手持氣體爆鳴實驗設計三例

曾德琨 王秋亮

摘要： 用Y型管、香瓜瓜體、塑料滴管等設計裝置進行爆鳴氣體實驗。用塑料滴管做電解反應的容器，大頭針做電極，9V電池做直流電源電解氯化鈉、氫氧化鈉水溶液得到爆鳴氣體;電解得到的氣體在爆炸極限范圍內，在塑料滴管尖端外點火，爆鳴實驗效果明顯，容易成功，且可避免在爆炸實驗中玻璃儀器的破裂。與傳統實驗相比，新設計的實驗現象更明顯，還能觀察電解氯化鈉溶液時陽極的腐蝕及產生氫氧化亞鐵沉淀等現象。

關鍵詞： 氣體爆鳴實驗; 氫氯爆鳴; 氫氧爆鳴; 乙炔爆鳴; 微量化實驗設計

文章編號： 10056629（2018）12007303中圖分類號： G633.8文獻標識碼： B

“氫氣在氯氣中安靜地燃燒，產生蒼白色火焰”，這是工業制取氯化氫氣體合成塔中的反應。“氫氣可在氧氣中安靜地燃燒，也可以和氧氣混合后發生爆炸反應，是一種爆炸極限很寬泛的氣體”。混合燃燒（又稱預混燃燒）是指可燃氣體與空氣（氧）在燃燒前混合，并形成一定濃度的可燃混合氣體，被火源點燃所引起的燃燒。混合燃燒往往是爆炸式的燃燒，通常所說的氣體爆炸就屬混合燃燒[1]。化學課堂通過實驗來落實氫氣、氯氣或氧氣的性質，并強調安靜燃燒、混合爆炸的條件控制和對化學反應條件的變量控制。教師應引導學生注重追求化學實驗的簡易、安全、綠色、趣味等特點。

氣體的爆鳴實驗，通過聲音的刺激，讓學生感受化學爆炸的劇烈程度，從而加強學生對實驗安全操作的重視。課堂演示實驗或學生分組實驗要求效果鮮明，使爆炸反應有足夠的威力，又必須做到絕對安全，不允許發生任何事故，因此很多化學教師做了不少實驗探究。我們結合教學實踐歸納列舉三種方案如下。

1?在Y型管中發生氫氣和氯氣混合光照反應實驗

實驗裝置如圖1所示，實驗步驟如下：

（1） 在Y型管兩側分別加入1克高錳酸鉀和2克鋅粒;

（2） 用膠頭滴管先向裝有高錳酸鉀的管內注入適量（約1mL）濃鹽酸;

（3） 再向有鋅粒的管內加入適量（約2mL）濃鹽酸;

（4） 在Y型管的管口輕輕地塞一個橡皮塞或一團棉花;

（5） 在Y型管外10cm處點燃鎂條或開閃光燈，就會發生爆鳴現象，橡皮塞或棉花被沖起來，管口有大量白霧（見圖1）。

該實驗的優點是當場制取兩種氣體，量小，爆鳴時卻能發出尖銳的聲音，效果明顯。但缺點是，可能控制不好加酸的時機，高錳酸鉀和鹽酸反應生成氯氣速度過快，不好控制產生氣體的比例，有時只出現“噗”的一聲。一次兩次不成功，師生心理方面會產生懼怕進而放棄。

氫氣在氯氣中的爆炸極限是9.8%～52.8%。孟憲慧[2]老師曾做了兩百多次平行實驗，發現VH2∶VCl2=1∶2時，爆鳴成功率最高。若用大小不一的集氣瓶事先收好體積比1∶2的氫氣和氯氣，實驗時混合兩瓶氣體，用鎂條燃燒的強烈白光引爆，實驗成功率達90%。

2?在香瓜、柑橘等殼中發生乙炔和空氣混合氣體的爆鳴實驗

在全國第十二屆化學實驗教學創新大賽[3]的比賽現場，江西南康市教育局教研室施明林老師設計的“小鋼炮”足有半米長，直徑8cm（見圖2），小鋼炮管身下部有個小孔用于點火，一端封閉，一端敞口用于加反應物和噴出火焰。施老師用乙炔和空氣的混合氣發生爆鳴，現場效果很震撼。

該設計的優點是： （1）氣體當場制取，易得;（2）因為用的是不銹鋼材料的設備，堅硬牢固，避免了師生擔心用試管、集氣瓶做此類爆炸實驗引起玻璃破碎炸裂飛濺的事故;（3）鋼管牢固安全，可以加大實驗藥品用量，效果更震撼。（4）乙炔在空氣中爆炸極限是2.5%～81.0%，在容積較大的鋼管中混合易形成爆鳴氣體。

鑒于鋼炮并不常見，需特意定做。筆者建議可以利用生活中的香瓜、西瓜、柑橘等殼體做反應容器（見圖3）。

一個直徑大約10cm的香瓜，把有蒂的一端割下當蓋子，用電動攪拌器將瓜瓤攪碎倒出，注意不要將瓜壁攪穿，形成一個殼體，殼體中央鉆一小孔用以點火。這個香瓜殼體容量500毫升左右，里面有少量水，加碳化鈣3克左右，立即蓋上蓋子。大約20秒后，點火，殼內氣體爆鳴，將蓋子掀掉，聲音響亮，并且殼內有熊熊烈焰，好像“憤怒的水果”。若電石質量大，可以蓋上蓋子，讓火熄滅，過一會兒再點火，仍然可以爆鳴。

即便反應劇烈，卻不用擔心玻璃炸裂的安全問題，對學生、教師來講都是安全可靠的，又能將生活中常見的廢棄物進行有效利用。比較不同大小的水果，如柑橘、西瓜等，體積越大越易形成爆鳴氣，因為里面空氣多。體積小的柑橘，建議早點點火，否則空氣被排出后形成較純氣體不易爆鳴。如果把香瓜鏤空成不同形狀，爆鳴時火焰噴出的景象就有不同的理解，豐富了實驗的設計感。

3?電解氫氧化鈉水溶液制氫氧混合氣體并發生爆鳴實驗

實驗裝置如圖4所示，實驗步驟如下[4]：

（1） 取多用途塑料滴管吸入氫氧化鈉溶液;

（2） 將兩根大頭針從滴管插入溶液中，并連接9伏的電池（見圖4），開始通電;

（3） 將肥皂泡涂在尖嘴端，可看到有氣泡吹大，用火去點，并沒有什么現象。說明剛開始排出的是管內本身的空氣，不是爆鳴氣;

（4） 再在管口涂抹肥皂液，繼續用火去點氣泡，當發現有輕微爆鳴聲后，說明已產生爆鳴氣了，但是是弱爆炸;接下去的一個氣泡，往往就會發生尖銳的爆鳴，并且管口產生火焰（見圖4）;

（5） 繼續通電，涂抹肥皂液，又會出現氣泡，但這種氣泡點不著，持續幾個氣泡后，又出現尖銳爆鳴。說明一次爆鳴后，有空氣進入滴管。

（6） 可反復多次進行爆鳴實驗。

該實驗的優點是： 用塑料滴管進行微量混合氣體的爆鳴，所耗試劑微量化，不用擔心炸裂;氫氣在空氣中的爆炸極限為4.0%～74.2%，換算成氫氣在氧氣中的爆炸極限為16.6%～93.2%，最高限和最低限都是弱爆炸，超出這個范圍氫氣就不會發生爆炸。爆炸最強烈是VH2∶VO2=2∶1時，即H2%=67%，因為電解水得到的兩種氣體體積比正好是2∶1，所以不用擔心氣體的比例問題。學生可以拿在手上完成這個實驗，且可以反復多次。若將氫氧化鈉的水溶液換成鹽酸溶液，可以做氯氣和氫氣的光照爆鳴實驗[5]。

如果是電解飽和氯化鈉溶液，還會發現陽極的大頭針發生腐蝕，電解了三個循環、產生三次爆鳴氣體后，陽極大頭針質量由0.0875克變為0.0564克，溶液中呈現綠色沉淀，應該是氫氧化亞鐵轉變為氫氧化鐵的中間產物。既然鐵鋅合金的大頭針在陽極發生了失去電子的氧化反應，那為什么又能得到氫氣和氯氣的爆鳴氣體呢？這說明氯離子也在失去電子生成氯氣，即鐵的腐蝕和氯氣的生成是兼容的。但是在電解氫氧化鈉溶液時大頭針同樣充當陰陽兩極，卻沒有發生明顯的腐蝕現象，這是由于電解飽和氯化鈉溶液時受到了氯離子效應的作用。所謂“氯離子效應”是指：“一些化學反應中氯離子對金屬相所起的某些作用稱為氯離子效應，在中學化學實驗中涉及到氯離子效應的實驗大致可分為三類，一為金屬相表面發生的置換反應;二為金屬相表面發生的吸氧腐蝕;三為能形成中心為金屬離子（或原子）、氯離子為配離子的配合物的相關反應。[6]”

以上列舉了筆者在一線教學實踐中經常操作的幾個爆鳴實驗，認為第三個方案更便捷安全，成功率高。在玻璃、鋼鐵、塑料容器中進行實驗并發生爆鳴，師生對塑料最為放心，塑料的韌性和柔軟性使得實驗雖然劇烈，但能保證爆鳴實驗成功且安全，讓學生心理上沒有恐懼感而放心。而且能拿在手上做，這增加了實驗的趣味性，加上該實驗消耗試劑微量化，爆鳴規模也小，爆鳴成功率又高。建議一線教師可以動手一試并指導學生一起做該實驗，共同感受爆鳴實驗帶來的樂趣和收獲。

參考文獻：

[1]王程杰.燃燒條件“3+1”[J].化學教學， 2016，（1）： 49～54.

[2]孟憲慧.氯氣氫氣混合氣體爆鳴演示實驗改進與研究[J].新職教， 2000，（1）： 41.

[3]施明林.可燃性氣體爆炸實驗創新設計[R].廈門： 中國教育學會化學教學專業委員會， 2015： 317～318.

[4]杜淑賢主編.動手學化學[M].上海： 上海教育出版社， 2015： 35.

[5]人民教育出版社編著.普通高中課程標準實驗教科書·實驗化學[M].北京： 人民教育出版社， 2005： 8.

[6]王程杰.關注氯離子效應在中學化學實驗中的應用[J].化學教學， 2015，（11）： 53～58.