基于STEM理念的“浓硫酸与蔗糖反应”装置改进

林宝

摘   要：人教版化学教材（必修第二册）“浓硫酸与蔗糖反应”实验会产生污染性气体，在烧杯中进行，存在一定的不足。基于STEM理念，对此进行了装置改进，通过实验验证，实验装置的改进达到预期目的，基本达到了微型化、绿色化、高效率等化学实验教学的要求。

关键词：STEM理念；实验创新；装置改进；浓硫酸与蔗糖反应

化学课程的STEM理念旨在以化学学科知识为主，以科学、技术、工程、数学等知识为辅，将各学科知识置于有趣多元的学习情境中[ 1 ]。实验教学是高中阶段化学课程的重要组成部分，不仅可调动学生的积极性，更能以直观的实验现象，带给学生深刻的印象。在帮助学生理解和掌握相关化学知识的同时，更能够培养学生探究实践能力。

在高中阶段，大多数课本实验都属于常规型实验，还存在一些值得进一步思考的地方。在实验内容不超出高中知识体系的前提下，结合现实生活挖掘一些综合创新的实验项目，开展实验创新（包括装置改进创新），具有十分重大的意义。

人教版化学教材（必修第二册）中充满趣味性的“黑面包”实验——浓硫酸与蔗糖反应是高中化学的常见实验之一。通过实验可证明浓硫酸的脱水性和强氧化性，该实验会产生污染性气体，在敞口仪器——烧杯中进行，存在一定的不足[ 2 ]。本文基于STEM教育理念的指导，对浓硫酸与蔗糖反应的实验装置改进创新，以期达到更好的实验效果。

1  实验教学目标

通过“浓硫酸与蔗糖反应”实验验证浓硫酸的脱水性和强氧化性，并检验、吸收有毒尾气SO2，防止其污染空气。

2  改进、创新装置制作

2.1  材料

（1）实验材料：大试管，球形干燥管，两头带有橡胶塞的玻璃导管，量筒，胶头滴管，棉花，滤纸条，小气球，经改装的空饮料瓶。

（2）实验试剂：细砂糖，浓硫酸，蒸馏水，酸性高锰酸钾溶液，品红溶液。

2.2  制作方法

（1）找一个材质比较硬的空饮料瓶，剪去约1/3的瓶壁作为试管的支持装置。

（2）干燥管球泡中塞入一团浸有酸性高锰酸钾溶液的棉花，并在干燥管的粗管内壁上放置一片湿润的浸泡过品红溶液的滤纸，同时在干燥管的细管口处套上一个小气球。塞上带玻璃导管的橡胶塞，用于检验、吸收尾气。

2.3  创新的实验装置

改进、创新的实验装置如图1所示，该装置设计微型化，实验现象明显，密闭体系使有毒气体能被吸收处理。装置如图1所示。

3  新实验装置器材改进要点

（1）为了减少本实验有毒气体的产生，反应发生装置由原来小烧杯改成大试管，试剂用量大大减少，且实验现象明显。具体用量为5 g细砂糖、5滴蒸馏水、2.5 mL浓硫酸。符合化学实验教学微型化的要求。

（2）实验产生的气体导入干燥管中，用浸泡过品红溶液的湿润滤纸条检验气体产物中的SO2，并用浸泡有酸性高锰酸钾溶液的棉球吸收处理SO2，防止污染空气。剩余尾气主要含CO2和极少量SO2，最后用气球收集。由于本实验在密闭体系中进行，在保证气密性良好的前提下，有毒气体可以尽可能被吸收处理，操作过程未闻到刺激性气味，不危害师生健康，不污染环境，符合绿色化学的思想。

（3）本实验采用一个材质比较硬的空饮料瓶，剪去约1/3的瓶壁（朝向学生，便于学生观察“黑面包”实验的现象），作为试管的支持装置。材料环保，取材便利，制作简单，操作方便。

（4）将蔗糖改为颗粒更小的细砂糖，可以達到增大接触面积，提高反应速率的目的，在加入浓硫酸前滴加几滴蒸馏水能使体系温度明显升高，无需使用玻璃棒搅拌，而碳化膨胀效果明显。符合化学实验教学高效率的要求。

4  实验教学过程

（1）向大试管中加入5 g细砂糖，用胶头滴管滴加5滴蒸馏水，轻轻摇动几下大试管，再使用量筒向蔗糖中加入2.5 mL浓硫酸，然后迅速塞紧连接干燥管的橡胶塞，将装置放入处理过的空饮料瓶中，观察实验现象。

（2）实验现象（见图2 ）。

①细砂糖先变黄后变黑，并逐渐膨胀，说明蔗糖脱水生成碳。

②试管内壁出现大量水珠，说明反应放出大量的热。

③干燥管内壁上品红滤纸条褪色，说明生成的气体中有SO2。

④干燥管球泡中的棉球大部分褪色，说明生成的SO2被酸性高锰酸钾溶液吸收。

⑤气球慢慢鼓起，收集到剩余尾气（主要含CO2和极少量SO2）。

5  实验教学评价

在教材中，该实验仅用图示方式展示了浓硫酸与蔗糖反应的实验现象，目的是减少污染性气体对环境的影响。现通过仪器创新改进，采用密闭装置，并通过多次实验研究，对这一实验做了相关改进，能避免其负面影响。

本次实验装置改进多角度渗透STEM理念，一方面体现科学理念和数学理念，利用化学定量实验技能和定量思想，以更少的实验剂量实现同样明显的实验现象。另一方面体现工程技术思维，在装置改进设计、制作、组装，操作等方面，都需要相当的工程技能和创新精神。本实验装置改进，能够更好地培养学生的创新思维、实践能力以及综合素养，促进师生探究能力的提高，也为STEM教育提供了实验素材。

总的来说，通过实验验证，仪器创新改进达到预期目的，基本达到了微型化、绿色化、高效率等化学实验教学的要求[ 3 ]。改进后的实验装置能反复使用， 教学效果明显改善，能促进师生实验探究能力的提高。

参考文献：

［1］ 伍军. 基于STEM理念的高中化学实验设计研究[J]. 中学课程辅导， 2020（5）：18-19.

［2］ 白永丽，余新红. “黑面包”实验的改进[J]. 花炮科技与市场， 2020（3）：293.

［3］ 盛春玲. 浅谈高中化学创新实验的常见类型及其运用[J]. 中学化学教学参考， 2017（7）：43-44.