基于STEM理念的“濃硫酸與蔗糖反應”裝置改進

林寶

摘? ?要：人教版化學教材（必修第二冊）“濃硫酸與蔗糖反應”實驗會產生污染性氣體，在燒杯中進行，存在一定的不足。基于STEM理念，對此進行了裝置改進，通過實驗驗證，實驗裝置的改進達到預期目的，基本達到了微型化、綠色化、高效率等化學實驗教學的要求。

關鍵詞：STEM理念；實驗創新；裝置改進；濃硫酸與蔗糖反應

化學課程的STEM理念旨在以化學學科知識為主，以科學、技術、工程、數學等知識為輔，將各學科知識置于有趣多元的學習情境中[ 1 ]。實驗教學是高中階段化學課程的重要組成部分，不僅可調動學生的積極性，更能以直觀的實驗現象，帶給學生深刻的印象。在幫助學生理解和掌握相關化學知識的同時，更能夠培養學生探究實踐能力。

在高中階段，大多數課本實驗都屬于常規型實驗，還存在一些值得進一步思考的地方。在實驗內容不超出高中知識體系的前提下，結合現實生活挖掘一些綜合創新的實驗項目，開展實驗創新（包括裝置改進創新），具有十分重大的意義。

人教版化學教材（必修第二冊）中充滿趣味性的“黑面包”實驗——濃硫酸與蔗糖反應是高中化學的常見實驗之一。通過實驗可證明濃硫酸的脫水性和強氧化性，該實驗會產生污染性氣體，在敞口儀器——燒杯中進行，存在一定的不足[ 2 ]。本文基于STEM教育理念的指導，對濃硫酸與蔗糖反應的實驗裝置改進創新，以期達到更好的實驗效果。

1? 實驗教學目標

通過“濃硫酸與蔗糖反應”實驗驗證濃硫酸的脫水性和強氧化性，并檢驗、吸收有毒尾氣SO2，防止其污染空氣。

2? 改進、創新裝置制作

2.1? 材料

（1）實驗材料：大試管，球形干燥管，兩頭帶有橡膠塞的玻璃導管，量筒，膠頭滴管，棉花，濾紙條，小氣球，經改裝的空飲料瓶。

（2）實驗試劑：細砂糖，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浸有酸性高錳酸鉀溶液的棉花，并在干燥管的粗管內壁上放置一片濕潤的浸泡過品紅溶液的濾紙，同時在干燥管的細管口處套上一個小氣球。塞上帶玻璃導管的橡膠塞，用于檢驗、吸收尾氣。

2.3? 創新的實驗裝置

改進、創新的實驗裝置如圖1所示，該裝置設計微型化，實驗現象明顯，密閉體系使有毒氣體能被吸收處理。裝置如圖1所示。

3? 新實驗裝置器材改進要點

（1）為了減少本實驗有毒氣體的產生，反應發生裝置由原來小燒杯改成大試管，試劑用量大大減少，且實驗現象明顯。具體用量為5 g細砂糖、5滴蒸餾水、2.5 mL濃硫酸。符合化學實驗教學微型化的要求。

（2）實驗產生的氣體導入干燥管中，用浸泡過品紅溶液的濕潤濾紙條檢驗氣體產物中的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。由于本實驗在密閉體系中進行，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，不污染環境，符合綠色化學的思想。

（3）本實驗采用一個材質比較硬的空飲料瓶，剪去約1/3的瓶壁（朝向學生，便于學生觀察“黑面包”實驗的現象），作為試管的支持裝置。材料環保，取材便利，制作簡單，操作方便。

（4）將蔗糖改為顆粒更小的細砂糖，可以達到增大接觸面積，提高反應速率的目的，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。符合化學實驗教學高效率的要求。

4? 實驗教學過程

（1）向大試管中加入5 g細砂糖，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，觀察實驗現象。

（2）實驗現象（見圖2 ）。

①細砂糖先變黃后變黑，并逐漸膨脹，說明蔗糖脫水生成碳。

②試管內壁出現大量水珠，說明反應放出大量的熱。

③干燥管內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? 實驗教學評價

在教材中，該實驗僅用圖示方式展示了濃硫酸與蔗糖反應的實驗現象，目的是減少污染性氣體對環境的影響。現通過儀器創新改進，采用密閉裝置，并通過多次實驗研究，對這一實驗做了相關改進，能避免其負面影響。

本次實驗裝置改進多角度滲透STEM理念，一方面體現科學理念和數學理念，利用化學定量實驗技能和定量思想，以更少的實驗劑量實現同樣明顯的實驗現象。另一方面體現工程技術思維，在裝置改進設計、制作、組裝，操作等方面，都需要相當的工程技能和創新精神。本實驗裝置改進，能夠更好地培養學生的創新思維、實踐能力以及綜合素養，促進師生探究能力的提高，也為STEM教育提供了實驗素材。

總的來說，通過實驗驗證，儀器創新改進達到預期目的，基本達到了微型化、綠色化、高效率等化學實驗教學的要求[ 3 ]。改進后的實驗裝置能反復使用， 教學效果明顯改善，能促進師生實驗探究能力的提高。

參考文獻：

［1］ 伍軍. 基于STEM理念的高中化學實驗設計研究[J]. 中學課程輔導， 2020（5）：18-19.

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

［3］ 盛春玲. 淺談高中化學創新實驗的常見類型及其運用[J]. 中學化學教學參考， 2017（7）：43-44.