蔗糖炭化脱水实验的研究

陈举飞

关键词：问题前置;对比实验;反应物配比;充分搅拌

蔗糖炭化脱水实验，操作简单、现象明显，学生乐看、老师乐做。对该实验的深入研究、分析，能提高学生的探究能力和教师的实验教学能力。

教材提示的蔗糖与浓硫酸炭化反应实验操作过程是：在烧杯中加入一定量的蔗糖，再向蔗糖中滴入几滴蒸馏水将蔗糖润湿，然后通过玻璃棒向烧杯中加入一定量的浓硫酸，用玻璃棒充分搅拌[1]。

实验过程中，可以观察到：烧杯中的蔗糖晶体先由白色变黄色，再变棕色，接着变黑色;然后黑色混合物体积逐渐膨胀，最后形成一个“黑面包”，同时闻到刺激性气味。

实验完成后，学生常常会问：既然是蔗糖的脱水炭化，为什么还要在加浓硫酸之前加蒸馏水呢？我们老师常想：怎样操作才能让这个实验的速度更快、现象更明显、污染物排放更少呢？

一、探究加入蒸馏水的作用

对于“蔗糖的脱水反应为什么还要加蒸馏水？”的问题，我们可以采取问题前置的方法，把课后学生给老师的提问变成课堂上老师对学生的提问，引导学生通过自主探究，解决问题。

在演示实验结束，学生对实验操作流程和实验现象都有了充分的了解之后，老师向学生提出问题：不加蒸馏水实验会有什么变化？水在实验中起什么作用？让学生思考，设计实验方案，再进行实验验证。

学生设计的实验方案，大多都是增加一个只加蔗糖和浓硫酸，不加蒸馏水的实验进行对比，通过对比实验，探寻实验中加入蒸馏水的作用。在学生动手完成实验之前提醒他们，要从尽可能多的方面仔细观察实验现象（见表1）。

学生观察到两个实验的现象除了在是否生成“黑面包”上有明显的不同外，还在温度、产生气体多少两个方面也有明显的差距。进而引导学生思考——是什么原因造成了两个实验现象的差异呢？

通过独立思考、小组讨论，学生分析得出两个实验现象不同的原因是：加入适量的蒸馏水→增加浓硫酸稀释时释放的热量→升高反应混合物的温度→推动发生反应：C+2H2SO4（浓）△△ CO2↑+2SO2↑+2H2O，反应产生大量气体，使混合物体积膨胀，最后形成“黑面包”[2]。

在学生分析得出结论后，再引导学生进一步设计实验方案来验证他们的推测。经过思考，学生通常会呈现两种实验方案。

方案一：继续向实验二得到的盛有黑色混合物的烧杯中滴加适量的蒸馏水，观察实验现象。

方案二：将实验二得到的盛有黑色混合物的烧杯加热，观察实验现象。

学生分小组讨论，分析两种实验方案的优点和不足：方案一的操作比较简单，却忽略了这一过程中包含浓硫酸的稀释。稀释浓硫酸时，正确的操作是把浓硫酸倒入水中，不能把水倒入浓硫酸里面。方案二的操作相对复杂，但安全性高。自然地，选择方案二进行实验。

实验三：将实验二得到的盛有黑色混合物的烧杯加热，发现随着温度的升高，烧杯中逐渐产生大量气体，刺激性的气味逐渐浓烈，黑色混合物体积逐渐膨胀，最后也会变成“黑面包”。证明上述分析是正确的。

上述实验使学生对蔗糖的脱水反应有了更深的理解，但也容易使一部分学生形成：蒸馏水有帮助浓硫酸使蔗糖发生脱水反应的作用。因此，有必要继续追问学生：蒸馏水对蔗糖在浓硫酸作用下发生脱水反应有帮助吗？最后引导学生明确：蔗糖的脱水反应不需要蒸馏水，但蒸馏水能起到加快反应速率、使实验现象更明显的作用。

该实验探究的开展，需要以浓硫酸与碳发生氧化还原反应的知识作基础。因此，在教学内容的呈现顺序上，要先学习浓硫酸的氧化性，后学习浓硫酸的脱水性，学生对演示实验的分析、探究实验的设计才有支撑。

二、探究适宜的实验条件和实验操作

对于我们教师更多关注的“怎样操作才能让这个实验的速度更快、现象更明显、污染物排放更少？”等问题，需要不断探索、反复试验，才能确定适宜的实验条件和合理的实验操作。表2是部分实验结果。

通过上述对比实验，可以发现：蔗糖的质量相同时，（1）加入蒸馏水越少，蔗糖晶体由白色变黄色，再变棕色，最后变黑色的过程越清晰;加入蒸馏水越多，蔗糖晶体由白色变黄色，再变棕色，最后变黑色的过程越快速，蒸馏水过多时，一加入浓硫酸混合物立即变为黑色，不利于学生观察、理解蔗糖的脱水过程。（2）加入的蒸馏水越多，混合物体积膨胀越大、速率越快，逸出的刺激性气体也越多。（3）加入浓硫酸过多时，混合物的体积膨胀反而较小、产生“黑面包”速率较慢。

综合来看：一般选择50 mL烧杯、20 g蔗糖、10滴蒸馏水、15 mL 98%浓硫酸来完成这个实验比较适宜。既能清楚观察到烧杯中的蔗糖晶体由白色变黄色，再变棕色，最后变黑色的过程，又有较快的“黑面包”生长速率，能够满足课堂演示的要求。实验过程中刺激性气味很轻，具有污染物排放较少的优点。实验结束后，向烧杯中缓慢加入适量稀碱溶液，就能较好消除实验残余物的污染。

在反复多次的实验中笔者还注意到，即使反应物的配比完全相同，实验现象有时还是有明显的差异。搅拌时间越长，“黑面包”反而生长得越慢、体积越小。特别是当加入的水量较少时，不停的搅拌，只能在烧杯中看见小的气泡，烧杯中黑色混合物的体积几乎不会膨胀，也就没有黑面包生成[3]。这与我们已有的认知：快速不停的搅拌能使反应物混合更充分、接触面积更大，能加快反应速度相矛盾——原因是快速不停的搅拌增加了熱量的散失，反而不利于温度上升（特别是加入的水量较少时，浓硫酸稀释释放的热量本来就少），影响了碳与浓硫酸的反应。

当加入的水量较多时，不需要搅拌反应物已能自动混匀，反应速率已经较快，搅拌反而让“黑面包”的结构变得疏松不均匀，逸出较多的气体污染物，有害师生健康，也不利于环境保护。合理的操作是：蔗糖、水、浓硫酸按适当比例混合后，用玻璃棒稍加搅拌，混匀之后即停止搅拌，静置，混合物体积逐渐膨胀，且速度越来越快，很快就会充满烧杯。回头再读教材上的操作提示：“充分搅拌”而不是“不停搅拌”，就是让反应物混匀即可。描述简练准确，需要我们认真领会。

夏天和冬天，环境温度相差比较大，反应物的量相同，实验现象也有明显差异。冬天环境温度低，要适当增加蒸馏水的量。