浓硫酸脱水性和氧化性实验的简易装置设计

刘亚莉 吴霞 刘茜 杨丽君

摘要： “浓硫酸与蔗糖反应”的实验是验证浓硫酸脱水性和氧化性的重要实验，为解决实验过程中教学环境的污染问题以及方便对生成物进行验证，利用反应瓶等器材设计浓硫酸脱水性和氧化性实验的简易装置，借助温度及二氧化碳传感器实时监测反应过程中温度和二氧化碳浓度的变化，定性描述与定量分析相结合共同探究浓硫酸的性质。改进后的实验具有操作简单、仪器简约、可视性强、安全环保等特点。

关键词： 浓硫酸； 脱水性； 氧化性； 简易装置； 实验改进

文章编号： 10056629（2022）10007504

中图分类号： G633.8

文献标识码： B

1 问题提出

浓硫酸具有吸水性、脱水性和氧化性。因为常用作吸水剂，学生容易理解浓硫酸的吸水性，但对其脱水性和氧化性难有直观的认识。因此，教材中浓硫酸和蔗糖反应的实验对学生理解浓硫酸的脱水性和氧化性有重要作用。人教版教材用图片展示了浓硫酸脱水性的实验现象：蔗糖逐渐变黑，体积剧烈膨胀，形成疏松多孔的海绵状碳，又名“黑面包”。该实验操作简单、现象明显，但存在几点不足：（1）实验在敞开的烧杯中进行，实验过程中会有酸雾和二氧化硫生成，没有进行尾气处理；（2）为了能看到明显的实验现象，药品用量较多，造成浪费和环境污染；（3）对产生的气体没有进行定性检验。蔗糖脱水反应的主要反应为：C12H22O1112C+11H2O，但浓硫酸会进一步氧化产物碳，因此会产生大量刺激性气味的二氧化硫气体，这是浓硫酸氧化性的体现。因此，蔗糖脱水反应既体现了浓硫酸的脱水性，也体现了浓硫酸的氧化性。但教材中并未对此进行分析，仅单独列出了浓硫酸与木炭反应的化学方程式，学生对此难免有所困惑。基于此，我们对浓硫酸和蔗糖反应的实验装置进行了重新设计，既保留了明显的碳化实验现象，也对产生的气体进行了验证。对于蔗糖的脱水产物碳与浓硫酸的进一步反应，则借助二氧化碳传感器实时监测产生的二氧化碳浓度的变化，验证了浓硫酸对木炭的氧化作用。

2 相关文献简评

为了解浓硫酸与蔗糖反应实验研究的进展与现状，查阅了大量的资料，发现研究浓硫酸与蔗糖反应实验的文章相对较多，主要集中在以下几个方面：（1）对实验进行微型化处理［1］，可以节约药品的使用，但实验效果没有那么震撼，趣味性减弱；（2）对实验进行一体化改进，即把浓硫酸与蔗糖的反应以及对生成物性质的检验整合到一起［2］，但操作较复杂，材料不易获得，存在现象不明显等问题；（3）侧重于对生成物进行检验，用NaOH溶液对尾气进行吸收处理［3］；（4）设计封闭的实验环境以减少污染［4］。以上实验设计的共同点是封闭体系减少污染、节约药品、生成物及其性质的检验比较完整。

浓硫酸的强氧化性主要体现在能氧化大多数金属单质和部分非金属单质。查阅文献发现，浓硫酸对金属的氧化性实验主要是与铜反应，但研究浓硫酸对非金属如碳的氧化性实验很少，主要集中在反应装置和检验装置的改进方面［5］。

在文献研究的基础上，我们对浓硫酸和蔗糖的反应实验进行了改进和创新，设计了浓硫酸脱水性和氧化性实验的简易装置，并借助温度及二氧化碳传感器分别测定了浓硫酸与蔗

糖反应实验中温度的变化和浓硫酸与碳反应中二氧化碳浓度的变化。通过

实验现象以及曲线分析表明：蔗糖与浓硫酸反应产生蓬松的碳，证明浓硫酸有脱水性；碳和浓硫酸进一步反应产生二氧化碳气体，证明浓硫酸有强氧化性。改进的实验有利于学生理解浓硫酸的脱水性和氧化性。

3 实验部分

3.1 仪器及试剂

仪器：Vernier数据采集器、计算机（安装Logger Pro软件）、Vernier不锈钢温度传感器、Vernier二氧化碳传感器、150mL反应瓶、250mL烧杯1个、10mL量筒、电子天平、称量纸、玻璃水槽1个、10mL注射器1只、单孔橡胶塞2个、胶头滴管1支、空饮料瓶（盛放饮料的塑料瓶，2 L）1个、剪刀1把、滤纸条、pH试纸、玻璃棒、长18cm玻璃管、气球1个、长6cm导管

试剂：蔗糖、浓硫酸（98%）、澄清石灰水溶液（1000mL）、酸性高锰酸钾溶液（0.05％）、品红溶液（0.01％）、蒸馏水

3.2 浓硫酸与糖反应的实验

3.2.1 實验装置

实验装置见图1。

3.2.2 药品用量探索

查阅相关文献，以蔗糖与浓硫酸反应实验的最佳物料比，即蔗糖（g）∶浓硫酸（mL）∶水（滴）=1∶1∶1为基础［6］进行探究，通过测量产物的高度和观察实验现象，选择其中反应效果最好的物料比进行实验。

由表1实验数据可知，影响浓硫酸和蔗糖反应的因素主要有蔗糖的质量、浓硫酸的体积和加入水的量。蔗糖的量越多得到的产物也越多，适中的加水量会使温度升高，碳化膨胀明显，遵循绿色环保节约的原则，选取药品的用量为：6g蔗糖、6mL浓硫酸、6滴水。

3.2.3 实验步骤

（1） 取1只150mL反应瓶，用玻璃胶将其粘接到玻璃水槽的中央。

（2） 取一个塑料饮料瓶，剪掉瓶底，在其内壁分别贴上用品红溶液润湿的滤纸条、蒸馏水润湿的pH试纸以及酸性高锰酸钾溶液润湿的滤纸条，做成反应瓶的钟罩。

（3） 称取6g蔗糖装入反应瓶中，用胶头滴管滴加6滴蒸馏水，再用玻璃棒搅拌使蔗糖和蒸馏水混合均匀。

（4） 用单孔橡胶塞塞紧钟罩的上口，取1根长18cm的封底玻璃管，插入橡胶塞至距离反应瓶底部2mm左右为宜，再将温度传感器的探头穿入到玻璃管内。实验装置如图1所示。

（5） 在橡胶塞上面插入装有6mL 98%浓硫酸的注射器，最后往玻璃水槽中注入1000mL澄清石灰水溶液。

（6） 打开Vernier Logger Pro软件，设置好参数后点击采集按钮，接着把浓硫酸加入到反应瓶中。

（7） 用右手按住钟罩的上部，顺时针或逆时针轻轻摇动钟罩，使玻璃管轻轻搅动反应瓶底部的蔗糖、水及浓硫酸的混合物，反应立即进行。

（8） 反应结束，待有毒气体及其酸雾吸收完毕后，将反应瓶内的生成物倒入指定的容器内。

3.2.4 实验现象

（1） 学生可观察到电脑上面温度数字迅速上升并超过100℃（如图2），说明该反应是放热反应。

（2） 随后可以看到瓶内混合物颜色由白色变为黄色，继而变为棕色，最后呈黑色。体积膨胀，形成疏松多孔的海绵状碳柱，反应瓶内壁上有水雾生成，实验原理为：C12H22O1112C+11H2O。

（3） 该实验产生大量的CO2和SO2气体：C+2H2SO4（浓）△CO2↑+2SO2↑+2H2O，片刻后可观察到品红滤纸条慢慢变淡至无色（二氧化硫气体的漂白作用），酸性高锰酸钾滤纸条很快由紫色褪为无色（二氧化硫气体具有还原性，反应的化学方程式为：2KMnO4+5SO2+2H2OK2SO4+2MnSO4+2H2SO4），pH试纸条变红。

（4） 玻璃水槽内的澄清石灰水溶液逐渐变浑浊，产生的二氧化碳、二氧化硫气体和酸雾被玻璃水槽内的碱液吸收（反应的化学方程式为：CO2+Ca（OH）2CaCO3↓+H2O； SO2+Ca（OH）2CaSO3↓+H2O）。

3.2.5 有关说明

（1） 玻璃水槽中的澄清石灰水不宜太多或太少，一是防止饮料瓶（钟罩）和反应瓶受水槽中碱液浮力影响发生倾倒；二是避免澄清石灰水变浑浊的现象不明显。

（2） 加入适量的水润湿蔗糖的作用是让浓硫酸与水作用放出大量的热，为浓硫酸与蔗糖反应提供热量，加快反应速率。

（3） 在整个实验过程中，钟罩的底部不要离开水槽内的液面，在实验结束时，也不要急于让钟罩脱离液面，以防二氧化硫和酸雾从空隙中外逸，造成空气污染。

（4） 蔗糖的脱水反应是放热反应，放出的热量足以使浓硫酸进一步氧化生成的碳，因此该实验同时体现了浓硫酸的脱水性和氧化性。

（5） SO2通入澄清石灰水和CO2一样，会因生成微溶物CaSO3而使澄清石灰水变浑浊，因此使澄清石灰水变浑浊的气体不一定就是二氧化碳。

为进一步探究浓硫酸的氧化性，借助二氧化碳传感器设计了下列浓硫酸氧化性实验的简易装置。

3.3 浓硫酸的氧化性再验证

3.3.1 实验装置

实验装置见图3。

3.3.2 实验步骤

（1） 将浓硫酸和蔗糖反应生成的碳冷却到室温，称取2g加到反应瓶里。

（2） 把用品红溶液润湿的滤纸条贴在反应瓶的内壁上，接着在橡胶塞上面插入一根带有气球的导管，实验装置如图3所示。

（3） 用量筒量取4mL浓硫酸加到反应瓶里，将二氧化碳传感器放到反应瓶里，打开Vernier Logger Pro软件，设置好参数后点击采集按钮，软件显示二氧化碳浓度值。

（4） 待数据稳定后，再把反应瓶放到预先装有沸水的烧杯中，电脑实时采集二氧化碳浓度的变化状况，待数据稳定，停止采集。最后将碱性溶液加到反应瓶里，进行尾气等的吸收处理。

3.3.3 实验现象

（1） 品红滤纸条由红色慢慢褪为无色，反应瓶中有水雾生成，气球慢慢变大，反应的化学方程式为：C+2H2SO4（浓）△CO2↑+2SO2↑+2H2O。

（2） 反应瓶内二氧化碳的浓度变化如图4所示。200s后二氧化碳浓度不断上升，说明该反应有二氧化碳气体生成，体现了浓硫酸的氧化性。

3.3.4 有关说明

（1） 反应瓶未放入沸水以前，没有CO2产生，由此说明，加热条件对该反应的重要性，进一步验证了蔗糖脱水反应放出的热量为浓硫酸进一步氧化脱水产生碳提供了条件。

（2） 若想尽快看到二氧化碳浓度的变化，可以预先水浴加热发生装置内的浓硫酸，再加入适量的碳，然后检测产生的二氧化碳浓度的变化。

3.4 实验注意事项

（1） 浓硫酸具有强烈的腐蚀性，在实验过程中需要戴上橡胶手套小心操作。

（2） 实验配制的品红溶液和酸性高锰酸钾溶液的质量分数分别是0.01％和0.05％，品红滤纸条褪色较慢，浓度要更低些，酸性KMnO4滤纸条褪色速度较快。

（3） 浓硫酸脱水性实验中的温度传感器也可以改为CO2传感器，但需注意反应过程中产生的CO2过量，可能会超出CO2传感器的量程。

3.5 实验总结

（1） 本实验最大的创新点是对蔗糖与浓硫酸反应在保留良好观赏性和展示效果的基础上进行改进和创新设计，在表现浓硫酸脱水性的同时体现其氧化性。

（2） 整个实验是在封闭的体系中进行，澄清石灰水和钟罩既形成了一个密闭的反应空间，又可以对浓硫酸和蔗糖反应产生的二氧化硫气体及酸雾进行吸收，可谓一举两得。

（3） 利用废弃饮料瓶作为钟罩，将普通生活用品与化学实验联系到一起，具有易加工，易观察，易获取的特点。

（4） 使用注射器的目的有两个：一是注射一定体积的浓硫酸；二是平衡气压，防止反应激烈产生大量的热量，让体系中的压强增大，导致有毒气体和酸雾的逸出。

（5） 产物碳的利用。教材中一般用炭粉或者木炭来研究浓硫酸和碳的反应，本文用浓硫酸和蔗糖反应生成的产物碳进一步探究浓硫酸的氧化性，实验成功率高，效果好，并节约实验药品。该碳还可利用做还原氧化铜的原料以及用作活性炭进行吸附性实验。

（6） 用水浴加热代替明火加热，防止出现浓硫酸暴沸的现象，使反应受热均匀，易于观察。

（7） 实验装置具有取材方便、制作简单、易于操作、现象明显、安全环保、能检测有毒气体的成分、可测温度及二氧化碳浓度的变化等诸多优点。

参考文献：

［1］阙荣辉， 熊言林， 马莉， 罗娜红. “黑面包”实验新设计［J］. 化学教育， 2008，（7）： 64～65.

［2］吳松原， 佟桧群， 高峰. 蔗糖与浓硫酸反应一体化实验的再改进［J］. 中学化学教学参考， 2017，（4）： 57～58.

［3］高飞. 浓硫酸使蔗糖脱水实验的改进与创新［J］. 化学教学， 2018，（6）： 67～69.

［4］王建芬， 齐俊林. 蔗糖与浓硫酸反应实验的新设计［J］. 化学教学， 2018，（2）： 73～75.

［5］刘宝国. 浓硫酸和木炭反应实验方案设计［J］. 化学教学， 2002，（6）： 12～13.

［6］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.