浓硫酸与蔗糖反应实验装置的改进

刘庭秀 曾春梅

摘要：  针对人教版教材及相关文献中“浓硫酸与蔗糖反应”实验装置的不足进行了探索和改进。利用定制的玻璃仪器、三通阀、注射器和塑料喷头等对该反应的实验装置进行了重新设计。改进后的装置实现了反应、产物检测和尾气处理的一体化，不仅具有操作简单、现象明显和安全环保等优点，还能有效终止有害气体的产生以及解决尾气吸收等问题。

关键词： 浓硫酸； 蔗糖； 黑面包实验； 實验改进

文章编号： 10056629（2024）04006803

中图分类号： G633.8

文献标识码： B

1  问题的提出

浓硫酸与蔗糖反应实验是验证浓硫酸具有氧化性和脱水性的重要实验，人教版教材（2019年版）中该实验的操作是在烧杯中放入蔗糖，滴入适量水后进行搅拌，再加入浓硫酸进行搅拌，观察实验现象［1］。教材所提供的实验方法操作简单、现象明显，能很好地让学生感受到“黑面包实验”的震撼效果。但教材中的实验存在以下不足之处：一是实验在敞开的烧杯中进行，反应产生的二氧化硫气体会污染教学环境，不符合绿色化学的理念；二是没有对反应产物进行检验，不能满足学生的探究心理；三是没有让学生感知到浓硫酸与蔗糖反应会放出大量的热量；四是未确定蔗糖与浓硫酸的用量，造成药品浪费。根据以上问题，对浓硫酸与蔗糖反应的实验装置进行了新的设计，既能保留明显的“黑面包实验”现象，还能对产生的气体进行检验与吸收。

2  相关文献简述

通过文献查阅发现，不少研究者对“浓硫酸与蔗糖反应”的实验装置进行了改进与创新，改进内容主要包括实验装置一体化、微型化和绿色化等方面。如王建芬等利用可乐瓶、分液漏斗和玻璃水槽等器材改进的实验装置［2］，实现了加料、反应和有害气体吸收三个操作过程的结合，但操作过程中用分液漏斗下端搅拌时，瓶塞很容易松动导致有害气体逸出，此外用可乐瓶罩在1000mL氢氧化钠溶液中，由于浮力的作用可乐瓶易倾倒而引起实验安全问题；高飞利用洗耳球、具支试管和多球干燥管等设计的一体化装置［3］，可检测二氧化硫的多种性质，实现了实验的微型化，但由于药品用量过少，实验现象很不明显，另外吸收尾气时，用洗耳球向装置中打入空气来排出残留的有害气体，但需要压入大量的空气才能消除残留气体；黄亚武等利用广口瓶、干燥管和气球等仪器设计了集反应、产物检测和尾气处理的一体化装置［4］，能同时完成浓硫酸的性质实验以及多种气体产物的检验，具有简约、易组装的特点，但气球中蘸有浓NaOH溶液的棉花球不能完全吸收装置中残存的二氧化硫，拆解装置时易造成环境污染；刘亚莉等借助温度及二氧化碳传感器测定了浓硫酸与蔗糖反应时温度的变化和浓硫酸与碳反应时二氧化碳浓度的变化［5］，但该装置组装复杂，贴在饮料瓶内壁上的品红滤纸条容易掉落从而影响实验效果。

上述改进虽然一定程度上改善了蔗糖与浓硫酸反应实验的教学效果，但仍然存在着不易操作、实验仪器难以获得和尾气吸收不完全等问题。为了解决实验中的不足，笔者做了新的改进。

3  实验方案

3.1  实验原理

（1） 蔗糖与浓硫酸反应：

C12H22O11浓硫酸12C+11H2O

C+2H2SO4（浓）CO2↑+2SO2↑+2H2O

（2） 二氧化硫和二氧化碳的检验：

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

CO2+H2OH2CO3

H2CO3H++HCO-3

（3） 二氧化硫、二氧化碳和浓硫酸的处理：

SO2+2NaOHNa2SO3+H2O

CO2+2NaOHNa2CO3+H2O

H2SO4+2NaOHNa2SO4+H2O

3.2  实验改进思路

利用图1（a）中的特制玻璃试管、图1（b）中的三通阀（接管口外径为3.2mm）和塑料喷头（接管口外径为4mm，工作压力为1.5～3.5kg，满足手动所提供的压力形成喷雾）组装新的实验装置（见图2）。经反复实践，

确定了蔗糖、浓硫酸和水的用量，保证“黑面包实验”的震撼效果。改进后的装置能检验反应产生的气体，及时终止有害气体的产生，确保有害气体被完全吸收。

3.3  实验仪器及试剂

仪器：铁架台、特制玻璃试管（带塞子）、三通阀、塑料喷头、20mL注射器、100mL烧杯、3段硅胶软管（内径4mm、外径6mm）、塑料卡扣、酒精灯、滤纸条（10mm×15mm）、托盘天平、药匙、镊子

试剂：蔗糖、98%浓硫酸、30%氢氧化钠溶液、0.01%品红溶液、0.05%高锰酸钾溶液、0.01%溴麝香草酚蓝溶液、蒸馏水

3.4  实验操作及现象

（1） 称量8.0g蔗糖加入特制试管中，注射器B吸取10mL 98%浓硫酸，注射器C吸取20mL空气，按图2所示连接仪器，用塑料卡扣固定硅胶软管与喷头、控制阀连接处。

（2） 检验装置气密性。旋转控制阀1，连通NaOH溶液与喷头。旋转控制阀2，连通注射器C与特制玻璃试管，用注射器C往装置内注入空气，若NaOH溶液中有大量气泡产生，说明装置气密性良好。

（3） 切断注射器C与特制试管之间的气流通道，往下推动注射器B，将浓硫酸全部注入试管中。

现象1：注入少量浓硫酸时，试管中混合物由白色逐渐变为黄色。随着试管中浓硫酸的增加，混合物快速从黄色→棕色→黑色。黑色物质的体积快速膨胀（约6cm高），试管内壁挂有大量水珠。

现象2：蘸有品红溶液的滤纸条由红色逐渐变为无色，蘸有高锰酸钾溶液的滤纸条由紫色快速变为无色，蘸有溴麝香草酚蓝溶液的滤纸条由蓝色逐渐变为黄色。

现象3：用手触摸试管外壁，感受到试管外壁发烫。

（4） 加热装有品红试纸的支管，品红试纸恢复红色。

（5） 终止二氧化硫的产生。当产生上述现象后，旋转控制阀1，连通注射器A与NaOH溶液，注射器A吸取20mL NaOH溶液。旋转控制阀1连通注射器A与特制试管，向特制试管中喷入NaOH溶液（既可以终止制气反应，又可以除去管中大部分气体）。

（6） 消除剩余二氧化硫。旋转控制阀2，注射器C吸取20mL空气后，旋转控制阀2连通注射器C与特制试管，注入空气将支管中的气体吹入特制试管中，重复操作（5）除去剩余气体。

4  实验说明

（1） 改进后的实验未进行搅拌，为促进反应的进行，开始实验前应将蔗糖研成粉状，并在称取后用少量蒸馏水润湿一下。

（2） SO2不会干扰溴麝香草酚蓝试纸的变色情况，溴麝香草酚蓝试纸由蓝色变为黄色，说明反应产生了一定浓度的CO2。

（3） 用于终止反应、消除剩余气体的NaOH溶液要足量。

（4） 特制玻璃试管的支管略向上倾斜，可避免喷淋而下的NaOH溶液污染试纸条，影响试纸的变色情况。

（5） 实验结束后，可以用玻璃棒轻松将产物带出，将疏松多孔的“黑面包”展示给学生观察。

5  实验改进的优点

（1） 装置简约，操作简单。改进后的实验装置实现了反应、气体检验和气体吸收的一体化，还可以应用到铜与浓硫酸反应的实验中，验证生成的SO2气体。该装置适用于学生分组实验，

不仅增加学生动手实验的机会，而且

让学生对浓硫酸的特性有近距离接触，从而提高学生学习和探究的兴趣。

（2） 现象明显，便于观察。一方面，向特制试管中注入浓硫酸，可清晰地观察到逐渐上升的多孔海绵状碳柱。另一方面，特制试管中产生的气体浓度大，三种试纸变色快，直觀地证明了反应产生的SO2和CO2气体，有效提升学生的实验兴趣和科学探究意识。

（3） 有益环保，安全性高。注射器、三通阀与喷头的配合使用，不仅可以及时终止反应继续产生有害气体，还能充分吸收特制试管中残留的有害气体，有利于培养学生的绿色化学观念和环保意识。

参考文献：

［1］王晶， 郑长龙主编. 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： 4.

［2］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.

［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］黄亚武， 姚亮发， 张贤金. 蔗糖与浓硫酸反应实验的一体化设计［J］. 化学教学， 2022， （10）： 68～71.

［5］刘亚莉， 吴霞， 刘茜等. 浓硫酸脱水性和氧化性实验的简易装置设计［J］. 化学教学， 2022， （10）： 75～78.