基于STEM理念的“濃硫酸與蔗糖反應(yīng)”裝置改進(jìn)

林寶

摘? ?要：人教版化學(xué)教材（必修第二冊）“濃硫酸與蔗糖反應(yīng)”實(shí)驗(yàn)會產(chǎn)生污染性氣體，在燒杯中進(jìn)行，存在一定的不足。基于STEM理念，對此進(jìn)行了裝置改進(jìn)，通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，實(shí)驗(yàn)裝置的改進(jìn)達(dá)到預(yù)期目的，基本達(dá)到了微型化、綠色化、高效率等化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的要求。

關(guān)鍵詞：STEM理念；實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新；裝置改進(jìn)；濃硫酸與蔗糖反應(yīng)

化學(xué)課程的STEM理念旨在以化學(xué)學(xué)科知識為主，以科學(xué)、技術(shù)、工程、數(shù)學(xué)等知識為輔，將各學(xué)科知識置于有趣多元的學(xué)習(xí)情境中[ 1 ]。實(shí)驗(yàn)教學(xué)是高中階段化學(xué)課程的重要組成部分，不僅可調(diào)動學(xué)生的積極性，更能以直觀的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，帶給學(xué)生深刻的印象。在幫助學(xué)生理解和掌握相關(guān)化學(xué)知識的同時，更能夠培養(yǎng)學(xué)生探究實(shí)踐能力。

在高中階段，大多數(shù)課本實(shí)驗(yàn)都屬于常規(guī)型實(shí)驗(yàn)，還存在一些值得進(jìn)一步思考的地方。在實(shí)驗(yàn)內(nèi)容不超出高中知識體系的前提下，結(jié)合現(xiàn)實(shí)生活挖掘一些綜合創(chuàng)新的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，開展實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新（包括裝置改進(jìn)創(chuàng)新），具有十分重大的意義。

人教版化學(xué)教材（必修第二冊）中充滿趣味性的“黑面包”實(shí)驗(yàn)——濃硫酸與蔗糖反應(yīng)是高中化學(xué)的常見實(shí)驗(yàn)之一。通過實(shí)驗(yàn)可證明濃硫酸的脫水性和強(qiáng)氧化性，該實(shí)驗(yàn)會產(chǎn)生污染性氣體，在敞口儀器——燒杯中進(jìn)行，存在一定的不足[ 2 ]。本文基于STEM教育理念的指導(dǎo)，對濃硫酸與蔗糖反應(yīng)的實(shí)驗(yàn)裝置改進(jìn)創(chuàng)新，以期達(dá)到更好的實(shí)驗(yàn)效果。

1? 實(shí)驗(yàn)教學(xué)目標(biāo)

通過“濃硫酸與蔗糖反應(yīng)”實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證濃硫酸的脫水性和強(qiáng)氧化性，并檢驗(yàn)、吸收有毒尾氣SO2，防止其污染空氣。

2? 改進(jìn)、創(chuàng)新裝置制作

2.1? 材料

（1）實(shí)驗(yàn)材料：大試管，球形干燥管，兩頭帶有橡膠塞的玻璃導(dǎo)管，量筒，膠頭滴管，棉花，濾紙條，小氣球，經(jīng)改裝的空飲料瓶。

（2）實(shí)驗(yàn)試劑：細(xì)砂糖，濃硫酸，蒸餾水，酸性高錳酸鉀溶液，品紅溶液。

2.2? 制作方法

（1）找一個材質(zhì)比較硬的空飲料瓶，剪去約1/3的瓶壁作為試管的支持裝置。

（2）干燥管球泡中塞入一團(tuán)浸有酸性高錳酸鉀溶液的棉花，并在干燥管的粗管內(nèi)壁上放置一片濕潤的浸泡過品紅溶液的濾紙，同時在干燥管的細(xì)管口處套上一個小氣球。塞上帶玻璃導(dǎo)管的橡膠塞，用于檢驗(yàn)、吸收尾氣。

2.3? 創(chuàng)新的實(shí)驗(yàn)裝置

改進(jìn)、創(chuàng)新的實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示，該裝置設(shè)計(jì)微型化，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象明顯，密閉體系使有毒氣體能被吸收處理。裝置如圖1所示。

3? 新實(shí)驗(yàn)裝置器材改進(jìn)要點(diǎn)

（1）為了減少本實(shí)驗(yàn)有毒氣體的產(chǎn)生，反應(yīng)發(fā)生裝置由原來小燒杯改成大試管，試劑用量大大減少，且實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象明顯。具體用量為5 g細(xì)砂糖、5滴蒸餾水、2.5 mL濃硫酸。符合化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)微型化的要求。

（2）實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生的氣體導(dǎo)入干燥管中，用浸泡過品紅溶液的濕潤濾紙條檢驗(yàn)氣體產(chǎn)物中的SO2，并用浸泡有酸性高錳酸鉀溶液的棉球吸收處理SO2，防止污染空氣。剩余尾氣主要含CO2和極少量SO2，最后用氣球收集。由于本實(shí)驗(yàn)在密閉體系中進(jìn)行，在保證氣密性良好的前提下，有毒氣體可以盡可能被吸收處理，操作過程未聞到刺激性氣味，不危害師生健康，不污染環(huán)境，符合綠色化學(xué)的思想。

（3）本實(shí)驗(yàn)采用一個材質(zhì)比較硬的空飲料瓶，剪去約1/3的瓶壁（朝向?qū)W生，便于學(xué)生觀察“黑面包”實(shí)驗(yàn)的現(xiàn)象），作為試管的支持裝置。材料環(huán)保，取材便利，制作簡單，操作方便。

（4）將蔗糖改為顆粒更小的細(xì)砂糖，可以達(dá)到增大接觸面積，提高反應(yīng)速率的目的，在加入濃硫酸前滴加幾滴蒸餾水能使體系溫度明顯升高，無需使用玻璃棒攪拌，而碳化膨脹效果明顯。符合化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)高效率的要求。

4? 實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程

（1）向大試管中加入5 g細(xì)砂糖，用膠頭滴管滴加5滴蒸餾水，輕輕搖動幾下大試管，再使用量筒向蔗糖中加入2.5 mL濃硫酸，然后迅速塞緊連接干燥管的橡膠塞，將裝置放入處理過的空飲料瓶中，觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。

（2）實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象（見圖2 ）。

①細(xì)砂糖先變黃后變黑，并逐漸膨脹，說明蔗糖脫水生成碳。

②試管內(nèi)壁出現(xiàn)大量水珠，說明反應(yīng)放出大量的熱。

③干燥管內(nèi)壁上品紅濾紙條褪色，說明生成的氣體中有SO2。

④干燥管球泡中的棉球大部分褪色，說明生成的SO2被酸性高錳酸鉀溶液吸收。

⑤氣球慢慢鼓起，收集到剩余尾氣（主要含CO2和極少量SO2）。

5? 實(shí)驗(yàn)教學(xué)評價

在教材中，該實(shí)驗(yàn)僅用圖示方式展示了濃硫酸與蔗糖反應(yīng)的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，目的是減少污染性氣體對環(huán)境的影響。現(xiàn)通過儀器創(chuàng)新改進(jìn)，采用密閉裝置，并通過多次實(shí)驗(yàn)研究，對這一實(shí)驗(yàn)做了相關(guān)改進(jìn)，能避免其負(fù)面影響。

本次實(shí)驗(yàn)裝置改進(jìn)多角度滲透STEM理念，一方面體現(xiàn)科學(xué)理念和數(shù)學(xué)理念，利用化學(xué)定量實(shí)驗(yàn)技能和定量思想，以更少的實(shí)驗(yàn)劑量實(shí)現(xiàn)同樣明顯的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。另一方面體現(xiàn)工程技術(shù)思維，在裝置改進(jìn)設(shè)計(jì)、制作、組裝，操作等方面，都需要相當(dāng)?shù)墓こ碳寄芎蛣?chuàng)新精神。本實(shí)驗(yàn)裝置改進(jìn)，能夠更好地培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維、實(shí)踐能力以及綜合素養(yǎng)，促進(jìn)師生探究能力的提高，也為STEM教育提供了實(shí)驗(yàn)素材。

總的來說，通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，儀器創(chuàng)新改進(jìn)達(dá)到預(yù)期目的，基本達(dá)到了微型化、綠色化、高效率等化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的要求[ 3 ]。改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn)裝置能反復(fù)使用， 教學(xué)效果明顯改善，能促進(jìn)師生實(shí)驗(yàn)探究能力的提高。

參考文獻(xiàn)：

［1］ 伍軍. 基于STEM理念的高中化學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)研究[J]. 中學(xué)課程輔導(dǎo)， 2020（5）：18-19.

［2］ 白永麗，余新紅. “黑面包”實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)[J]. 花炮科技與市場， 2020（3）：293.

［3］ 盛春玲. 淺談高中化學(xué)創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)的常見類型及其運(yùn)用[J]. 中學(xué)化學(xué)教學(xué)參考， 2017（7）：43-44.