蔗糖与浓硫酸反应的最佳条件探究
孔令鑫 姜言霞
摘要：蔗糖与浓硫酸的反应是高中化学教材中证明浓硫酸的强氧化性和脱水性重要演示实验之一。但在实际操作中往往会因反应物物料比的不同而导致现象不明显甚至失败。文章主要探究了影响蔗糖与浓硫酸反应的因素，并通过对比实验探究出了蔗糖与浓硫酸反应的最佳物料比。
关键词：蔗糖；浓硫酸；最佳条件；影响因素；物料比
文章编号：1008-0546（2018）11-0089-04 中图分类号：G633.8 文献标识码：B
doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2018.11.029
一、问题的提出
高中化学教材中蔗糖与浓硫酸反应的“黑面包”实验，是验证浓硫酸的脱水性和氧化性的直观实验之一。人教版化学教材必修1指出：“蔗糖中加入浓硫酸时，蔗糖变黑，体积膨胀，变成疏松多孔的海绵状的炭，并放出有刺激性气体的气体。”教材只是简单描述实验现象，并未给出具体的实验步骤以及反应物的加入量，教师无法准确掌握反应物的物料比，使得蔗糖与浓硫酸的反应成功率降低。并且该实验受到诸多因素的影响，如若使用浓硫酸浓度过低，反应只产生黑褐色粘稠物，导致实验失败，无法观察到“黑面包”升起的现象 [1]。另外，教材中蔗糖与浓硫酸的反应在烧杯中进行，现象虽明显，但产生的二氧化硫污染环境，不符合绿色化学的理念。因此，蔗糖与浓硫酸反应的影响因素有哪些呢？采用何种物料配比实验效果最佳？这些问题成了本实验要研究的主要问题。
查阅相关文献可以发现，有关蔗糖与浓硫酸反应的实验主要分为三种。一种是从绿色化学的理念出发，改进实验装置以有效处理尾气。例如，针对教材中蔗糖与浓硫酸反应缺少尾气处理装置，不符合绿色化学的理念，王建芬 [2]等利用玻璃水槽、小烧杯、分液漏斗、可乐瓶等器材制作了蔗糖与浓硫酸反应的改进实验装置。改进后的实验装置实现了加料、反应和有害气体吸收三个过程的有机结合。陈纯 [3]等针对常规实验装置污染环境这一问题，利用连接止水夹的玻璃导管和气球对实验装置进行了改进，能够很好地收集气体并检验气体，符合绿色化学的要求。胡景刚 [4]利用生活中常见的大可乐瓶对反应装置进行了改进，并设计了搅拌装置，既保证了蔗糖与浓硫酸的反应在封闭体系中进行，又可以搅拌反应物以加快反应速率。针对教材实验在开放体系中进行，污染环境以及药品用量随意取用，导致实验成功率不高的问题，张震 [5]将反应容器改为试管，倒扣量筒于试管上方，利用滴有酚酞的氢氧化钠溶液來吸收尾气，解决了污染问题。另外，实验借助“半定量法”得出了蔗糖、浓硫酸和水的最佳用量。一种是通过改进实验装置检验产物的性质。另一种是通过改进装置，验证蔗糖与浓硫酸剩余反应物的性质。吴松原 [5]等利用三口烧瓶改进实验装置，使蔗糖与浓硫酸的反应在密闭装置中进行，并借助品红溶液、酸性高锰酸钾溶液、澄清石灰水等检验产物的性质。笔者认为三口烧瓶的底部球形，可以使蒸馏水自然渗透、润湿蔗糖，有利于反应的进行，提高实验成功率。文献也有少部分实验涉及蔗糖与浓硫酸反应的最佳条件的探究。研究主要是在改进实验装置的基础上，利用“半定量法”得出蔗糖、浓硫酸和水的最佳用量，缺少系统研究蔗糖与浓硫酸最佳实验条件的实验。
参考已有文献，并考虑到蔗糖与浓硫酸的实验本身放热，故本实验没有将反应温度作为探究因素之一，而将蔗糖类型（后通过对比实验排除）、加入水的量、浓硫酸体积、烧杯口径以及蔗糖质量作为探究条件。参照张媛媛 [6]的研究，本实验选取5mL浓硫酸，依次改变蔗糖用量，以测得浓硫酸与蔗糖反应的最大限度。在探究浓硫酸体积对实验的影响时，控制蔗糖质量10g，加入水的量为10滴，依次改变浓硫酸的用量从而探究出反应效果最佳的浓硫酸用量。本实验的研究目的是探究蔗糖与浓硫酸反应的最佳条件及最佳物料比，分析产生这种结果的可能原因。为了让学生更直观地看到生成的二氧化硫气体被吸收，该实验特别选用质量分数为0.5%的高锰酸钾溶液作为指示剂和尾气处理液。当观察到高锰酸钾溶液褪色时，说明二氧化硫与高锰酸钾发生了反应。
二、实验研究过程
1.实验原理
蔗糖与浓硫酸反应时由于浓硫酸具有脱水性，一部分氢氧元素从蔗糖分子中脱去，剩下的碳元素以单质碳的形式存在。加入水后，浓硫酸吸水放热，使得碳继续被氧化成二氧化碳，而浓硫酸自身被还原为二氧化硫。二氧化碳与二氧化硫气体大量溢出，将黑色碳块向上顶起。其中加入水的作用有两点，一是与浓硫酸反应放出大量的热，提高反应速率；二是增大蔗糖与浓硫酸反应的接触面积，因为在反应过程中生成的单质碳包裹在蔗糖周围，在一定程度上会影响蔗糖与浓硫酸的反应速率。
2.实验步骤
（1）向100mL烧杯（测定不同规格烧杯时需适当调整）中加入一定量的绵白糖或蔗糖（具体质量见后面的数据分析），并加入一定量的水（具体水量见后面的数据分析）。
（2）向100mL烧杯内加入一定量的98%的浓硫酸（具体的浓硫酸的量见后面的数据分析部分），一边加入一边搅拌。
（3）在反应后的烧杯上方快速罩上去掉瓶底的大可乐瓶，并将尾气通入到0.5%的高锰酸钾溶液中，待溶液开始褪色，尾气被完全吸收后撤去反应装置。
3.实验装置图
三、数据与分析
1.蔗糖种类
实验选取了5g的绵白糖和蔗糖以及10g的绵白糖和蔗糖进行对比，在100mL烧杯中，得到的数据记录如下（表1）。
由于绵白糖、蔗糖与白砂糖中蔗糖含量不同（蔗糖>白砂糖>绵白糖），且颗粒大小不同，蔗糖、绵白糖及白砂糖与浓硫酸反应生成的产物体积不同。考虑到绵白糖的易得性，本实验选用绵白糖进行实验。
2.绵白糖质量
通过表2和图1可以得出，浓硫酸体积为5mL，加入10滴水时，加入绵白糖越多，生成的黑色产物越高，反应效果越好，5mL浓硫酸最多可以反应掉35g绵白糖。
3.浓硫酸体积
实验选取了10g的绵白糖和10滴水，改变加入浓硫酸的体积进行对照实验，得出实验数据并记录如下（表3）：
通过对比实验现象我们可以得出：在绵白糖的量和加入的量不变的情况下，增大浓硫酸体积，黑色物质升起的高度先增大后减小。当浓硫酸体积为10mL时，反应生成的物质体积最大。此外，实验还发现，浓硫酸体积越大，生成的黑色物质气孔越大。蔗糖与浓硫酸的实验分成两步进行，第一步是浓硫酸将蔗糖中的水脱去，第二步碳与浓硫酸继续反应生成二氧化碳和有刺激性气味的二氧化硫。浓硫酸还具有吸水性，若加入浓硫酸过多，浓硫酸会因吸水而变稀，因而实验效果下降，加入过多浓硫酸生成的黑色物质反倒减少。
4.加水量
为了使实验现象对比更为明显，实验选取了10g绵白糖和5mL浓硫酸，通过改变加入水的量来设计对照实验。实验现象展示如下（表4）：
通过上述实验我们可以得出如下的结论：在加入水的量为5-40滴范围内，加入的水越多，黑色物质升起的高度先升高后下降，当绵白糖质量为10g，浓硫酸体积为5mL，加入20滴水时，产生的黑色物质最多。另外，随着加入水越多，反应速率加快。加水越多，浓硫酸与水反应放出的热量越多，加速蔗糖炭化反应的进行。但是加入水过多会将浓硫酸稀释，从而影响实验效果。
5.烧杯直径
本实验选取了50mL、100mL、250mL规格的烧杯进行对照实验，按照上述步骤向其中加入10g的绵白糖和5mL浓硫酸，并滴入10滴水进行实验，结果记录如下（表5）：
通过实验数据可以明显地看出烧杯口径越小，黑色物质升起的越高，产生的黑色物质体积越大，反应现象越明显。综合以上实验，可以发现，当使用50mL规格的燒杯时，加入绵白糖10g、浓硫酸5mL、水20d或者绵白糖10g、浓硫酸10mL、水10d时，实验现象最为明显。
6.物料最佳配比
在通过对比实验（表6）发现，绵白糖（g） ∶ 浓硫酸（mL） ∶ 水（d）之比为1 ∶ 1 ∶ 1实验效果更好，产生的黑色物质较多。在不同规格的烧杯中进行验证（见表7）发现该物料比实验成功率较高，且实验效果较好，在不同规格烧杯中黑色产物升起高度均较明显。
四、结果与讨论
本实验通过对照实验得到，影响蔗糖与浓硫酸反应的主要因素包括蔗糖的质量、浓硫酸的体积、加入水的量以及烧杯口径。浓硫酸在该反应中表现出脱水性和氧化性，实验结果表明加入浓硫酸过多，反应产物减少，且产物气孔变大。此外，加水的量对该实验也有一定影响，加水过少反应放出的热量无法为蔗糖的炭化反应提供足够的热量，加水过多则会稀释浓硫酸从而导致实验现象不明显。通过控制变量，本实验得出蔗糖与浓硫酸反应的最佳物料比是蔗糖（g） ∶ 浓硫酸（mL） ∶ 水（滴）=1 ∶ 1 ∶ 1，按照这种配比进行实验，得到的实验效果最好。本实验虽通过对照实验得出了蔗糖与浓硫酸的最佳条件，但是实验变量控制不够严谨，例如无法严格控制搅拌的速率，导致实验数据可能存在一定误差。此外，反应生成黑色物质的时间只是定性的描述，没有测量确切的反应时间。另外，为了追求实验的直观性，浓硫酸用量较多，未考虑节约药品这一问题。以上问题将在后续的实验中继续改进。
参考文献
[1] 张亚萍，廖钫.浓硫酸脱水性实验的优化与改进[J].中学化学教学参考，2017（10）：54
[2] 王建芬，齐俊林.蔗糖与浓硫酸反应实验的新设计[J].化学教学，2018（2）：73-75
[3] 陈纯，秦才玉，张永强.黑面包实验再改进[J].中学化学教学参考，2017（11）：55
[4] 胡景刚.蔗糖与浓硫酸反应实验的改进[J].中国教育技术装备，2009（10）：162
[5] 张霞.“半定量法”制“黑面包”实验浅探[J].化学教与学，2014（12）：91-92
[6] 吴松原，佟桧群，高峰. 蔗糖与浓硫酸反应一体化实验的再改进[J].中学化学教学参考，2017（4）：57-58
[7] 张媛媛.蔗糖与浓硫酸反应条件探究[J].学周刊，2013（7）：140
摘要：蔗糖与浓硫酸的反应是高中化学教材中证明浓硫酸的强氧化性和脱水性重要演示实验之一。但在实际操作中往往会因反应物物料比的不同而导致现象不明显甚至失败。文章主要探究了影响蔗糖与浓硫酸反应的因素，并通过对比实验探究出了蔗糖与浓硫酸反应的最佳物料比。
关键词：蔗糖；浓硫酸；最佳条件；影响因素；物料比
文章编号：1008-0546（2018）11-0089-04 中图分类号：G633.8 文献标识码：B
doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2018.11.029
一、问题的提出
高中化学教材中蔗糖与浓硫酸反应的“黑面包”实验，是验证浓硫酸的脱水性和氧化性的直观实验之一。人教版化学教材必修1指出：“蔗糖中加入浓硫酸时，蔗糖变黑，体积膨胀，变成疏松多孔的海绵状的炭，并放出有刺激性气体的气体。”教材只是简单描述实验现象，并未给出具体的实验步骤以及反应物的加入量，教师无法准确掌握反应物的物料比，使得蔗糖与浓硫酸的反应成功率降低。并且该实验受到诸多因素的影响，如若使用浓硫酸浓度过低，反应只产生黑褐色粘稠物，导致实验失败，无法观察到“黑面包”升起的现象 [1]。另外，教材中蔗糖与浓硫酸的反应在烧杯中进行，现象虽明显，但产生的二氧化硫污染环境，不符合绿色化学的理念。因此，蔗糖与浓硫酸反应的影响因素有哪些呢？采用何种物料配比实验效果最佳？这些问题成了本实验要研究的主要问题。
查阅相关文献可以发现，有关蔗糖与浓硫酸反应的实验主要分为三种。一种是从绿色化学的理念出发，改进实验装置以有效处理尾气。例如，针对教材中蔗糖与浓硫酸反应缺少尾气处理装置，不符合绿色化学的理念，王建芬 [2]等利用玻璃水槽、小烧杯、分液漏斗、可乐瓶等器材制作了蔗糖与浓硫酸反应的改进实验装置。改进后的实验装置实现了加料、反应和有害气体吸收三个过程的有机结合。陈纯 [3]等针对常规实验装置污染环境这一问题，利用连接止水夹的玻璃导管和气球对实验装置进行了改进，能够很好地收集气体并检验气体，符合绿色化学的要求。胡景刚 [4]利用生活中常见的大可乐瓶对反应装置进行了改进，并设计了搅拌装置，既保证了蔗糖与浓硫酸的反应在封闭体系中进行，又可以搅拌反应物以加快反应速率。针对教材实验在开放体系中进行，污染环境以及药品用量随意取用，导致实验成功率不高的问题，张震 [5]将反应容器改为试管，倒扣量筒于试管上方，利用滴有酚酞的氢氧化钠溶液來吸收尾气，解决了污染问题。另外，实验借助“半定量法”得出了蔗糖、浓硫酸和水的最佳用量。一种是通过改进实验装置检验产物的性质。另一种是通过改进装置，验证蔗糖与浓硫酸剩余反应物的性质。吴松原 [5]等利用三口烧瓶改进实验装置，使蔗糖与浓硫酸的反应在密闭装置中进行，并借助品红溶液、酸性高锰酸钾溶液、澄清石灰水等检验产物的性质。笔者认为三口烧瓶的底部球形，可以使蒸馏水自然渗透、润湿蔗糖，有利于反应的进行，提高实验成功率。文献也有少部分实验涉及蔗糖与浓硫酸反应的最佳条件的探究。研究主要是在改进实验装置的基础上，利用“半定量法”得出蔗糖、浓硫酸和水的最佳用量，缺少系统研究蔗糖与浓硫酸最佳实验条件的实验。
参考已有文献，并考虑到蔗糖与浓硫酸的实验本身放热，故本实验没有将反应温度作为探究因素之一，而将蔗糖类型（后通过对比实验排除）、加入水的量、浓硫酸体积、烧杯口径以及蔗糖质量作为探究条件。参照张媛媛 [6]的研究，本实验选取5mL浓硫酸，依次改变蔗糖用量，以测得浓硫酸与蔗糖反应的最大限度。在探究浓硫酸体积对实验的影响时，控制蔗糖质量10g，加入水的量为10滴，依次改变浓硫酸的用量从而探究出反应效果最佳的浓硫酸用量。本实验的研究目的是探究蔗糖与浓硫酸反应的最佳条件及最佳物料比，分析产生这种结果的可能原因。为了让学生更直观地看到生成的二氧化硫气体被吸收，该实验特别选用质量分数为0.5%的高锰酸钾溶液作为指示剂和尾气处理液。当观察到高锰酸钾溶液褪色时，说明二氧化硫与高锰酸钾发生了反应。
二、实验研究过程
1.实验原理
蔗糖与浓硫酸反应时由于浓硫酸具有脱水性，一部分氢氧元素从蔗糖分子中脱去，剩下的碳元素以单质碳的形式存在。加入水后，浓硫酸吸水放热，使得碳继续被氧化成二氧化碳，而浓硫酸自身被还原为二氧化硫。二氧化碳与二氧化硫气体大量溢出，将黑色碳块向上顶起。其中加入水的作用有两点，一是与浓硫酸反应放出大量的热，提高反应速率；二是增大蔗糖与浓硫酸反应的接触面积，因为在反应过程中生成的单质碳包裹在蔗糖周围，在一定程度上会影响蔗糖与浓硫酸的反应速率。
2.实验步骤
（1）向100mL烧杯（测定不同规格烧杯时需适当调整）中加入一定量的绵白糖或蔗糖（具体质量见后面的数据分析），并加入一定量的水（具体水量见后面的数据分析）。
（2）向100mL烧杯内加入一定量的98%的浓硫酸（具体的浓硫酸的量见后面的数据分析部分），一边加入一边搅拌。
（3）在反应后的烧杯上方快速罩上去掉瓶底的大可乐瓶，并将尾气通入到0.5%的高锰酸钾溶液中，待溶液开始褪色，尾气被完全吸收后撤去反应装置。
3.实验装置图
三、数据与分析
1.蔗糖种类
实验选取了5g的绵白糖和蔗糖以及10g的绵白糖和蔗糖进行对比，在100mL烧杯中，得到的数据记录如下（表1）。
由于绵白糖、蔗糖与白砂糖中蔗糖含量不同（蔗糖>白砂糖>绵白糖），且颗粒大小不同，蔗糖、绵白糖及白砂糖与浓硫酸反应生成的产物体积不同。考虑到绵白糖的易得性，本实验选用绵白糖进行实验。
2.绵白糖质量
通过表2和图1可以得出，浓硫酸体积为5mL，加入10滴水时，加入绵白糖越多，生成的黑色产物越高，反应效果越好，5mL浓硫酸最多可以反应掉35g绵白糖。
3.浓硫酸体积
实验选取了10g的绵白糖和10滴水，改变加入浓硫酸的体积进行对照实验，得出实验数据并记录如下（表3）：
通过对比实验现象我们可以得出：在绵白糖的量和加入的量不变的情况下，增大浓硫酸体积，黑色物质升起的高度先增大后减小。当浓硫酸体积为10mL时，反应生成的物质体积最大。此外，实验还发现，浓硫酸体积越大，生成的黑色物质气孔越大。蔗糖与浓硫酸的实验分成两步进行，第一步是浓硫酸将蔗糖中的水脱去，第二步碳与浓硫酸继续反应生成二氧化碳和有刺激性气味的二氧化硫。浓硫酸还具有吸水性，若加入浓硫酸过多，浓硫酸会因吸水而变稀，因而实验效果下降，加入过多浓硫酸生成的黑色物质反倒减少。
4.加水量
为了使实验现象对比更为明显，实验选取了10g绵白糖和5mL浓硫酸，通过改变加入水的量来设计对照实验。实验现象展示如下（表4）：
通过上述实验我们可以得出如下的结论：在加入水的量为5-40滴范围内，加入的水越多，黑色物质升起的高度先升高后下降，当绵白糖质量为10g，浓硫酸体积为5mL，加入20滴水时，产生的黑色物质最多。另外，随着加入水越多，反应速率加快。加水越多，浓硫酸与水反应放出的热量越多，加速蔗糖炭化反应的进行。但是加入水过多会将浓硫酸稀释，从而影响实验效果。
5.烧杯直径
本实验选取了50mL、100mL、250mL规格的烧杯进行对照实验，按照上述步骤向其中加入10g的绵白糖和5mL浓硫酸，并滴入10滴水进行实验，结果记录如下（表5）：
通过实验数据可以明显地看出烧杯口径越小，黑色物质升起的越高，产生的黑色物质体积越大，反应现象越明显。综合以上实验，可以发现，当使用50mL规格的燒杯时，加入绵白糖10g、浓硫酸5mL、水20d或者绵白糖10g、浓硫酸10mL、水10d时，实验现象最为明显。
6.物料最佳配比
在通过对比实验（表6）发现，绵白糖（g） ∶ 浓硫酸（mL） ∶ 水（d）之比为1 ∶ 1 ∶ 1实验效果更好，产生的黑色物质较多。在不同规格的烧杯中进行验证（见表7）发现该物料比实验成功率较高，且实验效果较好，在不同规格烧杯中黑色产物升起高度均较明显。
四、结果与讨论
本实验通过对照实验得到，影响蔗糖与浓硫酸反应的主要因素包括蔗糖的质量、浓硫酸的体积、加入水的量以及烧杯口径。浓硫酸在该反应中表现出脱水性和氧化性，实验结果表明加入浓硫酸过多，反应产物减少，且产物气孔变大。此外，加水的量对该实验也有一定影响，加水过少反应放出的热量无法为蔗糖的炭化反应提供足够的热量，加水过多则会稀释浓硫酸从而导致实验现象不明显。通过控制变量，本实验得出蔗糖与浓硫酸反应的最佳物料比是蔗糖（g） ∶ 浓硫酸（mL） ∶ 水（滴）=1 ∶ 1 ∶ 1，按照这种配比进行实验，得到的实验效果最好。本实验虽通过对照实验得出了蔗糖与浓硫酸的最佳条件，但是实验变量控制不够严谨，例如无法严格控制搅拌的速率，导致实验数据可能存在一定误差。此外，反应生成黑色物质的时间只是定性的描述，没有测量确切的反应时间。另外，为了追求实验的直观性，浓硫酸用量较多，未考虑节约药品这一问题。以上问题将在后续的实验中继续改进。
参考文献
[1] 张亚萍，廖钫.浓硫酸脱水性实验的优化与改进[J].中学化学教学参考，2017（10）：54
[2] 王建芬，齐俊林.蔗糖与浓硫酸反应实验的新设计[J].化学教学，2018（2）：73-75
[3] 陈纯，秦才玉，张永强.黑面包实验再改进[J].中学化学教学参考，2017（11）：55
[4] 胡景刚.蔗糖与浓硫酸反应实验的改进[J].中国教育技术装备，2009（10）：162
[5] 张霞.“半定量法”制“黑面包”实验浅探[J].化学教与学，2014（12）：91-92
[6] 吴松原，佟桧群，高峰. 蔗糖与浓硫酸反应一体化实验的再改进[J].中学化学教学参考，2017（4）：57-58
[7] 张媛媛.蔗糖与浓硫酸反应条件探究[J].学周刊，2013（7）：140
