“绿色”的黑面包实验
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[摘要]设计“1+3+1”的密闭实验装置，对人教版普通高中课程标准实验教科书化学必修1中的“黑面包实验”进行改进。结果表明，采用3～4g蔗糖、3mL浓硫酸以及5～8滴的蒸馏水反应，黑面包现象明显，尾气验证效果较好。改进后的装置操作方便，实验现象明显，且通过尾气处理有利于师生健康，符合绿色化学教育理念。
[中图分类号]G633.8 [文献标识码]A [文章编号]1674-6058（2017）05-0103-02
在B瓶中可观察到，品红溶液中有气泡产生，说明有气体产生，同时可观察到品红溶液褪色，表明反应产物为SO2气体，因为SO2与水生成亚硫酸与品红生成无色的络合物，造成褪色的现象；C瓶中高锰酸钾溶液褪色，说明SO2具有还原性；D瓶中澄清的石灰水变浑浊，证明气泡中夹杂着CO2气体，即黑面包反应产物中有CO2气体。通过3个性质检验装置，可观察到浓硫酸脱水性实验过程中产生了SO2和CO2气体。此过程可从产物方面反推实验原理，有利于学生加深理解。
二、实验注意事项
1.黑面包反应器的选择
图2为传统实验装置图，存在装置敞口、无检验装置、无尾气处理的问题。对该反应装置进行改进时，曾选择试管作为实验装置，但试管作为反应器时，由于底部过于狭小，反应物间未能充分接触，故可观察到蔗糖残留，说明反应不完全，同时黑面包生成量较小，实验效果不佳。因此，改用圆底烧瓶作为反应器，其圆形底部增大了反应面积，促进了蔗糖、蒸馏水和浓硫酸三者充分接触，黑面包现象非常明显，便于观察。同时，将实验装置设计成集发生、检验、吸收于一体的密闭装置，使得实验流畅，可看性强。
2.浓硫酸的用量
如图1所示，圆底烧瓶容积一定，若黑面包生成体积过大，会堵塞上部分气体通道，因此有必要通过浓硫酸的用量来控制反应物的生成量。分别量取1 mL、2mL、3mL、4mL、5mL的浓硫酸与5 g蔗糖于200mL圆底烧瓶中反应，测量“黑面包”上升高度，以确定浓硫酸的最佳用量。
结果显示，浓硫酸为3 mL时与蔗糖反应现象明显，“黑面包”约占圆底烧瓶体积的2/3。当浓硫酸超过5mL时，浓硫酸过量，反应剧烈，气体迅速放出，瞬时压强差过大，容易发生意外。浓硫酸是具有强腐蚀性的强酸溶液，对环境危害较大。因此，在实验现象明显的前提下，尽可能减少浓硫酸的用量，这样既可节约成本，又有利于环境保护。图1中使用针筒可以准确量取浓硫酸，既可减少人体直接接触的危险，又可利用快速加人浓硫酸时产生的冲力形成搅拌作用，有利于实验的顺利进行。
3.蔗糖的用量
浓硫酸具有强腐蚀性，对环境影响较大，而蔗糖成本低，对环境无害，因此也可考虑通过控制蔗糖用量来达到控制实验的目的。分别称量1 g、2 g、3 g、4 g、5g蔗糖与3 mL的浓硫酸反应，y量“黑面包”上升高度，考察蔗糖用量对反应的影响。结果表明，当蔗糖用量为3～4g时，蔗糖可铺满圆底烧瓶底部，有利于浓硫酸与蔗糖的充分接触，实验现象明显，效果好。
4.蒸馏水的用量
蒸馏水的用量是本实验的关键。黑面包实验是利用浓硫酸与水的稀释作用提供的热量来保障实验的顺利进行。按照本实验的用量，滴加5～8滴蒸馏水既可保证实验热量充足，又可保证实验最后黑面包膨胀疏松。若蒸馏水用量不足，稀释作用效果不佳，会导致实验的直接失败；若蒸馏水过量，最终得到黏稠糊状流体，就无法形成疏松的“黑面包”。通过实验验证加入6滴蒸馏水，实验效果最好。
6.尾气的处理
由于反应过程中有SO2和CO2废气产生，故为实验添加尾气处理装置，即采用氢氧化钠溶液吸收SO2和CO2废气。在E尾气吸收处，可观察到氢氧化钠溶液液面略微上升的现象，这是由于残留的SO2、生成的CO2气体被吸收，产生内外压强差所致，在此处设置倒置漏斗可防止溶液倒吸。
此装置既有力地保障了师生健康，又在课堂上渗透了环境保护教育，宣传绿色化学教育理念，有利于培养学生的环境保护意识。
三、实验结论
本实验采用“1+3+1”实验装置，在反应装置、检验装置以及吸收装置上对黑面包实验进行创新，同时可完成产物的制备、检验以及尾气处理，操作方便，实验现象明显。通过反应产物性质检验来反推实验原理，有利于学生对此部分内容加深理解。同时，对反应物的用量进行优化，3 mL浓硫酸、3～4 g蔗糖、5～8滴蒸馏水的实验用量效果较好，既有利于教师演示操作，又减少了药品用量，节约了成本。“绿色”黑面色实验是一个环境友好型绿色实验。