——以浓硫酸使蔗糖炭化实验为例

  摘 要：在全球环保需求不断增强的背景下，人们的环保意识越来越强，进而提出了绿色化学的新概念。本文，首先阐述了绿色化学和化学学科思维的概念，然后化学学科思维的视野下，对中学课程浓硫酸使蔗糖炭化实验，进行了绿色化学的探究。
　　关键词：中学化学；学科思维；SO2的性质；绿色化学
　　授之以鱼不如授之以渔，化学知识的传授固然重要，但如果不加以化学学科思维的培养，那我们的教学顶多是知识的复制者，对于孩子形成完整的学科理念也不利。随着课程改革的不断深入，中学化学的课程内容和授课方式发生了极大的变化，培养学生的学科思维方式，形成绿色化学理念，显得尤为重要。初中化学教学中，如何使学生把宏观、围观和符号三重表征的化学学科思维方式内化于心，关键在于兴趣培养，合理引导，关键在于狠抓思维的启发、诱导、训练和发展，因此培养学生思维能力以及思维进阶已成为中学化学教学中的一个重要任务。
　　无论初中还是高中，甚至大学，在化学学科思维视角下去实现绿色化学，都是重中之重，笔者在多年的化学教学过程中，逐步实施对学生的学科思维的培养，学生也渐渐了解、知晓绿色化学的必要性，现就绿色化学和化学学科思维的概念进行简单阐述，并以浓硫酸使蔗糖炭实验为例说明。
　　一、绿色化学和化学学科思维的概念
　　从绿色化学的内容可以看出，其拥用有广泛的内容，例如：分析化学、生物化学、催化以及有机合成等。其主张利用化学方法和技术，控制某些物品生产源头有害物质的使用，进而使得该物品的生产过程和最终成品，不再产生有毒、有害的物质，是一种对环境友好的化学理念；无论是科学的研究，还是学科的学习，其活动都是有目的、有意识的，所以其需要科学思维的支撑。学科思维：指在系统的学科学习中通过体验，认识及内化等过程逐步形成相对稳定的思考问题、解决问题的思维方法和价值观。化学学科思维：是指从化学视角认识物质，逐步形成相对稳定的思考问题、解决问题的思维方法。中学生化学思维的发展是从化学知识建构到化学基本观念生成到化学素养达成的重要桥梁与必经途径。
　　二、化学学科思维下绿色化学浓硫酸使蔗糖炭实验课
　　1、问题提出
　　在该实验课程中，原文要求在100ml-200ml的烧杯中，加入蔗糖20克，然后加入适量的催化剂（水），再加入浓硫酸20ml，随后在蔗糖中间插一根玻璃棒。随后伴随蔗糖的膨胀，还会产生大量的黑色物质。尽管该实验具备一定的既视感，能让学生较为直观的观察到该实验的整个过程，对学生的观察和分析具有一定的作用。然而，从绿色化学视域下看，该实验还存在一定的不足：首先，由于该实验会产生一定量的SO2，而该反应过程没有处于密闭的空间，会对教师和学生的健康带来一定的影响；其次，参与该实验药品的计量过多，不仅会造成一定的浪费，还会产生大量的有害气体。基于化学思维下绿色化学的理念，笔者对本实验进行了改进。
　　2、问题改进
　　2.1.原理的分析
　　该实验的主要反映过程为：C12H22O11→12C+11H2O，而由于这个过程会释放大量的热，并且又有浓硫酸的存在，因而会发生C+2H2SO4（浓）=CO2↑+2SO2↑+2H2O的反应，其中的有害物质就是SO2（具有一定的毒性和刺激性气体），而分析SO2的还原性、漂白性以及氧化性，发现其能将高锰酸钾和品红褪色，能和NaOH发生以下反应：2NaOH +SO2==Na2SO3+H2O，于是创新增加以上几种药品，达到减少污染的目的。
　　2.2.实验的仪器
　　气球（1只）、导管、微型具支试管（5只）以及大的具支试管（1只）；水、NaOH溶液、酸性高锰酸钾、品红溶液、蔗糖以及浓硫酸。
　　2.3.实验的步骤
　　首先蔗糖、品红溶液、液酸性高锰酸钾、澄清石灰水以及氢氧化钠溶依次装入1-5具支试管中，同时在1具支试管号的注射器中加入98%浓硫酸2ml，再将将气球套在最后一支管口，再将这些试管依次按照从上到下、从左到右，连接起来；其次，在连接完成后，检测仪器的气密性，进而保证实验能正常进行；最后，将注射器中的浓硫酸，缓慢的加入到1号试管中，使其与该试管中的蔗糖充分反映。
　　2.4.实验的现象
　　其中1号试管中蔗糖发生的变化为：首先出现黄色的固体，然后变成黑色，最后整个试管，都会被该黑色固体填充；关于品红试管发生的变化为：品红褪色，4中试管不褪色；其中3号液酸性高锰酸钾试管的变化为：褪色；其中5号澄清石灰水试管发生的变化为：液体变得浑浊；最后一个试管中的氢氧化钠变化为：气球膨大。
　　2.5.实验的结论
　　1号的反应情况说明有SO2的产生。2号试管的现象说明SO2具有一定的漂白性。3号试管的现象说明SO2具有一定的氧化性气球膨胀，说明有气体的产生。
　　2.6.实验改进过后的优点
　　对于实验材料剂量的节省：通过该设计，不仅能在一定程度上节约实验材料剂量的使用，还能让实验更加完善，有助于引导学生在实验的源头，控制污染的产生。装置材料的的优化：通过将该实验由开放式实验转化为密闭式，不仅节约相应的成本，还在一定程度上提升了试剂的利用率，将污染控制在更加的范围内，有效防止泄露SO2 等有害气体，使得该实验较好的达到了低污染、低危害。反应控制的绿色化：通过利用注射器来加入浓硫酸，除了可以在一定程度上控制该实验反应的速度，还能将实验结束后，将试管中残留的SO2有害气体进行绿色化处理，防止二次实验污染。对于实验产生气体的处理，由于存在NaOH溶液，因此能防止该气体溢散到空气中，造成对空气质的污染，有利于引导学生形成良好的环境意识和绿色化学概念。
　　三、结语
　　化学是一门以实验为基础的课程，通过化学实验的绿色化创新和改进，能够帮助调动学生学习化学的积极性和主动性，也能够轻松实现绿色化教学，绿色化学理念渗透到学生的日常生活中去。改进浓硫酸使蔗糖炭实验只是一个开始，笔者会继续努力改进实验。
　　[注]本文作者：张志强，系安徽省亳州市利辛县利辛中学教师，本文系2019年度亳州教育科学规划课题《基于绿色化学视角下的初中化学课堂教学研究》课题号BZKTLX2019171的研究成果。
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