濃硫酸與蔗糖反應實驗裝置的改進

劉庭秀 曾春梅

摘要：? 針對人教版教材及相關文獻中“濃硫酸與蔗糖反應”實驗裝置的不足進行了探索和改進。利用定制的玻璃儀器、三通閥、注射器和塑料噴頭等對該反應的實驗裝置進行了重新設計。改進后的裝置實現了反應、產物檢測和尾氣處理的一體化，不僅具有操作簡單、現象明顯和安全環保等優點，還能有效終止有害氣體的產生以及解決尾氣吸收等問題。

關鍵詞： 濃硫酸； 蔗糖； 黑面包實驗； 實驗改進

文章編號： 10056629（2024）04006803

中圖分類號： G633.8

文獻標識碼： B

1? 問題的提出

濃硫酸與蔗糖反應實驗是驗證濃硫酸具有氧化性和脫水性的重要實驗，人教版教材（2019年版）中該實驗的操作是在燒杯中放入蔗糖，滴入適量水后進行攪拌，再加入濃硫酸進行攪拌，觀察實驗現象［1］。教材所提供的實驗方法操作簡單、現象明顯，能很好地讓學生感受到“黑面包實驗”的震撼效果。但教材中的實驗存在以下不足之處：一是實驗在敞開的燒杯中進行，反應產生的二氧化硫氣體會污染教學環境，不符合綠色化學的理念；二是沒有對反應產物進行檢驗，不能滿足學生的探究心理；三是沒有讓學生感知到濃硫酸與蔗糖反應會放出大量的熱量；四是未確定蔗糖與濃硫酸的用量，造成藥品浪費。根據以上問題，對濃硫酸與蔗糖反應的實驗裝置進行了新的設計，既能保留明顯的“黑面包實驗”現象，還能對產生的氣體進行檢驗與吸收。

2? 相關文獻簡述

通過文獻查閱發現，不少研究者對“濃硫酸與蔗糖反應”的實驗裝置進行了改進與創新，改進內容主要包括實驗裝置一體化、微型化和綠色化等方面。如王建芬等利用可樂瓶、分液漏斗和玻璃水槽等器材改進的實驗裝置［2］，實現了加料、反應和有害氣體吸收三個操作過程的結合，但操作過程中用分液漏斗下端攪拌時，瓶塞很容易松動導致有害氣體逸出，此外用可樂瓶罩在1000mL氫氧化鈉溶液中，由于浮力的作用可樂瓶易傾倒而引起實驗安全問題；高飛利用洗耳球、具支試管和多球干燥管等設計的一體化裝置［3］，可檢測二氧化硫的多種性質，實現了實驗的微型化，但由于藥品用量過少，實驗現象很不明顯，另外吸收尾氣時，用洗耳球向裝置中打入空氣來排出殘留的有害氣體，但需要壓入大量的空氣才能消除殘留氣體；黃亞武等利用廣口瓶、干燥管和氣球等儀器設計了集反應、產物檢測和尾氣處理的一體化裝置［4］，能同時完成濃硫酸的性質實驗以及多種氣體產物的檢驗，具有簡約、易組裝的特點，但氣球中蘸有濃NaOH溶液的棉花球不能完全吸收裝置中殘存的二氧化硫，拆解裝置時易造成環境污染；劉亞莉等借助溫度及二氧化碳傳感器測定了濃硫酸與蔗糖反應時溫度的變化和濃硫酸與碳反應時二氧化碳濃度的變化［5］，但該裝置組裝復雜，貼在飲料瓶內壁上的品紅濾紙條容易掉落從而影響實驗效果。

上述改進雖然一定程度上改善了蔗糖與濃硫酸反應實驗的教學效果，但仍然存在著不易操作、實驗儀器難以獲得和尾氣吸收不完全等問題。為了解決實驗中的不足，筆者做了新的改進。

3? 實驗方案

3.1? 實驗原理

（1） 蔗糖與濃硫酸反應：

C12H22O11濃硫酸12C+11H2O

C+2H2SO4（濃）CO2↑+2SO2↑+2H2O

（2） 二氧化硫和二氧化碳的檢驗：

2KMnO4+5SO2+2H2OK2SO4+2MnSO4+2H2SO4

CO2+H2OH2CO3

H2CO3H++HCO-3

（3） 二氧化硫、二氧化碳和濃硫酸的處理：

SO2+2NaOHNa2SO3+H2O

CO2+2NaOHNa2CO3+H2O

H2SO4+2NaOHNa2SO4+H2O

3.2? 實驗改進思路

利用圖1（a）中的特制玻璃試管、圖1（b）中的三通閥（接管口外徑為3.2mm）和塑料噴頭（接管口外徑為4mm，工作壓力為1.5～3.5kg，滿足手動所提供的壓力形成噴霧）組裝新的實驗裝置（見圖2）。經反復實踐，

確定了蔗糖、濃硫酸和水的用量，保證“黑面包實驗”的震撼效果。改進后的裝置能檢驗反應產生的氣體，及時終止有害氣體的產生，確保有害氣體被完全吸收。

3.3? 實驗儀器及試劑

儀器：鐵架臺、特制玻璃試管（帶塞子）、三通閥、塑料噴頭、20mL注射器、100mL燒杯、3段硅膠軟管（內徑4mm、外徑6mm）、塑料卡扣、酒精燈、濾紙條（10mm×15mm）、托盤天平、藥匙、鑷子

試劑：蔗糖、98%濃硫酸、30%氫氧化鈉溶液、0.01%品紅溶液、0.05%高錳酸鉀溶液、0.01%溴麝香草酚藍溶液、蒸餾水

3.4? 實驗操作及現象

（1） 稱量8.0g蔗糖加入特制試管中，注射器B吸取10mL 98%濃硫酸，注射器C吸取20mL空氣，按圖2所示連接儀器，用塑料卡扣固定硅膠軟管與噴頭、控制閥連接處。

（2） 檢驗裝置氣密性。旋轉控制閥1，連通NaOH溶液與噴頭。旋轉控制閥2，連通注射器C與特制玻璃試管，用注射器C往裝置內注入空氣，若NaOH溶液中有大量氣泡產生，說明裝置氣密性良好。

（3） 切斷注射器C與特制試管之間的氣流通道，往下推動注射器B，將濃硫酸全部注入試管中。

現象1：注入少量濃硫酸時，試管中混合物由白色逐漸變為黃色。隨著試管中濃硫酸的增加，混合物快速從黃色→棕色→黑色。黑色物質的體積快速膨脹（約6cm高），試管內壁掛有大量水珠。

現象2：蘸有品紅溶液的濾紙條由紅色逐漸變為無色，蘸有高錳酸鉀溶液的濾紙條由紫色快速變為無色，蘸有溴麝香草酚藍溶液的濾紙條由藍色逐漸變為黃色。

現象3：用手觸摸試管外壁，感受到試管外壁發燙。

（4） 加熱裝有品紅試紙的支管，品紅試紙恢復紅色。

（5） 終止二氧化硫的產生。當產生上述現象后，旋轉控制閥1，連通注射器A與NaOH溶液，注射器A吸取20mL NaOH溶液。旋轉控制閥1連通注射器A與特制試管，向特制試管中噴入NaOH溶液（既可以終止制氣反應，又可以除去管中大部分氣體）。

（6） 消除剩余二氧化硫。旋轉控制閥2，注射器C吸取20mL空氣后，旋轉控制閥2連通注射器C與特制試管，注入空氣將支管中的氣體吹入特制試管中，重復操作（5）除去剩余氣體。

4? 實驗說明

（1） 改進后的實驗未進行攪拌，為促進反應的進行，開始實驗前應將蔗糖研成粉狀，并在稱取后用少量蒸餾水潤濕一下。

（2） SO2不會干擾溴麝香草酚藍試紙的變色情況，溴麝香草酚藍試紙由藍色變為黃色，說明反應產生了一定濃度的CO2。

（3） 用于終止反應、消除剩余氣體的NaOH溶液要足量。

（4） 特制玻璃試管的支管略向上傾斜，可避免噴淋而下的NaOH溶液污染試紙條，影響試紙的變色情況。

（5） 實驗結束后，可以用玻璃棒輕松將產物帶出，將疏松多孔的“黑面包”展示給學生觀察。

5? 實驗改進的優點

（1） 裝置簡約，操作簡單。改進后的實驗裝置實現了反應、氣體檢驗和氣體吸收的一體化，還可以應用到銅與濃硫酸反應的實驗中，驗證生成的SO2氣體。該裝置適用于學生分組實驗，

不僅增加學生動手實驗的機會，而且

讓學生對濃硫酸的特性有近距離接觸，從而提高學生學習和探究的興趣。

（2） 現象明顯，便于觀察。一方面，向特制試管中注入濃硫酸，可清晰地觀察到逐漸上升的多孔海綿狀碳柱。另一方面，特制試管中產生的氣體濃度大，三種試紙變色快，直觀地證明了反應產生的SO2和CO2氣體，有效提升學生的實驗興趣和科學探究意識。

（3） 有益環保，安全性高。注射器、三通閥與噴頭的配合使用，不僅可以及時終止反應繼續產生有害氣體，還能充分吸收特制試管中殘留的有害氣體，有利于培養學生的綠色化學觀念和環保意識。

參考文獻：

［1］王晶， 鄭長龍主編. 普通高中教科書·化學必修（第二冊）［M］. 北京： 人民教育出版社， 2019： 4.

［2］王建芬， 齊俊林. 蔗糖與濃硫酸反應實驗的新設計［J］. 化學教學， 2018， （2）： 73～75.

［3］高飛. 濃硫酸使蔗糖脫水實驗的改進與創新［J］. 化學教學， 2018， （6）： 67～69.

［4］黃亞武， 姚亮發， 張賢金. 蔗糖與濃硫酸反應實驗的一體化設計［J］. 化學教學， 2022， （10）： 68～71.

［5］劉亞莉， 吳霞， 劉茜等. 濃硫酸脫水性和氧化性實驗的簡易裝置設計［J］. 化學教學， 2022， （10）： 75～78.