基于数字化实验对浓硫酸特性的一体化探究

王旭斌

摘要：创新设计浓硫酸与蔗糖的“黑面包”实验装置，利用湿度传感器与二氧化碳传感器实时监测密闭实验装置内相对湿度以及二氧化碳浓度的变化，通过宏观辨识、微观探析、曲线分析的三重表征方式，一体化探究浓硫酸的特性及“黑面包”实验的产物。

关键词：湿度传感器;二氧化碳传感器;浓硫酸特性;一体化

文章编号：1008-0546（2020）01-0082-04 中图分类号：G633.8 文献标识码：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2020.01.023

《普通高中化学课程标准（2017版）》明确指出，“常见的无机物及其应用”这一必修主题中，“不同化合价含硫化合物的转化”为学生必做实验。因此“浓硫酸的特性探究”依然是高中生学习元素及其化合物知识的必备实验，而我们知道浓硫酸与蔗糖的“黑面包”实验是一经典实验，它不仅可以让学生留下深刻的印象，同时可帮助学生理解浓硫酸的相关重要性质及培养学生实验探究的科学思维。

现行人教版和苏教版对于“黑面包”实验操作方法都有介绍，人教版：在烧杯中放入蔗糖，滴入适量水，搅拌均匀，然后再加入浓硫酸，迅速搅拌，观察实验现象Ⅲ。苏教版：取2g蔗糖放人大试管中，加2～3滴水，再加人约3mL浓硫酸，迅速搅拌，然后塞上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。而对于以上两种设计方案许多老师提出了不足。基于原有的實验方案，老师们纷纷做出了改进与创新。如王建芬、齐俊林研究的“蔗糖与浓硫酸反应实验的创新设计”，在人教版实验的基础上，利用废弃的可乐瓶、水槽和分液漏斗设计了一套环保的“黑面包”实验装置，如图1;陈益、徐守兵研究的“浓硫酸系列性质实验的一体化和绿色化设计”，在苏教版实验基础上，将大试管与球形干燥管结合，在干燥管内自下而上分别加入了含品红的脱脂棉、湿润的蓝色石蕊试纸和含氢氧化钠溶液的脱脂棉来检验“黑面包”实验的生成物及尾气处理，装置如图2;吴松原、佟桧群等研究的“蔗糖与浓硫酸反应一体化实验的再改进”利用100mL的三颈烧瓶、环形玻璃搅拌棒、医用玻璃瓶、软胶管及相应的试剂设计了一套密封、环保的“黑面包”的形成及产物一体化检验装置，如图3;何婧、乔金锁等研究的“蔗糖与浓硫酸反应实验的改进及反应产物的定性检测”，以及高飞研究的“浓硫酸使蔗糖脱水实验的改进和创新”，装置设计上有共性：密封体系，药品用量少，注重环保，产物的确认及性质检验完整，如图4与图5。

从以上不同的“黑面包”实验设计不难发现，证明了浓硫酸脱水性和强氧化性的同时，围绕节能（微型、药品少）、环保（尾气处理）及产物的验证（直观、方便）等角度进行创新设计，从而优化了教材中的原有方案。然而，所有“黑面包”改进实验中并没有证明浓硫酸吸水性，而且都是局限于传统实验仪器和实验方法的改进，缺乏现代传感技术和计算机的应用，难以提高学生的信息素养。那么，在“黑面包”的实验过程中，浓硫酸的吸水性如何验证呢？房寿高研究的“浓硫酸性质实验的整合创新设计”给了笔者很好的提示：“他利用往两支小试管中‘哈气使试管内壁起水雾而变得模糊，然后往其中一支试管中滴加浓硫酸后对比两试管模糊度，发现滴加浓硫酸的试管因浓硫酸吸收了水雾使管壁变得清晰，从而说明浓硫酸的吸水性。”这一设计非常巧妙，让笔者认识到在“黑面包”实验过程中加入浓硫酸时周围的水蒸气被浓硫酸吸收从而导致空气湿度下降，只不过湿度的变化肉眼不能识别，因此传统的“黑面包”实验中浓硫酸的吸水性才避而不谈。那我们能否参考房老师的实验方法来检验浓硫酸的吸水性从而实现三大特性一体化探究呢？经过尝试，笔者发现，“哈气”起雾受到周围环境温度的影响，温度较低时水雾保留较久，而温度高的时候，水雾很快就消失了，方法还是存在缺陷。那么，有没有更好的方法或技术来证明空气湿度的变化呢？基于对数字化实验的了解，笔者联想到了“相对湿度传感器”，它可以检测出空气中细微的湿度变化，正好符合实验要求。因此，笔者结合数字化实验，设计了利用湿度传感器以及二氧化碳传感器来辅助探究浓硫酸三大特性的创新实验方案，达到了通过凸显“黑面包”实验的宏观现象及曲线表征来一体化证明浓硫酸吸水性、脱水性和强氧化性的目的。

一、实验目的

创新实验仪器结合现代传感器技术（湿度传感器以及二氧化碳传感器）探究浓硫酸的“黑面包”实验，通过宏观辨识、微观探析和曲线分析三重表征的方式理解浓硫酸的吸水性、脱水性、强氧化性以及“黑面包”实验的产物。

二、实验部分

1.药品与试剂

98.3%的浓硫酸，蒸馏水，蔗糖，0.01mol·L^-1酸性高锰酸钾溶液，浓氢氧化钠溶液。

2.仪器

朗威DISLab8.0湿度传感器、二氧化碳传感器、数据采集器、铁架台、磁力搅拌器、搅拌磁子、150mL改装三颈烧瓶（瓶底有小凹槽）、塑料胶管、50mL小烧杯、10mL注射器、30mL注射器、鲁尔管（耐酸、碱）、试管刷、碾钵。

3.实验装置，如图6

4.买验步骤

（1）添加药品

如图6所示，将搅拌磁子置于三颈烧瓶凹槽处，滴加两滴蒸馏水，再加入约2g碾磨过的蔗糖于三颈烧瓶凹槽处，取一支10mL注射器抽取约3mL浓硫酸，取两支30mL注射器，其中一支抽取约3-5mL稀酸性高锰酸钾溶液，另一支抽取20mL浓氢氧化钠溶液备用。

（2）搭建装置

三颈烧瓶用铁架台固定，置于磁力搅拌器正上方，装有浓硫酸与酸性高锰酸钾溶液的两注射器分别通过鲁尔管和针头固定于胶塞上，胶塞塞人中间瓶口，二氧化碳传感器、相对湿度传感器分别与三颈烧瓶两侧瓶口相接，传感器通过数据采集器与电脑相接。

（3）实验操作

打开朗威DISLab8.0软件，点击通用软件，软件显示三颈烧瓶内二氧化碳浓度及空气湿度值，待数据稳定后，点击曲线显示，电脑实时采集二氧化碳浓度及相对湿度的数值变化;打开鲁尔管开关，将浓硫酸加入三颈烧瓶中，观察蔗糖颜色变化及相对湿度变化，同时打开磁力搅拌器开关，快速搅拌2～3秒，继续观察蔗糖变化以及二氧化碳浓度和相对湿度变化;待数据稳定，停止采集，抽取适量烧瓶内的气体于酸性高锰酸钾的注射器中观察溶液颜色变化;最后将浓氢氧化钠溶液利用注射器加入三颈烧瓶中，进行气体绿色处理。

三、实验条件控制和结论

1.反应条件的控制

（1）蔗糖、蒸馏水与浓硫酸的用量

本实验选择碾成粉末状的蔗糖2g，98.3%的浓硫酸3mL以及2滴蒸馏水进行实验。首先，本着节约、环保的原则能确保“黑面包”形成;其次，药品用量过多会导致密闭体系内气体浓度过大使传感器数据显示延后或超出量程，甚至损坏传感器。

（2）三颈烧瓶的改装

由于实验取用的蔗糖和浓硫酸的量比较少，若直接在原装的三颈烧瓶中用磁力搅拌磁子，蔗糖与浓硫酸的混合物容易散开，不易聚热，难以形成“黑面包”。因此，三颈烧瓶底部高温烧制出一凹槽，搅拌磁子和2滴蒸餾水恰好在凹槽处，再加入蔗糖、浓硫酸搅拌，热量自下而上使“黑面包”更易形成。

2.结果分析

（1）浓硫酸脱水性探究结果如图7。

宏观辨识：白色到黑色，脱水碳化，说明浓硫酸具有脱水性。

（2）“黑面包”实验产物SO2探究结果如图8。

宏观辨识：紫红色酸性高锰酸钾溶液褪色，说明有还原性的SO2气体生成;

微观探析：硫元素化合价从+6降到+4价，说明浓硫酸有得电子的能力，因此具有氧化性。

（3）数字化探究“黑面包”实验中三颈烧瓶内相对湿度和二氧化碳浓度，结果如图9。

曲线分析：40s到70s相对湿度开始下降，说明水蒸气浓度下降，浓硫酸有吸水性，80s后二氧化碳浓度不断上升，说明“黑面包”实验有二氧化碳生成;而70s后相对湿度又上升，说明体系中水蒸气浓度上升。综合分析，水蒸气来源主要有两个：一是浓硫酸使蔗糖脱出的水受热蒸发;二是碳和浓硫酸反应生成二氧化碳和二氧化硫的同时还生成了水蒸汽。

四、实验创新与反思

1.创新点

（1）用三颈烧瓶代替教材中的大试管作为“黑面包”实验发生装置，三颈烧瓶底部高温烧制出凹槽（作用：放置搅拌磁子），搅拌磁子代替玻璃棒搅拌，保留经典“黑面包”的同时，加料、气体检验及尾气吸收都在密闭装置中进行，绿色环保。

（2）用湿度传感器、二氧化碳传感器实时检测烧瓶内空气湿度及二氧化碳浓度的变化，直观反映浓硫酸的特性及“黑面包”实验的产物。

2.反思

以教育信息化带动教育现代化，是我国教育事业发展的战略选择。信息技术与学科教育的深度融合是中学教学的突破口，将“数字化实验”引入高中化学教学，成为当前改进中学实验教学的新趋势。因为数字化实验实现了实验手段的数字化、测量呈现实时化、现象规律可视化、操作测量简单化，解决了传统实验中只能定性不能定量，即使定量却又无法呈现过程的状况，所以数字化实验在保留传统实验的基础上超越了传统。而学生通过利用传感器技术对化学实验的探究，不仅提高了信息技术的能力，而且能够很好激发创新思维，是当前新课改“核心素养”教学的有效途径。