“黑面包”实验固态产物回收利用的研究

黄正翔 高倩倩

摘要：对高级中学教材中演示实验“黑面包”实验所生成的固态产物的回收及重新利用进行了探究。研究发现，洗涤干燥后的固态产物比实验室常用活性炭在重金属离子、有色离子和色素的吸附方面具有较高的优越性。同时发现该固态产物具有较好的除湿效果，因此该物质在废水处理、冰箱和房间除湿等方面具有较高的实用价值，同时也实现了实验室废弃物的循环利用，符合绿色化学的理念。

关键词：“黑面包”实验；固态产物；回收利用；绿色化学

文章编号：1008-0546（2018）11-0082-04 中图分类号：G633.8 文献标识码：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2018.11.027

“黑面包”实验是高中教材中的演示实验 [1]。按照教材中的实验配比进行实验，现象明显，有较好的演示效果，但是产生较多的生成物，这些物质往往作为垃圾直接扔掉 [2]，反应中也会产生少量醚、烯烃等有机物 [3]及一氧化碳 [4]等气体 [5]，既造成原料和产物的浪费，也会导致环境污染。而且目前暂时没有较为有效的回收利用方法。

“黑面包”实验的生成固态产物主要成分是炭，密度很小，能漂浮于无水乙醇中 [6]，该产物松软多孔，对于某些金属离子及有色物质可能具有一定的吸附效果，因此本文重点对于其在離子、有色分子的吸附、除湿及催化能力方面进行了研究。

一、“黑面包实验”最佳配比探究

（1）实验试剂与仪器

烧杯，20mL量筒，浓硫酸（分析纯AR），蔗糖（分析纯AR），电子天平，蒸馏水，药匙。

（2）实验步骤

在通风橱中进行实验，使用电子天平称量不同质量的蔗糖固体，加入一定量的蒸馏水，再加入浓硫酸，搅拌均匀，静置片刻观察实验现象。具体实验数据及实验现象如下所示（见表1、图1）。

研究过程中发现：实验1过程中会产生较大量刺激性气体，而实验4则几乎没有发生膨胀，实验2和3也是目前高中教材中推荐的配比，该配比具有比较明显的实验现象，可以起到较好的演示效果，同时与实验1相比药品用量较少。具有实用性，且用量越多膨胀所需的时间越久。

在后续实验中，也继续采用了以上前三次实验所产生的固态产物作为实验原料。

二、固态产物预处理

为避免固体中残留的多种磺酸影响实验结果，笔者对实验固态产物进行洗涤与干燥。

将以上实验得到的固态产物用40℃温水和无水乙醇交替洗涤，除去可溶性杂质及部分有机物，并过滤。由于固体颗粒较大，采用将纱布覆盖在烧杯上的方法进行过滤，取下固体颗粒放入烘箱，在80℃的温度下烘烤2小时，在实际中晒干即可。（见图2）。再将其倒出置于表面皿上。

三、固态产物燃烧测试

用镊子夹取一块经洗涤、干燥、冷却处理后的固态产物，放在酒精灯上进行燃烧实验。固态产物炭在接触到外焰的瞬间开始燃烧，由于固态产物上有酒精的残余，刚开始燃烧时火焰呈淡蓝色，其后又产生橙色火焰。将产物炭从酒精灯上移开，放入烧杯内，用小纸条靠近固态产物，纸条立即燃烧，说明固态产物在离开酒精灯后仍在燃烧。

选取未经洗涤干燥的固态产物，进行同样的实验步骤，实验结果、现象一样。通过对比实验说明：“黑面包”实验中的固态产物可燃性很强，燃烧效率高，实验效果明显。这一现象与其疏松多孔的结构密不可分。较大的比表面积也为其吸附性能提供了可能。

四、固态产物吸附性能探究

1.对Fe3+、Cu2+、MnO-4吸附能力

该固体产物硬且疏松多孔的结构可能具有较好的吸附效果，通过对比实验室常使用的活性炭（符合HG3-1290-80标准）与固态产物对Fe3+的吸附效果，具体内容如下表2、图3所示。

由上述实验可以发现，黑面包实验的固态产物相对于实验室常用活性炭对于Fe3+的吸附方面更加优越。为进一步研究固态产物对Fe3+吸附方式是化学吸附还是物理吸附，因此向实验吸附后的FeCl3溶液中加入双氧水，发现溶液由浅黄绿色（Fe2+）变成红棕色（铁的过氧衍生物 [7]）。静置片刻，最终液体颜色较吸附后黄色加深（重新变成Fe3+）（如图4所示）。可推断固态产物炭在吸附过程中将Fe3+还原成了Fe2+。由此可知，固态产物除了吸附性之外，还具有良好的还原性。溶液中的Fe3+的减少能保护下水管道不被腐蚀，这对于回收废水中含有的Fe3+具有较高的应用价值。

对于MnO-4吸附，固态产物明显更加高效，具体实验现象及结果如下图5，表3所示。

2.对有色分子的吸附能力的对比实验

化学实验室中有时会产生某些有害物质，例如，氯气性质演示实验中剩余的氯气等（图6），难以储存，需要及时处理。实验中取1.01g固态产物放入盛有Cl2的集气瓶中，塞上塞子，振荡，气体略微变浅，但整体颜色变化较不明显。在对于相同浓度的亚甲基蓝溶液的吸附中固态产物吸附效果较好（如下图7）。

对有色单质碘单质的吸附能力的对比实验（见表5）。

从上述实验结果可知，固态产物比实验室常用活性炭更能有效地吸附Fe3+，可用于实验中废水处理，以减少重金属污染并保护金属管道。固态产物炭对氯气有一定吸附效果，可通过长时间放置，以吸收实验室内的氯气，净化环境。此外，固态产物具有吸附有机色质的能力，可用于脱色处理一些实验过程中产生的有色废液，减少环境污染。

此外，由其对氧化剂吸附性较好，也能得出其强还原性的特点。

3.吸水性实验探究

（1）实验过程

取3个干净的150mL锥形瓶，向其中分别加入相同质量的固态产物、活性炭颗粒、活性炭颗粒研磨而成的粉末。将锥形瓶塞紧，并插入相对湿度传感器，采集数据制作前150秒图像（图8），记录310秒时锥形瓶湿度，具体实验结果如下表6、图9所示。根据实验得出的除湿效率与效果，得到固态产物的除湿性好坏。实验中使用的活性炭是一般实验室常用的。

（2）实验数据分析

结合以上图表可以发现，三条吸附曲线整体变化趋势相同，一开始斜率很大，后逐渐趋于平缓，对比发现说明固态产物吸附效果十分迅速，大约90s后吸附已接近饱和。活性炭颗粒和活性炭粉末吸附曲线变化始终十分平缓，斜率很小且斜率变化不明显。活性炭颗粒和活性炭粉末吸附曲线在开始90s时间内斜率变化明显小于固态产物吸附曲线。100s后，三者对水蒸气的吸附都接近饱和，故下降趋势都变缓慢。活性炭粉末吸附效果略优于活性炭颗粒，由于研磨之后的活性炭与水蒸气接触面积较大，故而吸附效果相对较好。比较三者湿度初值与终值的差值，我们不难发现，不论是活性炭颗粒还是活性炭粉末，其对密闭空间中水蒸气的吸附效果都比固态产物差很多。

因此在较长时间内除湿效果：固态产物炭>活性炭粉末>活性炭颗粒。并且我们可以发现固态产物有能力将密闭容器中的相对湿度降至比外环境更低的值，如果将其直接露置于与空气湿度接近的密闭空间中时，想必效果会很好。

在较短时间中三者的除湿效率：固态产物炭>活性炭（颗粒与粉末差距不大，据两者的效果好坏推测，因为相同时间粉末效果好，时间相同，效率与效果呈正相关，所以粉末>颗粒）。如此以来，我们不难发现，经洗涤的大量固态产物炭是能对冰箱、橱柜，甚至对房间有效除湿，之后还能用于处理废水。这样固态产物炭的利用率有所提高。实现了量大高效的回收利用。

五、催化效果探究

研究比较固态产物，活性炭与MnO2对双氧水分解的催化效果，具体内容如下表7，图10所示。

以上实验说明固态产物并不能对双氧水分解进行良好的催化，但是对于某些有机反应具有较好的催化效果 [8]。另一方面，一般的活性炭却可以进行催化，且具有较好的催化效果。活性炭有良好的吸附性是因为比表面积较大，而固态产物炭的形成如同玄武岩的形成过程——结晶过程短，结晶颗粒大。然而这两者结构完全不同，才导致了性质上完全的不同。

从结果来看，固态产物完全有能力处理含有某些特定离子的废水、废气，并能有效除湿。

六、研究结论

通过对比实验探究了固态产物的吸附性、除湿、催化作用。发现其在废水处理、吸附色素，去除湿气方面的良好效果，当然其吸附具有一定的选擇性。可以运用在实验室废水处理，冰箱、橱柜除湿等方面。虽然其在催化过氧化氢分解方面效果不理想，但是拥有良好的还原性，在吸附过程中能将Fe3+还原成Fe2+，还可将其应用在一些金属氧化物的还原等方面。

研究对近年倡导的“绿色化学”理念进行了较好的诠释，达到了对“黑面包”实验产物有效、充分利用的研究目标。同时，这一实验也给予其它废弃物的回收利用，提供很好的借鉴作用，促进实验室废弃物的综合利用，达到药品利用效率的最大化。当然由于条件限制，本实验未对产物的化学本质、物质结构进行研究，将在后续的实验中进一步探索。

参考文献

[1] 姚子鹏.高级中学课本化学高中一年级第二学期[M].上海：上海科技出版社，2007：15

[2] 曾华，唐元会.浓硫酸的脱水性——“黑面包”实验的改进[J].中学化学教学参考，2016（6）：22

[3][8] 阳志高，易富饶，隆坤明，等.“黑面包”实验废弃物催化乙酸乙酯合成的探究[J].化学教与学，2011（1）：72-73

[4] 孙志宽.蔗糖被浓硫酸脱水有一氧化碳产生[J].化学教育，1984（4）：31-32

[5] 吴敏，马宏佳.新“黑面包”实验[J].化学教学，2004（1-2）：16

[6] 张玉敏，李海建.用新“黑面包”的产物还原氧化铜的实验研究[J].教学仪器与实验，2006，22（8）：28-29

[7] 申泮文，曾爱东.无机化学丛书第九卷[M].北京：科学出版社，2011：202