“氫氣制取及性質驗證”家庭趣味實驗的設計

周正祥+韓麗華+楊加根

摘要：針對教材中“氫氣的制取及性質驗證”實驗的存在不足進行了改進設計。采用大注射器作為制取氫氣的反應裝置，低泡潔廁液和廢舊電池上鋅片作為反應藥品，眼藥水瓶用于收集氫氣進行驗純，粗針頭作為燃燒尖嘴管，附有打火機點火器的小注射器作為不純氫氣爆炸裝置，自制酒精打火機作為熱源等，設計成便于學生做的家庭趣味實驗。改進后的實驗裝置簡單，實驗現象明顯；實驗操作簡易、安全、成功率高且實用；所有實驗完成僅需要4分鐘；能激發學生的學習興趣。

關鍵詞：氫氣制取；性質驗證；家庭趣味實驗；實驗設計；實驗改進

文章編號：1005–6629（2015）7–0057–04 中圖分類號：G633.8 文獻標識碼：B

新課程倡導鼓勵化學教師開發研究成本低、污染少、現象明顯、安全性高和操作方便的化學實驗。同時也鼓勵教師和學生充分利用生活中的常見物品和廢棄物，設計富有特色的實驗和實踐活動。開發的化學實驗儀器或實驗裝置應有助于激發學生學習化學的興趣，創設生動活潑的教學情景，幫助學生理解和掌握化學知識和技能，訓練學生的科學方法，培養學生的科學態度和價值觀[1]。

作為初中教材中三大重要氣體之一，氫氣的制取及性質實驗在教學和考查中有重要地位。但教材中氫氣制取及性質實驗的器材、藥品選擇，不適用于學生進行家庭實驗，且制取氣體的操作相對復雜，有些性質驗證實驗安全性欠缺，教師做實驗容易產生畏難情緒，學生做實驗也會有心理壓力。同時，由于實驗內容較多，在教材中比較零散，缺乏整體性，容易產生遺忘等。結合新課程倡導的要求和相關知識的重要地位以及相關知識在教材中的分布情況，我們有必要在傳承的基礎上，以“生活化”為基礎，“綠色、安全、實用”為主要目標，進行二次創新設計，以期達到最佳的實驗效果[2]。為此，我們進行了實驗創新設計。主要設計思路：我們用大注射器作為制取氫氣的反應裝置，用低泡潔廁液和廢舊電池上鋅片作為反應藥品，用眼藥水瓶收集氫氣進行驗純，用粗針頭作為燃燒尖嘴管，以帶打火機點火器的小注射器作為不純氫氣爆炸裝置，以自制酒精打火機作為熱源等，所用物品皆來源于生活中。改進后的實驗裝置簡單，實驗現象明顯；所有實驗完成僅需要4分鐘，極大地縮短了實驗時間；同時，改進后的實驗降低了操作的難度，提高了實驗的成功率和實用性。其中，爆炸實驗安全且有震撼力，能激發學生學習興趣，便于學生進行家庭實驗。2014年12月，我們將此設計在江蘇省初中化學實驗教學技能大賽上代表鹽城地區參加展評，獲省一等獎。

1 設計理念

實驗用品選用和設計體現“生活化”理念；實驗裝置設計反映“一體化”理念；實驗過程凸顯“綠色化”理念。

2 實驗用品

注射器、眼藥水瓶、輸液管、打火機點火器、玻璃管、打火機（裝酒精）、一次性水杯、潔廁靈（低泡型）、廢電池、肥皂液、銅絲等

3 設計方案

3.1 制取氫氣

氫氣發生裝置見圖1。

3.1.1 實驗步驟

（1）打開注射器活塞。

（2）裝鋅片。

（3）吸取潔廁液。

（4）固定裝置。

3.1.2 注意事項

（1）鋅片要清洗干凈，去除表面雜物。若有雜物或一些堿性物質會影響反應的速度。

（2）潔廁靈要選擇低泡型的，高泡型的在反應過程中會產生大量泡沫，影響實驗效果。

（3）發生裝置的注射器不可太小，經過多次實驗發現，完成后續實驗采用50mL的注射器較為可行。

3.1.3 實驗說明

（1）下方一次性水杯為溢水杯，為后續排水法收集氣體作準備。

（2）藥品以潔廁靈為酸液，與廢電池的鋅片反應制取氫氣；潔廁靈有一定的腐蝕性，使用時應避免碰到皮膚，若不小心碰到皮膚上，要及時用水沖洗，并用肥皂進行擦洗。

（3）將鋅片預先裝入注射器，需要反應時吸取潔廁液，實驗結束推出酸液，實驗可以反復進行。

3.2 排水法收集氫氣并檢驗氫氣純度

實驗裝置見圖2。

3.2.1 實驗步驟

（1）藥水瓶吸滿水。

（2）倒置套在注射器口。

（3）檢驗氫氣純度。

3.2.2 注意事項

（1）選擇口徑較小但能套在注射器口的藥水瓶（眼藥水瓶較好），口徑稍大會收不住水，就無法完成排水法收集。

（2）排盡水后，要用手指壓住瓶口，口向下移近火焰，才能確保驗純的可靠性。

3.2.3 實驗說明

（1）其收集原理是利用大氣壓壓住水的原理，倒置時水不流出，氣體進入，水被排出來。

（2）移近火焰，氫氣不純有爆鳴聲，氣體純凈則聲音很小。

（3）該實驗安全可靠，實驗效率高。

3.3 點燃氫氣

點燃氫氣的裝置見圖3。

3.3.1 實驗步驟

（1）插上針頭。

（2）點燃氫氣。

（3）拔下針頭。

3.3.2 注意事項

（1）驗純后插上針頭，待約5秒后點燃，防止針頭內殘留少量空氣，點燃引起爆炸。

（2）實驗過程中不可以移動注射器活塞，防止吸入空氣，引起爆炸。

（3）針頭要粗一點，出氣量大，火焰明顯。

（4）要采用拔下針頭的方法熄滅火焰，這種滅火方法比較安全可靠。不可以用嘴吹滅，防止將火焰吹進反應容器，或者沒有熄滅，引起安全事故。

3.3.3 實驗說明

（1）作為家庭實驗，該實驗現象明顯，但如果作為課堂演示實驗，由于氫氣量較小，其現象不易觀察，這時可以用火柴頭靠近火焰，證明燃燒。

（2）指導學生做該實驗時，嚴格按照操作要求來完成，即：先驗純，裝針頭后過2～5秒，再點燃，其安全性是肯定有保障的。

3.4 發射“火箭”

不純氫氣點燃爆炸實驗見圖4。

3.4.1 實驗步驟

（1）排水法收集氫氣。

（2）換裝帶電子打火的活塞。

（3）按動打火按鈕。

3.4.2 注意事項

（1）收集氣體的注射器預先吸入半注射器水為宜，實踐得出作為家庭實驗，此量對于學生來說比較好把握，其效果也非常好。

（2）換裝帶電子打火的活塞時，要將活塞推進到堵住小孔，形成密封空間。

（3）電子打火是從電子打火機拆卸下來，打火前端要用兩根銅絲焊接加長，以確保能伸到注射器內。焊接后，要測試一下，確保打火質量，然后安裝到注射器活塞上，并用膠帶固定。

（4）由于爆炸后有較強的沖擊力，因此點火時，不能對著人或易碎物品，以確保安全。

3.4.3 實驗說明

（1）圖4中間部分為排水法收集氫氣裝置（原理同實驗二）。收集前，預先在注射器活塞末端打一小孔，用手按住小孔，吸入半注射器水，用封閉的針尖頭封住注射器口，再用排水法收集氫氣。

（2）圖4右邊部分為點火裝置。在換裝點火器時，要確保點火器前端不能靠到注射器管壁，防止沾水影響打火質量，造成實驗失敗。

（3）告知學生，該實驗操作方便，安全可靠，成功率高，現象明顯，讓學生克服恐懼心理，從而很好地完成該家庭實驗。

3.5 還原氧化銅及吹肥皂泡

氫氣還原氧化銅實驗見圖5。

3.5.1 實驗步驟

（1）連接帶玻璃管的導氣管。

（2）插入表面氧化的銅片。

（3）通入氫氣，加熱。

（4）冷卻，抽出銅片。

（5）用玻璃管口蘸取肥皂水，吹肥皂泡。

3.5.2 注意事項

（1）連接后，要通約5秒氫氣，后預熱，再集中加熱，防止混有空氣引起爆炸。

（2）現象明顯后，先移去熱源，在氫氣流中冷卻20秒左右，再拿出銅絲，防止還原后的銅在較高溫度下又被氧化。

3.5.3 實驗說明

（1）我們經過多次實踐發現，銅片氧化后再還原，比用銅絲現象明顯，且耗時要短；玻璃導管盡量細一點，用時會較短，現象較明顯；對于熱源，我們嘗試用燭焰及煤油打火機，發現容易將玻璃管熏黑，影響實驗現象的觀察，我們將煤油打火機的燃料換成酒精，就解決了這個問題。

（2）銅片現場氧化，效果最佳；氧化銅片時要用燈外焰氧化，防止銅片被熏黑，影響實驗結果。

（3）本實驗按照操作要求完成，其安全性是完全有保證的。

4 價值與指導

我們將這個實驗作為家庭實驗布置給學生去完成，主要基于以下三個原因：一是，知識價值。有關氫氣知識的系列實驗是初中化學的重要實驗之一，學生必須全面理解和掌握，通過自己動手完成家庭實驗，學生對相關知識的理解會更加深刻；二是，實踐價值。通過指導進行家庭實驗，為學生動手、動腦提供了條件，這是課堂教學的一個重要補充。學生在家中利用身邊常見的瓶瓶罐罐、廢物廢料，自己動手做家庭實驗，其具有演示實驗、分組實驗所不能替代的作用，能彌補課堂教學的不足；三是，素養價值。我們發現，不管課程標準如何變化，但教材上的實驗裝置設計絕大部分還是傳統的實驗裝置，多年沒有變化，或者變化很小，學生頭腦中形成固定思維，學習過程中不懂變化，也不敢變化，學生思維產生惰性，不利于學生創新能力培養。所以本實驗在讓學生熟練掌握傳統裝置的同時，教給了他們一種實驗創意設計的意識，學會實驗儀器、藥品的遷移、聯想，引導學生大膽突破原有的固定思維框架，多角度去發散創意思維，培養學生的創新能力[3]。

實踐證明，本組家庭實驗設計確實意義不凡。一是，實驗用品的“生活化”培養了學生“因陋就簡”的科學理念；二是，氣體的產生、收集、驗證等實驗現象明顯，爆炸實驗安全且有震撼力，激發了學生的學習興趣；三是，將氫氣制取、收集和性質驗證等零散實驗“一體化”，簡化了實驗裝置，學生容易整體把握相關知識；四是，本實驗設計，節約了藥品，實現化學實驗過程的“綠色化”，需要反應時吸入酸液，需要反應停止就排出酸液。但創新不忘繼承，如用吹肥皂泡說明氫氣密度小的實驗，操作簡單，現象明顯，我們設計時便加以吸收。

5 實踐與收獲

我們充分認識到，家庭實驗有著演示實驗、分組實驗不可替代的作用，我們在家庭實驗的開展方面做了有效的探索，并取得一些成效，本組實驗只是其中一例。為達到最佳效果，我們認為：首先，要從思想上高度重視家庭實驗，要有檢查督促機制；其次，就是要有目的、有計劃地開展家庭實驗。一要擬好計劃。家庭實驗作為化學實驗課的內容之一，必須按照教學計劃執行實施，教師在開學前一定要吃透教材，對涉及的內容非常熟悉，根據教材中的內容，對家庭實驗的開展擬定詳細的研究計劃，結合教材內容及當地情況對家庭實驗進行適當增減，動員和組織培訓學生，激發學生的熱情。二要精選家庭實驗。這個過程要考慮家庭實驗的“時間性”，有些可以在所授課程內容之前布置，有些實驗可以放在課程內容完成后才布置給學生做；要考慮“趣味性”，如上述實驗學生興趣會很濃的；要考慮“生活性”，學生用生活中的物品來完成實驗，一方面便于學生取材，節約實驗室的儀器和藥品，另一方面讓學生感受到生活中處處有化學，化學貼近生活。三要加強指導、督促和交流。特別是在交流過程中，學生參觀、比較、評價他人“實驗成果”的同時，會主動對照自己的實驗結果，發現成功和不足，分析原因；再次，要取得家長配合。做家庭實驗，用到一些實驗物品、器材，需要有一定的經濟基礎作后盾，家長對家庭小實驗的支持與否，是影響實驗順利進行的因素，教師應通過多種渠道與家長溝通交流，使家長了解家庭實驗對學習化學的重要作用，力爭得到家長的配合。除了物質支持外，家長還可以對實驗的安全進行、學生完成實驗的過程起到一定的督促作用。

通過實踐，我們體會到家庭實驗能彌補課堂教學的不足，是化學課堂教學很好的補充，它培養了學生的獨立思維能力、獨立實驗技能和獨立解決問題的能力，培養了學生善思、嚴肅、認真、務實的好習慣，提高了學生學習化學的積極性和主動性。更為重要的是培養了學生的創新思維能力和創造能力。雖然我們在學生家庭實驗方面的實踐還在路上，但我們已經嘗到了甜頭，在大力開展家庭實驗后，我校學生學習化學的熱情空前高漲，學生不僅在化學課堂上津津樂學，甚至課后談論的話題也經常是實驗，其直接體現就是化學成績快速提升，我?；瘜W抽測成績已經躍居全市前列。

參考文獻：

[1]中華人民共和國教育部制定.義務教育化學課程標準（2011年版）[S].北京：北京師范大學，2011.

[2]祭彥加等.中學實驗室管理與實驗技術[M].南京：南京師范大學出版社，2007：229～244.

[3]楊加根，楊小祥.“常見氣體的制取”復習課教學的實踐和思考[J].中學化學教學參考，2013，（6）：10～12.