氫氣爆炸極限測定演示實驗裝置的新設計

王夏珩 葉永謙 陳珍珠 嚴業安

摘要： 現有的可燃性氣體爆炸極限測定演示實驗存在氣體需事先制備、精確度不高等有待改進之處。通過設計氫氣氧氣簡易發生裝置、借用堿式滴定管等常用儀器設計混合氣體爆炸裝置，現場制備氫氣、氧氣并演示氫氣在氧氣中爆炸極限的測定過程，測得該條件下爆炸極限為14.89%～97.33%，精確度較高。通過課堂演示和科學體驗，分析測定結果與文獻數據的差異，培養學生的創新精神、實踐能力和安全意識。

關鍵詞： 氫氣; 爆炸極限; 演示實驗裝置; 實驗改進

文章編號： 10056629（2019）7007204中圖分類號： G633.8文獻標識碼： B

氫氣等可燃性氣體的爆炸可能帶來極為嚴重的后果，因此，控制爆炸是石油、化工等行業的重中之重。武麗娜等[1]認為： 在石油、化工等行業生產過程中，從原料到成品，使用、產生的易燃易爆物質很多，一旦發生爆炸事故，常會帶來非常嚴重的后果，造成巨大的經濟損失和人員傷亡，譬如泵房垮塌、油罐爆炸著火、管道爆炸、裝置報廢、人員傷亡等。因此，混合燃氣爆炸極限的測定就成為化工設計人員考慮最多的因素之一，也是中學化學有必要介紹但目前相關演示實驗裝置還有待改進的實驗之一。

關于可燃性氣體爆炸極限演示實驗裝置的設計，自2000年以來，分別有孟憲昌[2]、肖文中[3]、林建芬[4]等進行研究且取得明顯的演示效果。其共同特點均為使用已制備的氫氣、氧氣進行混合點燃，通過不同混合比例進行爆炸極限研究。以林建芬[5]所介紹的演示裝置（如圖1所示）為例，該裝置通過改裝的塑料瓶使用排水法實現不同比例的氣體混合，并用電子點火器引爆，演示氫氣的爆炸極限測定過程。該裝置原理簡單、現象明顯，但氫氣氧氣必須事先制備，不方便在教室現場演示;且氣體體積的測定不夠精確，在定量研究上還存在可改進之處。

通過設計氫氣氧氣簡易發生裝置、借用堿式滴定管等設計混合氣體燃燒爆炸裝置，可以在教室現場演示氫氣在氧氣中爆炸極限的測定過程，且測定的氣體體積可精確到0.01mL，有效提高了數據測定的精確度。

1 裝置的組成及使用方法

氫氣爆炸極限測定演示實驗裝置由氫氣發生裝置、氧氣發生裝置、混合氣體爆炸裝置等三部分組成，測定裝置如圖2所示。

1.1 氫氣簡易發生裝置的設計及使用

氫氣簡易發生裝置由150mL的錐形瓶、50mL的堿式滴定管及雙孔橡皮塞等組成。使用的藥品有長條鋅片、常溫下密度為1.20g/mL稀硫酸。使用時在堿式滴定管的下端套上橡皮套（或橡皮筋），橡皮套下方插入用于反應的長條鋅片（如圖2左圖氫氣發生裝置）。往錐形瓶中加入120mL稀硫酸，插入堿式滴定管并套緊，關閉玻璃活塞。堿式滴定管下端的鋅片接觸稀硫酸后開始反應生成氫氣，產生的氫氣將反應液壓入堿式滴定管。當反應液的液面下降到與鋅片全部脫離后，反應停止。打開玻璃活塞，堿式滴定管中液面下降，將氫氣壓到混合氣體爆炸裝置。

1.2 氧氣簡易發生裝置的設計及使用

氧氣簡易發生裝置與氫氣簡易發生裝置相同，使用的藥品有用棉花包裹的二氧化錳粉末、常溫下濃度為5%的過氧化氫溶液。使用時在堿式滴定管的下端用橡皮筋固定內部包有二氧化錳粉末的棉花團（如圖2右圖氧氣發生裝置）。往錐形瓶中加入120mL 5%的過氧化氫溶液，插入堿式滴定管并套緊，關閉玻璃活塞。堿式滴定管下端的二氧化錳接觸過氧化氫后開始反應生成氧氣，產生的氧氣將反應液壓入堿式滴定管。當反應液的液面下降到與棉花團全部脫離后，反應停止。打開玻璃活塞，堿式滴定管中液面下降將氧氣壓到混合氣體爆炸裝置。

1.3 混合氣體爆炸裝置

混合氣體爆炸裝置由150mL的磨口錐形瓶、改裝的50mL堿式滴定管、50mL的塑料三角漏斗、氣流單向閥及自制輔助裝置組成。使用的藥品有溶有蔗糖的洗潔精、水。其中堿式滴定管改裝方法如下： 在堿式滴定管的下端加裝玻璃外管，外管下口處理成標準磨口，可與上述錐形瓶緊密磨合在一起。外管上裝有三個導氣管，均帶有玻璃活塞。其中連接活塞1、活塞2的兩個導氣管分別用于充入氫氣、氧氣，第三個導氣管用于將混合氣體放出進入氣流單向閥生成氣泡（如圖2中圖混合氣體爆炸裝置）。

使用時，往錐形瓶中裝滿水，塑料三角漏斗下端插入氣流單向閥，氣流單向閥再套在活塞3所連接的導氣管上。三角漏斗中滴入2mL溶有蔗糖的洗潔精。將改裝后的堿式滴定管插入集氣瓶（圖2中圖錐形瓶），剩余兩個導管分別用橡皮管連接氫氣和氧氣發生裝置。控制氫氣氧氣發生裝置的玻璃活塞，可以將一定體積的氫氣和氧氣分別導入集氣瓶中進行充分混合。導入的氣體將錐形瓶中的水壓入堿式滴定管中，通過堿式滴定管上液面的上升讀數可以判斷導入的氣體體積。打開并控制三角漏斗下方玻璃活塞3，堿式滴定管中液面下降，將混合氣體緩慢通過氣流單向閥進入三角漏斗中的洗潔精形成混合氣體的肥皂泡。由于溶解有蔗糖，使水分子間氫鍵明顯增強，可以得到大而穩定的肥皂泡[6]。點燃該肥皂泡，通過肥皂泡的不燃燒、安靜燃燒、爆炸等現象判斷爆炸極限。由于該爆炸僅限于氣體肥皂泡的爆炸，并有氣流單向閥阻斷，爆炸產生的火焰不會被引到氣體發生裝置中，確保安全。

2 氫氣爆炸極限測定的實驗步驟

國家標準《空氣中可燃氣體爆炸極限測定方法》中給出了可燃氣體與空氣混合物爆炸極限的具體測定方法[7]。該標準規定，用漸進法通過測試確定極限值，測定爆炸下（上）限時，如果在某濃度下未發生爆炸現象，則增大（減少）可燃氣體濃度直至測得能發生爆炸的最小（大）濃度;如果在某濃度下發生爆炸現象，則減少（增大）可燃氣體濃度直至測得不能發生爆炸的最小（大）濃度。同一試驗裝置測得的重復試驗結果，誤差不應大于5%。并且要求該測試要具有重復性，即同一個測試人員測得的重復試驗結果誤差不應大于5%;要具有再現性，不同實驗室測得的重復試驗結果的平均值誤差不應大于10%。按照該標準，設計了以下實驗步驟。

2.1 檢驗氣密性

按圖2裝置圖將儀器裝配好，關閉所有玻璃活塞。分別往三個堿式定管中加水，如加到一定量的水后液面均無法再下降且保持液面高度不變，說明整個裝置氣密性良好。

2.2 固定鋅片和二氧化錳

將三片鋅片用橡皮筋固定在堿式滴定管（圖2左圖）距離下管口5cm的管壁上;將二氧化錳用棉花包裹，用橡皮筋固定在另一堿式滴定管（圖2右圖）距離下管口5cm的管壁上，再分別加入密度為1.20g/mL的稀硫酸和濃度為5%的過氧化氫溶液。

2.3 檢驗氫氣的純度

藥品加入一段時間后，實現固液分離效果，氫氣、氧氣生成后均收集在各自發生裝置中。打開活塞1，使氫氣進入中間混合氣體爆炸裝置，氫氣將水壓入堿式滴定管，關閉活塞1。打開活塞3，控制氣流進入形成氫氣肥皂泡，關閉活塞3。點燃后如果出現清脆的爆鳴聲，說明氫氣不純。將錐形瓶中氣體全部排出，再次通入氫氣形成肥皂泡，直至點燃氫氣肥皂泡時安靜地燃燒，說明該氫氣是純凈的。

2.4 檢驗氧氣的純度

在檢驗氫氣的純度之后，打開活塞2，使氧氣進入混合氣體爆炸測定裝置，氧氣將水壓入堿式滴定管，關閉活塞2。打開活塞3，控制氣流進入形成氧氣肥皂泡，關閉活塞3。用帶火星的木條靠近，如果出現爆鳴聲，說明氧氣中還混有氫氣，不純凈。將集氣瓶中氣體全部排出，再次通入氧氣形成肥皂泡，直至帶火星的木條可以安靜地復燃，說明該氧氣是純凈的。

2.5 測定氫氣在氧氣中的爆炸極限

（1） 測定氫氣爆炸的最大體積分數： 在氫氣氧氣的混合氣體中，如果氫氣體積遠遠大于氧氣體積，其燃燒就如純凈氫氣的燃燒，呈現安靜燃燒的現象。只有當氫氣體積小于一定比例時，才會發生爆炸。因此，使用二分法尋找氫氣在氧氣中的爆炸極限： 由于50mL堿式滴定管一部分插入錐形瓶中無法讀數，取可讀數的氧氣體積40.00mL，控制每次氧氣體積為1.00mL，氫氣體積從40.00mL開始試探，如果不爆炸，再降1.00mL試探（見表1）。經過多次試探，發現氧氣為1.00mL，氫氣為37.00mL時安靜燃燒;氧氣為1.00mL，氫氣為36.00mL時爆炸;再減小區間，當氧氣為1.00mL，氫氣為36.50mL時爆炸。通過以上數據，測得氫氣爆炸的最大體積比例為氧氣1.00mL、氫氣36.50mL，此時氫氣的體積分數為97.33%。找到最大體積分數后，對該比例重復三次且結果均一致，該比例才符合測定要求（下同）。

（2） 測定氫氣爆炸的最小體積分數： 在氫氣氧氣的混合氣體中，如果氧氣體積遠遠大于氫氣體積，用燃燒著的木條靠近混合氣體，就如靠近接近純凈的氧氣，其現象為木條燃燒得更旺但不爆炸。使用試探法尋找氫氣開始爆炸的最小體積分數： 氫氣體積固定為1.00mL，氧氣體積從37.00mL起開始試探，此時木條火焰更旺但不爆炸;氧氣再按每次降1.00mL試探，直至氧氣為30.00mL，仍不爆炸。此時增加氫氣體積為2.00mL，氧氣保持為20.00mL再試探仍不爆炸（見表2）。經過多次試探，發現氫氣為3.00mL，氧氣為20.00mL時無爆鳴且燃燒，火焰更旺;氫氣為4.00mL，氧氣為20.00mL時發生輕微爆鳴;再將氫氣減少為3.50mL，氧氣為20.00mL時輕微爆鳴（見表2）。重復三次，結果均一致。通過測定，可以判斷氫氣爆炸的最小體積比例為氫氣為3.50mL、氧氣為20.00mL，即可計算出氫氣爆炸的最小體積分數為14.89%。

綜合以上兩個數據可以得出，在該實驗條件下氫氣在氧氣中的爆炸極限為14.89%～97.33%。

3 裝置設計及使用的意義

魏書斌等[8]認為，中學生學習化學的時間和動手實驗的機會減少，學生學習化學的興趣在消退。解決這一問題的對策包括統籌兼顧演示實驗、分組實驗、探究實驗和家庭實驗，提高師生研究性學習能力等。本演示實驗裝置設計的初衷就是通過模擬氫氣爆炸極限的測定，強化學生對可燃性氣體燃燒安全性的關注，并在實驗過程中強化定量研究的嚴謹性。測定的結果是在該實驗條件下，氫氣在氧氣中的爆炸極限為14.89%～97.33%。 但是，根據楊金翠等[9]測定的結果為： 氫氣在純氧氣中爆炸極限下限為4.0%，上限為94.0%。數據上存在較大差別的原因可能與測定的條件有關，楊金翠等測定的數據是在隔絕空氣的條件下用電子脈沖點火的;而本裝置實驗并未完全隔絕空氣，含有水蒸氣且用明火點燃氫氧混合氣體形成的肥皂泡。基于正常的生活條件，完全純凈的氫氣和氧氣的混合爆炸是不現實的，含有水蒸氣等氣體的爆炸反而更常見。因此，在演示實驗后，應組織學生分析文獻數據與本實驗數據的差別及其可能原因。通過分析，培養學生尊重實驗數據、辯證分析數據的科學習慣。本實驗裝置已在課堂上進行演示，并在科學課中讓小學生、初中生、高中生等不同學段學生體驗。通過讓更多的學生參與實驗過程，使實驗裝置的教育和警示作用得以更大范圍的傳播，這是裝置設計及使用的意義。

（1） 原理簡單而創意不簡單。設計的氫氣、氧氣簡易發生裝置，用橡皮筋將鋅片、棉花包裹二氧化錳固定在滴定管下管實現固液分離，小創意達到了啟普發生器的效果。將劇烈危險的氫氣爆炸改進為氫氧肥皂泡的爆炸，既安全環保又可以通過氣泡的爆炸與否判斷爆炸極限的范圍，便于推廣應用。

（2） 儀器簡單而現象不簡單。用改裝的堿式滴定管、錐形瓶、三角漏斗及氣流單向閥等即可設計出氫氣爆炸極限測定的演示裝置。以氣泡的燃燒、火焰的大小、爆鳴的聲音等形成強烈的視覺和聽覺沖擊，讓學生更直觀地理解爆炸極限的測定原理。

（3） 過程簡單而影響不簡單。將粗略的體積測定改進為精確度為0.01mL的定量研究過程，通過在課堂上演示、體驗進行警示教育以及簡易的操作讓學生體會啟普發生器的原理、混合氣體燃燒爆炸的過程及爆炸極限測定的步驟、注意事項，有效地提高了學生的化學學科核心素養。

總之，實驗設計的目的不是為設計而設計，而是為了解決生產、生活和學習中的問題。通過氫氣爆炸極限測定演示實驗裝置的創新設計、課堂演示以及在科學課上體驗，可以有效地提高了學生的創新精神、實踐能力和安全意識，有利于學生核心素養的培養。

參考文獻：

[1]武麗娜， 陳睿謙， 徐瑩， 張喜春. 確定混合燃氣爆炸極限的重要意義及計算方法[J]. 化肥設計， 2014， 52（2）： 18～21.

[2]孟憲昌. 氫、空氣混合氣體爆炸極限實驗的演示[J]. 化學教育， 2000， （11）： 43.

[3]肖文中， 何維建. 自制可燃性氣體“爆炸極限”測定器及爆鳴演示器[J]. 實驗教學與儀器， 2011， （5）： 48～55.

[4][5]林建芬. 一種適用于定量科學探究活動的氫氣爆鳴演示儀[J]. 教育與裝備研究， 2017， （5）： 75～78.

[6]葉麥琪， 葉永謙， 陳珍珠. 巧用“肥皂泡”設計幾種常見氣體檢驗的分組實驗方案[J]. 化學教學， 2017， （5）： 69～73.

[7]GB/T 12474-90. 空氣中可燃氣體爆炸極限測定方法[S]. 北京： 中華人民共和國國家質量監督檢驗檢疫總局， 中國國家標準化管理委員會， 2008.

[8]魏書彬， 陳加柱. 淺議高中化學實驗教學的問題與對策[J]. 化學教學， 2015， （11）： 76～78.

[9]楊金翠， 吳志剛. 對氫氣與氧氣混合發生爆炸的分析[J]. 內蒙古科技與經濟， 2007， （2）： 105.