀1把、濾紙條、pH試紙、玻璃棒、長18cm玻璃管、氣球1個、長6cm導管

試劑：蔗糖、濃硫酸（98%）、澄清石灰水溶液（1000mL）、酸性高錳酸鉀溶液（0.05％）、品紅溶液（0.01％）、蒸餾水

3.2 濃硫酸與糖反應的實驗

3.2.1 實驗裝置

實驗裝置見圖1。

3.2.2 藥品用量探索

查閱相關(guān)文獻，以蔗糖與濃硫酸反應實驗的最佳物料比，即蔗糖（g）∶濃硫酸（mL）∶水（滴）=1∶1∶1為基礎［6］進行探究，通過測量產(chǎn)物的高度和觀察實驗現(xiàn)象，選擇其中反應效果最好的物料比進行實驗。

由表1實驗數(shù)據(jù)可知，影響濃硫酸和蔗糖反應的因素主要有蔗糖的質(zhì)量、濃硫酸的體積和加入水的量。蔗糖的量越多得到的產(chǎn)物也越多，適中的加水量會使溫度升高，碳化膨脹明顯，遵循綠色環(huán)保節(jié)約的原則，選取藥品的用量為：6g蔗糖、6mL濃硫酸、6滴水。

3.2.3 實驗步驟

（1） 取1只150mL反應瓶，用玻璃膠將其粘接到玻璃水槽的中央。

（2） 取一個塑料飲料瓶，剪掉瓶底，在其內(nèi)壁分別貼上用品紅溶液潤濕的濾紙條、蒸餾水潤濕的pH試紙以及酸性高錳酸鉀溶液潤濕的濾紙條，做成反應瓶的鐘罩。

（3） 稱取6g蔗糖裝入反應瓶中，用膠頭滴管滴加6滴蒸餾水，再用玻璃棒攪拌使蔗糖和蒸餾水混合均勻。

（4） 用單孔橡膠塞塞緊鐘罩的上口，取1根長18cm的封底玻璃管，插入橡膠塞至距離反應瓶底部2mm左右為宜，再將溫度傳感器的探頭穿入到玻璃管內(nèi)。實驗裝置如圖1所示。

（5） 在橡膠塞上面插入裝有6mL 98%濃硫酸的注射器，最后往玻璃水槽中注入1000mL澄清石灰水溶液。

（6） 打開Vernier Logger Pro軟件，設置好參數(shù)后點擊采集按鈕，接著把濃硫酸加入到反應瓶中。

（7） 用右手按住鐘罩的上部，順時針或逆時針輕輕搖動鐘罩，使玻璃管輕輕攪動反應瓶底部的蔗糖、水及濃硫酸的混合物，反應立即進行。

（8） 反應結(jié)束，待有毒氣體及其酸霧吸收完畢后，將反應瓶內(nèi)的生成物倒入指定的容器內(nèi)。

3.2.4 實驗現(xiàn)象

（1） 學生可觀察到電腦上面溫度數(shù)字迅速上升并超過100℃（如圖2），說明該反應是放熱反應。

（2） 隨后可以看到瓶內(nèi)混合物顏色由白色變?yōu)辄S色，繼而變?yōu)樽厣?，最后呈黑色。體積膨脹，形成疏松多孔的海綿狀碳柱，反應瓶內(nèi)壁上有水霧生成，實驗原理為：C12H22O1112C+11H2O。

（3） 該實驗產(chǎn)生大量的CO2和SO2氣體：C+2H2SO4（濃）△CO2↑+2SO2↑+2H2O，片刻后可觀察到品紅濾紙條慢慢變淡至無色（二氧化硫氣體的漂白作用），酸性高錳酸鉀濾紙條很快由紫色褪為無色（二氧化硫氣體具有還原性，反應的化學方程式為：2KMnO4+5SO2+2H2OK2SO4+2MnSO4+2H2SO4），pH試紙條變紅。

（4） 玻璃水槽內(nèi)的澄清石灰水溶液逐漸變渾濁，產(chǎn)生的二氧化碳、二氧化硫氣體和酸霧被玻璃水槽內(nèi)的堿液吸收（反應的化學方程式為：CO2+Ca（OH）2CaCO3↓+H2O； SO2+Ca（OH）2CaSO3↓+H2O）。

3.2.5 有關(guān)說明

（1） 玻璃水槽中的澄清石灰水不宜太多或太少，一是防止飲料瓶（鐘罩）和反應瓶受水槽中堿液浮力影響發(fā)生傾倒；二是避免澄清石灰水變渾濁的現(xiàn)象不明顯。

（2） 加入適量的水潤濕蔗糖的作用是讓濃硫酸與水作用放出大量的熱，為濃硫酸與蔗糖反應提供熱量，加快反應速率。

（3） 在整個實驗過程中，鐘罩的底部不要離開水槽內(nèi)的液面，在實驗結(jié)束時，也不要急于讓鐘罩脫離液面，以防二氧化硫和酸霧從空隙中外逸，造成空氣污染。

（4） 蔗糖的脫水反應是放熱反應，放出的熱量足以使?jié)饬蛩徇M一步氧化生成的碳，因此該實驗同時體現(xiàn)了濃硫酸的脫水性和氧化性。

（5） SO2通入澄清石灰水和CO2一樣，會因生成微溶物CaSO3而使澄清石灰水變渾濁，因此使澄清石灰水變渾濁的氣體不一定就是二氧化碳。

為進一步探究濃硫酸的氧化性，借助二氧化碳傳感器設計了下列濃硫酸氧化性實驗的簡易裝置。

3.3 濃硫酸的氧化性再驗證

3.3.1 實驗裝置

實驗裝置見圖3。

3.3.2 實驗步驟

（1） 將濃硫酸和蔗糖反應生成的碳冷卻到室溫，稱取2g加到反應瓶里。

（2） 把用品紅溶液潤濕的濾紙條貼在反應瓶的內(nèi)壁上，接著在橡膠塞上面插入一根帶有氣球的導管，實驗裝置如圖3所示。

（3） 用量筒量取4mL濃硫酸加到反應瓶里，將二氧化碳傳感器放到反應瓶里，打開Vernier Logger Pro軟件，設置好參數(shù)后點擊采集按鈕，軟件顯示二氧化碳濃度值。

（4） 待數(shù)據(jù)穩(wěn)定后，再把反應瓶放到預先裝有沸水的燒杯中，電腦實時采集二氧化碳濃度的變化狀況，待數(shù)據(jù)穩(wěn)定，停止采集。最后將堿性溶液加到反應瓶里，進行尾氣等的吸收處理。

3.3.3 實驗現(xiàn)象

（1） 品紅濾紙條由紅色慢慢褪為無色，反應瓶中有水霧生成，氣球慢慢變大，反應的化學方程式為：C+2H2SO4（濃）△CO2↑+2SO2↑+2H2O。

（2） 反應瓶內(nèi)二氧化碳的濃度變化如圖4所示。200s后二氧化碳濃度不斷上升，說明該反應有二氧化碳氣體生成，體現(xiàn)了濃硫酸的氧化性。

3.3.4 有關(guān)說明

（1） 反應瓶未放入沸水以前，沒有CO2產(chǎn)生，由此說明，加熱條件對該反應的重要性，進一步驗證了蔗糖脫水反應放出的熱量為濃硫酸進一步氧化脫水產(chǎn)生碳提供了條件。

（2） 若想盡快看到二氧化碳濃度的變化，可以預先水浴加熱發(fā)生裝置內(nèi)的濃硫酸，再加入適量的碳，然后檢測產(chǎn)生的二氧化碳濃度的變化。

3.4 實驗注意事項

（1） 濃硫酸具有強烈的腐蝕性，在實驗過程中需要戴上橡膠手套小心操作。

（2） 實驗配制的品紅溶液和酸性高錳酸鉀溶液的質(zhì)量分數(shù)分別是0.01％和0.05％，品紅濾紙條褪色較慢，濃度要更低些，酸性KMnO4濾紙條褪色速度較快。

（3） 濃硫酸脫水性實驗中的溫度傳感器也可以改為CO2傳感器，但需注意反應過程中產(chǎn)生的CO2過量，可能會超出CO2傳感器的量程。

3.5 實驗總結(jié)

（1） 本實驗最大的創(chuàng)新點是對蔗糖與濃硫酸反應在保留良好觀賞性和展示效果的基礎上進行改進和創(chuàng)新設計，在表現(xiàn)濃硫酸脫水性的同時體現(xiàn)其氧化性。

（2） 整個實驗是在封閉的體系中進行，澄清石灰水和鐘罩既形成了一個密閉的反應空間，又可以對濃硫酸和蔗糖反應產(chǎn)生的二氧化硫氣體及酸霧進行吸收，可謂一舉兩得。

（3） 利用廢棄飲料瓶作為鐘罩，將普通生活用品與化學實驗聯(lián)系到一起，具有易加工，易觀察，易獲取的特點。

（4） 使用注射器的目的有兩個：一是注射一定體積的濃硫酸；二是平衡氣壓，防止反應激烈產(chǎn)生大量的熱量，讓體系中的壓強增大，導致有毒氣體和酸霧的逸出。

（5） 產(chǎn)物碳的利用。教材中一般用炭粉或者木炭來研究濃硫酸和碳的反應，本文用濃硫酸和蔗糖反應生成的產(chǎn)物碳進一步探究濃硫酸的氧化性，實驗成功率高，效果好，并節(jié)約實驗藥品。該碳還可利用做還原氧化銅的原料以及用作活性炭進行吸附性實驗。

（6） 用水浴加熱代替明火加熱，防止出現(xiàn)濃硫酸暴沸的現(xiàn)象，使反應受熱均勻，易于觀察。

（7） 實驗裝置具有取材方便、制作簡單、易于操作、現(xiàn)象明顯、安全環(huán)保、能檢測有毒氣體的成分、可測溫度及二氧化碳濃度的變化等諸多優(yōu)點。

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