氫氣制備及其性質(zhì)系列實驗的創(chuàng)新設(shè)計

鞠東勝+王金龍

摘要：為了豐富實驗教學(xué)方法，使用飲用水瓶、電蚊拍、廚房電子脈沖點火器、保鮮袋等生活物品，對氫氣制備及其性質(zhì)系列實驗進行了設(shè)計，可使實驗?zāi)茉诎踩煽氐臈l件下進行，深化學(xué)生對啟普發(fā)生器工作原理的理解，便于學(xué)生觀察某些明顯和震撼的實驗現(xiàn)象，以及豐富了氫氣還原氧化銅的教學(xué)內(nèi)容。實踐表明，新設(shè)計的實驗?zāi)軌蛟鰪妼W(xué)生對科學(xué)原理的感性認識，培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新意識，營造良好的教學(xué)氛圍。

關(guān)鍵詞：氫氣；制備與性質(zhì)；實驗設(shè)計；實驗探究

文章編號：1005–6629（2015）6–0060–03 中圖分類號：G633.8 文獻標(biāo)識碼：B

1 提出問題

在人民教育出版社出版的九年級化學(xué)教材“自然界的水——最輕的氣體”一節(jié)中[1]，點燃不純凈氫氣實驗較難把控。筆者以“氫氣制備與性質(zhì)實驗”為題，在互聯(lián)網(wǎng)上檢索到數(shù)千篇學(xué)術(shù)論文。這些豐富的研究成果大致可分為兩類，一是對化學(xué)反應(yīng)的研究，如鋅與3 mol·L-1硫酸溶液反應(yīng)時氫氣的制備速率與制備量較佳[2]；二是對實驗裝置的改進，如《氫氣制備與性質(zhì)實驗一體化微型實驗改進》[3]。以學(xué)科、實驗為中心的研究固然重要，但基于學(xué)生認識視角的實驗設(shè)計應(yīng)是新課程教學(xué)改革的方向。種種現(xiàn)象引起我們反思：如何利用身邊的生活資源，開發(fā)出實用性、時代性較強的實驗方案？如何優(yōu)化實驗方案，將知識學(xué)習(xí)與科學(xué)方法及創(chuàng)新能力的培養(yǎng)教育有機地融為一體？為此，筆者使用某些生活物品對氫氣制備及其性質(zhì)系列實驗進行了重新設(shè)計，與大家交流和探討。

2 氫氣制備及其性質(zhì)系列實驗的設(shè)計

在教學(xué)過程中，學(xué)生對啟普發(fā)生器中酸液高度變化充滿興趣，但只能被動觀看（由教師演示），動手體驗的機會不多；用火柴點燃氫氣泡的實驗成功率較低；氫氣還原氧化銅實驗耗時較長；在用塑料筒收集氫氣并點燃實驗中，是否已引燃氫氣較難判斷，后續(xù)爆炸的聲響和塑料筒被爆炸氣浪高高掀起的結(jié)果略有失控之嫌，等等。這些問題說明，目前圍繞氫氣性質(zhì)的系列實驗設(shè)計尚存偏頗，缺乏整體性和安全性，有進一步優(yōu)化的可能。

2.1 制作簡易啟普發(fā)生器

如圖1所示，在550mL飲用天然水瓶高7cm處將底部剪下，將剪下的瓶底倒過來插回瓶中，瓶底外壁的凹槽與瓶身內(nèi)壁的凸槽相吻合，使兩者較牢固地連為一體；接著使用酒精燈加熱過的鑷子將底部打孔成網(wǎng)狀；加入適量的金屬鋅，在瓶口安裝上帶有導(dǎo)管的膠塞后，將飲用水瓶放入一只盛有適量稀硫酸的燒杯（φ7cm）中，即可用來制備氫氣。需要停止反應(yīng)時，將止水夾關(guān)閉，瓶內(nèi)氣體壓強增大，金屬鋅與酸液便自動脫離接觸。與啟普發(fā)生器的適用范圍一樣，只要固態(tài)與液態(tài)物質(zhì)反應(yīng)產(chǎn)生氣體，且不需要加熱，均可使用上述裝置，如制備二氧化碳、乙炔等。

從觀察到制作，從抽象到具體，將普通的飲用水瓶巧妙地設(shè)計成具有控制功能的實驗裝置，這對于學(xué)生積累實踐經(jīng)驗、拓展創(chuàng)新思路、深化對科學(xué)原理的理解，無疑起著較好的幫助和促進作用。

2.2 吹氫氣泡與引燃

按照水溶性膠水（文具店有售）、水和洗潔精體積比為1：4：4的比例，將其混合均勻配制成泡泡水，備用。

在燒杯中加入3 mol·L-1稀硫酸溶液150mL，滴入幾滴硫酸銅溶液，攪拌混勻；在上述飲用水瓶中加入約10g鋅粒。當(dāng)把飲用水瓶置于燒杯中時，金屬鋅與稀硫酸反應(yīng)便不斷產(chǎn)生氫氣。通過乳膠管將干燥管的細口端與飲用水瓶口的導(dǎo)管相連，用干燥管的粗口端蘸取少量泡泡水，將其豎立；待氫氣泡慢慢變大到大拇指大小時，用嘴輕輕吹氣使之脫離，氫氣泡便緩緩飄向空中。此時，就像生活中拍打蒼蠅、蚊子一樣，用電蚊拍（可充電式）去接觸氫氣泡，可聽到“啪”的聲響，同時觀察到氣體燃燒時形成的一團黃色火球。說明氫氣的密度比空氣小，它在空氣中能燃燒。與使用明火器具（蠟燭、火柴、打火機等）相比較，電蚊拍沒有熱氣流產(chǎn)生，且接觸面積較大，命中引燃氫氣泡的效率會提高許多。氫氣泡燃燒時出現(xiàn)的黃色火球，比較醒目和震撼。

使用某些生活物品對化學(xué)實驗進行改進，不僅提高了實驗效率，而且能訓(xùn)練學(xué)生遷移、轉(zhuǎn)換與類化的創(chuàng)新思維，增加其對科學(xué)研究的認同感。

2.3 氫氣還原氧化銅

如圖2所示，將螺旋狀的φ0.13cm銅絲在酒精燈上加熱至呈現(xiàn)黑色，從粗口端緩緩伸入干燥管至球型處，觀察到銅絲變?yōu)榧t色。其間，當(dāng)熱銅絲剛伸到管口部位時，會聽到輕微的爆嗚聲（氫氧爆炸），表明銅絲已具備較高的溫度；接著，把銅絲移出干燥管，觀察到銅絲又變成黑色。模仿演奏二胡的動作，“推拉”銅絲2～3次可觀察到其顏色的多次變化。說明氫氣可將熱的氧化銅（黑色）還原成銅（紅色），氧氣卻起著相反的氧化作用。筆者曾使用粗細不一的銅絲進行多次嘗試，發(fā)現(xiàn)實驗現(xiàn)象變化明顯的關(guān)鍵是保持其較高的溫度。除了前面提及的管口爆鳴外，在加熱的過程中，可將銅絲緩慢伸入酒精燈火焰內(nèi)焰，如觀察到由黑變紅（乙醇蒸氣還原氧化銅生成銅）的現(xiàn)象，說明銅絲溫度已超過322.5℃[4]，符合乙醇還原氧化銅反應(yīng)的溫度要求；反之，則需要繼續(xù)加熱。重復(fù)實驗操作2次后銅絲溫度已下降，再次將它伸入干燥管內(nèi)，則很難觀察到由黑變紅的現(xiàn)象。

按照“通氫氣-加熱-再通氫氣”傳統(tǒng)方法進行實驗，時間花費較長，且物質(zhì)顏色的變化只有1次。改進后的實驗設(shè)計大膽地變換實驗藥品、操作和流程，依據(jù)實驗屬性最大限度地提供化學(xué)反應(yīng)所需的條件，借用、活用實驗儀器，揭示實驗現(xiàn)象背后隱藏的化學(xué)原理或化學(xué)規(guī)律。這樣的實驗設(shè)計不僅提高了實驗效率，豐富了化學(xué)變化內(nèi)容，更重要的是能夠營造一種輕松、愉快的學(xué)習(xí)氛圍，寓教于樂。

2.4 引爆氫氧混合氣體

向冰箱保鮮袋（7×12cm）中鼓入空氣，袋口朝下再通入氫氣約12s時間。將廚房電子脈沖點火器（俗稱點火槍，淘寶有售）的前端插入其中，接口處用膠帶纏繞封閉。按下點火器按紐，袋中的混合氣體發(fā)生爆炸，形成黃色火團，發(fā)出“嘭”的聲響，觀察到保鮮袋已部分熔化變形。說明引燃氫氧混合氣體會發(fā)生爆炸，同時放出大量的熱。與金屬或塑料容器相比，使用保鮮袋進行爆炸實驗比較安全，不會造成容器亂竄，聲響也會降低許多。

將氫氧混合氣體設(shè)計為“氣體爆竹”，與學(xué)生的生活經(jīng)驗發(fā)生關(guān)聯(lián)，減少程序化的預(yù)設(shè)成分，學(xué)生動手實驗的機會自然增多，將不斷積累直接經(jīng)驗，促進學(xué)生形成一定的實驗技能、方法和科學(xué)思想。

上述4種實驗設(shè)計，運用了簡易手工制作、拍蚊子、演奏旋樂、點爆竹等技法，與學(xué)生生活經(jīng)歷吻合，使其樂于探究現(xiàn)象背后的化學(xué)原理。它們既可用于課堂教學(xué)，也可用于課后的科技活動。

3 實驗說明及注意事項

（1）可利用廢舊干電池的金屬外殼代替金屬鋅，且不用加硫酸銅溶液。

（2）實驗表明，制造氫氣泡時，使用融邊的玻璃管口吹出的氣泡較大且方便與其脫離。

（3）電蚊拍瞬間輸出脈沖電壓高達2500V，因此即便是使用后其仍具有較高的電壓，請勿用手接觸金屬網(wǎng)面。雖然這不會對人體造成傷害，但會使人產(chǎn)生強烈的觸電感，受到驚嚇。

4 結(jié)束語

中學(xué)教材中傳統(tǒng)的實驗設(shè)計等教學(xué)資源，并非“圣經(jīng)”典籍，應(yīng)當(dāng)可以被教師在課堂教學(xué)中進行重新組合、改進，即“再度”創(chuàng)作。引導(dǎo)學(xué)生重新審視和創(chuàng)新實驗，探索和完善科學(xué)知識體系，有利于啟迪學(xué)生的科學(xué)思維，對全面提高學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)和創(chuàng)新能力具有極為重要的作用。從生活資源中選擇恰當(dāng)?shù)奈锲穪沓鋵嵑桶l(fā)展實驗教學(xué)設(shè)計，無疑是一種值得嘗試的途徑。

參考文獻：

[1]課程教材研究所，化學(xué)課程教材研究開發(fā)中心.義務(wù)教育課程標(biāo)準(zhǔn)實驗教科書·化學(xué)（九年級上冊）（第2版）[M].北京：人民教育出版社，2006：65～67.

[2]王新，唐亞文.“氫氣的制備”實驗教學(xué)內(nèi)容探討[J].化學(xué)教與學(xué)，2010，（5）：73～74.

[3]陳靜瓊，倪曉添.氫氣制備與性質(zhì)實驗一體化微型實驗改進[J].化學(xué)教與學(xué)，2014，（3）：30，34.

[4]丁愛軍，王金龍.乙醇脫氫制備乙醛適宜溫度的選擇[J].化學(xué)教育，2011，32（7）：64～65.