利用数字化实验探究蔗糖与浓硫酸反应的优化条件.pdf

化学教与学2022年第12期（下半月刊）化学教与学（http：/或http：/）化学教与学（http：/或http：/）一、问题的提出浓硫酸的强氧化性和脱水性，高中化学用蔗糖与浓硫酸反应来证明。人教版高中 化学（必修第二册）（2019 年版）1和鲁科版高中 化学（必修第一册）（2019 年版）2以图片的形式展现该实验（如图1和图2），具体反应物的用量、反应条件和操作步骤等没有详细说明，往往用量控制不好，实验成功率低，另外实验在敞开的烧杯中进行，造成环境污染。图1人教版教材图片图2鲁科版教材图片加入浓硫酸苏教版高中 化学（必修第一册）（2020 年版）：取2 g蔗糖（C12H22O11）放入大试管中，加23 滴水，再加入约3 mL浓硫酸，迅速搅拌，然后塞紧带玻璃导管的橡皮塞，将玻璃导管的另一端插入盛有品红溶液的试管中，观察实验现象。3该实验有反应物的用量、反应条件和具体实验操作步骤，但是在实际实验操作中发现当室温较低时（1819），蔗糖由白变棕再变黑，放置一段时间才缓慢产生气泡，“发”不起来，无法观察到“黑面包”和品红褪色现象。说明该用量在低温时不能确保实验成功。最佳的用量是多少呢？这就是笔者研究的课题。二、文献中的相关研究案例查阅文献发现，针对蔗糖与浓硫酸反应的最佳条件已有一些研究：吴叔娥，卢一卉，李远蓉4确定该实验的优化条件配比为：10 g 蔗糖，9 mL浓硫酸和25滴水。孔令鑫和姜言霞5研究了浓硫酸的体积、蔗糖的质量、加水量和烧杯大小，得出绵白糖10 g，浓硫酸10 mL和10滴水为最佳条件。曹贻利和温祖标6研究得出实验最佳反应条件为：7 g粉末状蔗糖，25 的蒸馏水20滴，8 mL浓硫酸。这些研究为实验教学提供了借鉴，但是蔗糖和浓硫酸的用量多，产生的SO2多，对环境的污染较大；另外这些研究都通过大量的实验事实得出结论，比如正交法探究黑面包实验，需要大量的人力物力和时间。笔者在研究方法和研究方向上做了思考。作为演示实验，只要现象明显，能达到课堂教学要求即可。以能观察到“黑面包”和品红褪色现象为评价标准，利用数字化实验探究反应温度、蔗糖、浓硫酸、水的最佳反应条件。三、实验方案1.实验改进原理本实验反应物用量少，反应逸出的SO2少，品红溶利用数字化实验探究蔗糖与浓硫酸反应的优化条件*杨辉琴王佩珊吴惠玲（福建省龙海第一中学福建 漳州363100）摘要：高中化学教材中蔗糖与浓硫酸的反应是演示实验。有的教材没有给出实验所需反应物的用量，有的用量不是最优化，实验成功率不高。针对苏教版的实验方案，采用数字化实验探究实验的优化条件，旨在为实验教学提供参考。关键词：红外温度传感器；蔗糖；浓硫酸；优化条件；实验改进文章编号：1008-0546（2022）12x-0092-04中图分类号：G632.41文献标识码：Bdoi：10.3969/j.issn.1008-0546.2022.12x.023*本文系龙海区 2021 年度课题“基于stem理念的高中化学新课程数字化实验设计与实践”（课题编号：Z202143）的阶段性研究成果。实验教学研究 实验教学研究 92化学教与学2022年第12期（下半月刊）化学教与学（http：/或http：/）化学教与学（http：/或http：/）液浓度大些或量多些，足以将逸出的SO2完全吸收，可以不考虑尾气处理。但残留在大试管和“黑面包”吸附的SO2不少，打开橡皮塞加水洗涤时逸出SO2，危害师生健康又污染环境。在大试管处加了一个装有氢氧化钠溶液的注射器（如图3所示），待实验结束后冷却至室温，往里面加氢氧化钠溶液将SO2充分吸收。红外温度传感器用于测量反应过程体系温度的变化。2.实验原理C+2H2SO4（浓）=CO2+2SO2+2H2O（1）蔗糖与浓硫酸的反应：C12H22O11浓硫酸12C+11H2O（2）氢氧化钠溶液滴入大试管：CO2+2NaOH=Na2CO3+H2OSO2+2NaOH=Na2SO3+H2OH2SO4+2NaOH=Na2SO4+2H2O3.实验器材与药品主要仪器：型号Bio006-S红外温度带屏传感器，温度计，大试管（直径3.2 cm）、小试管、注射器、铁架台带铁夹、玻璃棒、10 mL 量筒、电子天平、胶头滴管（其他仪器省略）。药品：98%浓硫酸、蔗糖、稀NaOH溶液、品红溶液。4.实验过程及结果分析按照图3连接好装置并检验气密性，打开红外温度传感器和数据处理软件进行数据采集。按照苏教版的操作步骤进行实验，往大试管中依次加入2 g蔗糖（C12H22O11）、20滴水、3 mL 98%浓硫酸，观察到蔗糖迅速膨胀形成“黑面包”，导管口有气泡逸出，品红褪色。实验结束待试管冷却，往里面加氢氧化钠溶液吸收SO2。实验现象明显又绿色环保，实验效果良好。保存软件采集到的数据，用于后续实验探究数据分析。四、优化实验条件的探究蔗糖与浓硫酸反应产生“黑面包”同时品红褪色，实验成功的关键是反应温度和浓硫酸的浓度。反应体系温度越高，浓硫酸的浓度越大，反应越激烈，放出的气体越多。苏教版的蔗糖质量2 g，作为演示实验这个质量已经很少，本研究中蔗糖以2 g为基准。1.产生气泡的温度测量室温18，按苏教版教材的用量和步骤操作，蔗糖由白变棕再变黑，放置一段时间才缓慢产生气泡，无“黑面包”现象，测得温度67，温度变化如图4所示。要快速产生黑面包，温度必须高于67。氢氧化钠溶液红外温度传感器品红溶液电脑蔗糖与浓硫酸图3实验装置图7060504030201000100200300400500600红外温度探头t/sT/蔗糖与浓硫酸反应温度变化产生气泡反应刚开始图4蔗糖与浓硫酸反应过程温度变化2.浓硫酸稀释温度的变化室温18，分别取10滴、15滴、20滴、25滴、30滴水，分别向其中逐体积加入浓硫酸，每次加1 mL，测得温度变化（如图5所示）。由图可见，随着硫酸体积的增大，温度降低。当浓硫酸体积不变时，随着加水量增加，温度升高（如图6所示），但硫酸的浓度降低。2 mL浓硫酸时，加水20滴、25滴、30滴，温度都约103，但水量多，浓硫酸的浓度低。综合考虑反应温度和浓硫酸的浓度，水滴数与浓硫酸的最佳体积选择：20滴水和 2 mL浓硫酸，为了确保实验成功，又不浪费药实验教学研究 实验教学研究 93化学教与学2022年第12期（下半月刊）化学教与学（http：/或http：/）化学教与学（http：/或http：/）200150100500050100150200250300350400红外温度探头t/sT/20滴水15滴水10滴水3滴水图7相同条件下，不同加水量，反应过程温度变化品，浓硫酸再加1 mL，即20滴水和3 mL浓硫酸，此时温度92，高于67。1015202530889594100104102103951059585756555T/加水量/滴1 mL2 mL3 mL4 mL5 mL浓硫酸体积图6浓硫酸稀释，不同水量的温度变化12345678T/浓硫酸体积/mL10滴水15滴水20滴水25滴水30滴水120100806040200图5浓硫酸稀释，不同体积的温度变化3.相同条件下，不同加水量，实验现象及温度变化室温18，2 g蔗糖，3 mL 98%浓硫酸，不同加水量，温度变化（如图7所示），实验现象如表1所示。加水量/滴3101520实验现象蔗糖由白变棕再变黑，放置一段时间才缓慢产生气泡，无“黑面包”，品红不褪色蔗糖由白变黑，体积很快膨胀，“黑面包”高度约3 cm，产生少量气泡，品红缓慢褪色蔗糖由白变黑，体积迅速膨胀，“黑面包”高度约3.5 cm，产生大量气泡，品红褪色蔗糖由白变黑，体积快速膨胀，“黑面包”高度约4.0 cm，快速产生大量气泡，品红褪色表1相同条件下，不同加水量，实验现象从表1和图7可看出：（1）适当增加水量，体系温度升高，反应更快更激烈，产生气体更多，“黑面包”高度更高。（2）室温18，2 g蔗糖、20滴水、3 mL 98%浓硫酸的配比能满足教学需要。4.相同条件下，不同质量的蔗糖，实验现象室温18，20滴水，3 mL 98%浓硫酸，不同蔗糖质量，实验现象如表2所示。由此可见蔗糖质量增大，“黑面包”高度增加；20滴水、3 mL 98%浓硫酸的配比也适合蔗糖质量大点的。蔗糖质量/g24实验现象蔗糖由白变黑，体积快速膨胀，“黑面包”高度约4.0cm，快速产生大量气泡，品红褪色蔗糖由白变黑，体积快速膨胀，“黑面包”高度约6.5cm，快速产生大量气泡，品红褪色表2相同条件下，不同质量的蔗糖，实验现象5.相同条件下，不同体积的浓硫酸，反应过程温度变化室温18，2 g蔗糖，20滴水，不同浓硫酸体积，温度变化（如图8所示）。浓硫酸刚加进去温度基本相同，随着反应的进行，加3mL浓硫酸的体系温度高于加2 mL浓硫酸的体系温度，反应放出的气体更多。加3 mL浓硫酸，体系中浓硫酸的浓度更大，氧化性更强，选择3 mL浓硫酸更能满足教学需要。实验教学研究 实验教学研究 94化学教与学2022年第12期（下半月刊）化学教与学（http：/或http：/）化学教与学（http：/或http：/）200150100500050100150200250300红外温度探头t/sT/3 mL浓硫酸2 mL浓硫酸图8相同条件下，不同体积的浓硫酸，反应过程温度变化6.其他条件其他影响因素，比如蔗糖的种类、蔗糖颗粒大小、浓硫酸的浓度等，已经有学者进行探究，本研究不再探究。以节约药品、能观察到明显现象为本，没有探究更大量的蔗糖和浓硫酸，研究存在一些不足，后续再进行探究。四、结论通过测反应所需温度，再测浓硫酸稀释温度的变化，借助红外温度传感器呈现实验过程温度变化，快速找到最佳的水滴数与浓硫酸体积，减少实验探究次数，减少人力物力和时间。室温18，2 g蔗糖、20滴水、3 mL 98%浓硫酸，既能节约药品，又能观察到“黑面包”和品红褪色现象，能满足教学需要。蔗糖的质量也可选择4g。实验改进：实验器材易得、操作简单、节时高效、绿色环保，实验现象生动有趣。参考文献1 人民教育出版社，课程教材研究所，化学课程教材研究开发中心.普通高中教科书（化学必修第二册）M.北京：人民教育出版社，2019.2 王磊，陈光巨.普通高中教科书（化学必修第一册）M.济南：山东科学技术出版社，2019.3 王祖浩.普通高中教科书（化学必修第一册）M.南京：江苏凤凰教育出版社，2020.4 吴叔娥，卢一卉，李远蓉.“蔗糖与浓硫酸反应”实验装置的改进 J.实验教学与仪器，2017，34（12）：32-33.5 孔令鑫，姜言霞.蔗糖与浓硫酸反应的最佳条件探究 J.化学教与学，2018（11）：89-92.6 曹贻利，温祖标.正交试验法探究黑面包实验 J.教育与装备研究，2020，36（09）：50-54.实验教学研究 实验教学研究 欢迎订阅 化学教与学 杂志化学教与学 杂志是具有国家新闻出版局正式刊号的化学教育教学类期刊。杂志采取邮发与自办两种方式发行，邮发代号为 28407，各地邮局接受订阅，同时继续通过杂志社发行部向全国公开发行，欢迎各单位和个人积极订阅。化学教与学 全年共 24期，已被知网、方正、维普、龙源等数据库全文收录。每月 10日、25日出刊，每期定价 10元，全年定价 240元。需要订阅者可联系发行部苏老师（02583598050），也可联系当地邮局订阅。95