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

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：B

doi： 10.3969/j .issn.1008-0546.2022.12x.023

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。

苏教版高中《化学（必修第一册）》（2020年版）：取2 g蔗糖（C12H22O11）放人大试管中，加2-3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（18-19℃），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：7g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SO：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

3．实验器材与药品

主要仪器：型号Bi0006-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%濃硫酸，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℃。

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℃。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。

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。

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。

6．其他條件

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[Jl.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.