借助長柄U形玻璃管改進氫氣性質實驗

李德前 魏海 甘磊 朱玉忠

摘要： 借助長柄U形玻璃管的特殊結構，改進氫氣吹肥皂泡、氫氣驗純、燃燒及爆炸、氫氣還原氧化銅等實驗。改進后的氫氣性質實驗，增加了趣味性和安全性，顯著提高了實驗教學效果。

關鍵詞： 長柄U形玻璃管; 氫氣性質實驗; 實驗改進

文章編號： 10056629（2019）9007505? ? ? ? ? ? 中圖分類號： G633.8? ? ? ? ? ? 文獻標識碼： B

長柄U形玻璃管是將玻璃管的一端彎曲成U形（如圖1所示），具體應用時玻璃管的粗細、長短及U形管的寬度可以結合具體實驗而靈活選擇。筆者在實驗教學中，借助長柄U形玻璃管對有關氫氣的性質實驗進行了一系列優化，取得了顯著的實驗教學效果。

1? 氫氣吹肥皂泡實驗

原人教版義務教育初三化學教科書及現行粵教版九年級化學教科書中利用氫氣流吹肥皂泡實驗[1～2]（裝置見圖2），其不足之處是氣泡不易吹大，而且容易破裂。我們借助長柄U形玻璃管吹出的氫氣泡，既大又結實。

1.1? 實驗用品

長柄U形玻璃管（管徑為8mm的普通玻璃管制成，容積約30mL）、單孔橡皮塞、鐵架臺（含鐵夾）、兒童吹泡器（截取前端）、注射器;氫氣（提前制取）、吹泡液（自行配制）

1.2? 實驗裝置

新設計的實驗裝置見圖3。

1.3? 實驗步驟及現象

（1） 為了得到較大且不易破裂的氫氣泡，需要提前配制吹泡液，即向10mL蒸餾水中滴入2mL洗潔精、4mL文具膠水與2mL甘油，然后攪拌均勻[3]。

（2） 截取兒童吹泡器前端，將其接到U形管的管口上，然后將足量的吹泡液注入U形管中。再按圖3所示，連好實驗裝置（確保氣密性良好）。

（3） 輕推注射器活栓，向長柄U形玻璃管里緩緩通入氫氣。由于玻璃管里本來充滿空氣，因此一開始形成的是空氣泡，該氣泡離開U形管口后會較快地下沉。

（4） 繼續向玻璃管里緩緩推入氫氣，可以觀察到，在U形管口形成的氣泡不斷增大;當氣泡大小合適時，停止通氣，然后用氣唧（距離氣泡大約10cm左右）對著氣泡鼓氣，氣泡就會迅速離開U形管口，并快速飛向空中，如果在陽光下還能看到氫氣泡上出現七彩條紋。當上一個氫氣泡飛走后，再繼續通入氫氣，下一個氫氣泡又立刻出現，并不斷增大，等到氣泡大小合適時再用氣唧吹走氫氣泡（如此反復，即可不斷吹出氫氣泡）[4]。引導學生對比空氣泡與氫氣泡在空氣中的運動情況，得出“氫氣密度小于空氣”的結論。

（5） 也可以使用一個直流小風扇對著U形管口不停地吹風（當然氫氣要不間斷地緩緩推入），這樣就能連續快速地吹出氫氣泡，只是形成的氫氣泡不夠大。建議不要用嘴去吹氣泡，一來不雅，二來氣流不穩（吹力過大則氣泡容易破裂，吹力過小則氣泡難以飛走）。

（6） 還可以借助于鑷子（先將鑷子尖端在吹泡液中浸濕一下）直接將氫氣泡輕輕夾走（氣泡同樣不會破裂），然后松開鑷子，氫氣泡即刻快速上升。

（7） 此處若要引燃氫氣泡，可以在氫氣泡上升的過程中，借助于電子打火槍（或電蚊拍）將氫氣泡引燃，并產生爆鳴聲;不停地擊打一個一個的氫氣泡，就會連續發出“啪啪”聲，有如燃放鞭炮，不僅有視覺效果，還有聽覺刺激。這從化學性質（可燃性）證明，氣泡中的氣體確實是氫氣。

（8） 實驗結束，整理實驗藥品。

1.4? 實驗優點

（1） 兒童吹泡器前端是帶有濃密紋路的塑料圓圈，可以吸附較多的吹泡液。將大小合適的兒童吹泡器前端套在長柄U形玻璃管的管口，就能吹出較大的氫氣泡。使用自制的黏性吹泡液，吹出的氫氣泡表面張力較小[5]，能使氣泡穩定、不易炸裂。因此，提高了實驗的成功率。

（2） 該實驗通過推動注射器活栓控制氫氣流，可以隨時掌控氫氣泡的形成速度及大小。另外，氫氣無需干燥，也簡化了實驗操作。

（3） 該裝置增強了實驗的趣味性，激發了學生學習化學的好奇心。

2? 氫氣的驗純、燃燒及爆炸實驗

原人教版義務教育初三化學教科書及現行人教版、粵教版、滬教版（上海地區使用）、仁愛版、魯教版九年級化學教科書，浙教版八年級科學教科書中，都編排了氫氣的驗純、燃燒與爆炸等實驗[6～12]。

上述各版教科書有關檢驗氫氣純度的實驗都是利用向下排空氣法將氫氣收集在小試管里，然后進行點火、聽聲（見圖4）。其實這樣無法知曉氫氣是否集滿，接下來再根據點火時產生的爆鳴聲強弱去判斷氫氣是否純凈，其結論也是不可靠的，甚至存在安全隱患。

另外，氫氣的燃燒實驗，也很難觀察到淡藍色火焰（多是玻璃管中鈉元素引起的黃色火焰），這勢必降低了實驗的可信度。

有關氫氣爆炸的實驗也都是直接用燃著的短木條去點燃容器內的氫氣（見圖5），這使不少的操作者心有余悸;如果爆炸聲強烈，又會給學生帶來恐懼感，從而影響學生后續的化學實驗活動。

經過改進，我們利用石英材質的長柄U形玻璃管，將氫氣的驗純、燃燒及爆炸實驗融為一體，現象直觀，爆炸強度適當，安全可靠，操作簡便。

2.1? 實驗用品

長柄U形玻璃管（管徑為12mm的石英玻璃管制成，容積約35mL）、單孔橡皮塞、鐵架臺（含鐵夾）、火柴、酒精燈;氫氣、水

2.2? 實驗裝置

新設計的實驗裝置見圖6。

2.3? 實驗操作及現象

（1） 在長柄U形玻璃管的U形管里倒入適量的水（液面達到U形管的一半即可），然后按圖6連好實驗裝置（確保氣密性良好）。

（2） 打開氫氣發生裝置（或氫氣儲氣囊）的旋塞，緩緩通入氫氣。氫氣通過水的阻隔從U形管口流出。

（3） 稍后用火柴在U形管口點燃（注意提醒學生做好有驚無險的心理準備），若產生尖銳的爆鳴聲，說明氫氣不純，其體積分數在4%～74.2%的爆炸極限內。不過，由于U形管內水的阻隔，爆炸僅會發生一次，而且絕不會引爆氫氣發生裝置。

（4） 3～5秒后再次在U形管口點燃氫氣，一般都能安靜燃燒，說明氫氣較純（其體積分數高于74.2%）。

（5） 在氫氣安靜燃燒時，可以在火焰后面襯托一個黑色的紙板，有利于師生清晰觀察到氫氧焰為淡藍色。再將一個干冷的小燒杯罩在火焰上，則燒杯內壁很快出現大量的水霧。

（6） 實驗結束，整理實驗用品。

2.4? 實驗優點

（1） 實驗將氫氣驗純、燃燒及爆炸融為一體，簡化了實驗操作。該裝置還能用于一氧化碳、甲烷等可燃性氣體的驗純、燃燒和爆炸等實驗，因此應用范圍較廣。

（2） 該裝置具有防爆作用，因此無需刻意去檢驗氫氣純度[13]。只要通入氫氣后，就可以放心點燃，若發生爆鳴，就相當于演示了氫氣爆炸實驗，同時驗證了氫氣純度;若安靜地燃燒，就相當于做了氫氣燃燒實驗，同時也包含了氫氣的驗純操作。

（3） 該實驗既讓學生感到驚險、刺激，又能降低他們對爆炸的恐懼心理，有利于激發學生熱愛化學、探究科學的欲望。該實驗的可操作性強，能使更多的化學教師輕松完成燃氣的驗純、燃燒、爆炸等一系列演示實驗。

（4） 此實驗有利于學生進一步認識燃燒和爆炸的條件，體會到燃燒與爆炸的重要性與可控性，從而提高他們抵御科學風險的意識[14]。

（5） 使用石英玻璃管，排除了氫氣燃燒過程中鈉元素的干擾，真正看到了淡藍色的氫氧焰，增強了實驗的實證性。

3? 氫氣還原氧化銅實驗

原人教版義務教育初三化學教科書及現行滬教版（上海地區使用）九年級化學教科書中，都安排了氫氣還原氧化銅實驗[15， 16]（見圖7）。進行該實驗時，為了確保安全，必須先向玻璃管內通一會兒氫氣以排盡其中的空氣，然后加熱氧化銅，但空氣有沒有排盡、何時排盡，則無法直觀感知。很多教師課堂演示時為了確保安全，都是較長時間地通入氫氣，這又增加了藥品的用量[17]。另外，將較多的沒有反應的氫氣直接排入室內，也有安全隱患，畢竟氫氣的爆炸極限很寬泛。

筆者利用長柄U形玻璃管對該實驗進行定量化設計，可以直觀地發現空氣是否排盡，并將尾氣進行收集、處理。

3.1? 實驗用品

長柄U形玻璃管（管徑約10mm的石英玻璃管制成，容積約30mL）、酒精燈、鐵架臺（含鐵夾）、100mL注射器（保留金屬針頭）、小氣球、藥匙（或剪成斜口的飲料吸管）;氧化銅粉末、氫氣（貯存在100mL注射器內）、無水硫酸銅

3.2? 實驗裝置

新設計的實驗裝置見圖8。

3.3? 實驗操作及現象

（1） 提前制取氫氣，然后將其吸入100mL注射器內（再將注射器針頭扎入橡皮塞中封閉），備用。

（2） 使用剪成斜口的塑料吸管，將少許氧化銅粉末送入U形玻璃管內，并平鋪于管底;借助于藥匙的小匙，將少量白色的無水硫酸銅粉末送入長柄U形玻璃管的直管內，并平鋪于直管中部，然后將一個小氣球套在長柄U形玻璃管直管的出口。

（3） 如圖8所示，連好整個實驗裝置（確保氣密性良好）。

（4） 緩慢推動注射器活栓，向長柄U形玻璃管里通入氫氣，由于氫氣密度遠遠小于空氣，因而氫氣能在U形管的左支管內自上而下較為徹底地趕走空氣（空氣會進入小氣球內）。當推入玻璃管內的氫氣達到30mL時，說明長柄U形玻璃管內的空氣已基本排盡[18]。

（5） 接著點燃酒精燈，利用其外焰預熱U形管底部，然后對準氧化銅粉末加熱，并繼續緩緩地向玻璃管內推入氫氣。當加熱到50秒左右時，氧化銅粉末逐漸由黑變紅;當加熱到100秒左右時，黑色固體全部變為明顯的紅色固體，小氣球也變大了一些，且玻璃管內壁附著大量無色液體，白色無水硫酸銅也部分變藍。

（6） 熄滅酒精燈，停止加熱，稍后停止通入氫氣。

（7） 等到玻璃管恢復到室溫后，取下小氣球，點燃其中的尾氣，能夠聽到劇烈的爆鳴聲，說明小氣球內是混有空氣的氫氣（也再次演示了氫氣爆炸實驗）。

（8） 取少許還原出來的紅色粉末裝入小試管內，倒入足量的稀硫酸，振蕩，如果沒有明顯的變化，說明還原產物全部是銅;如果紅色固體有殘留且出現藍色溶液，說明還原產物中既有銅又有氧化亞銅。

（9） 實驗結束后，整理實驗用品。

3.4? 實驗優點

（1） 通過巧妙的定量化設計，能及時發現長柄U形玻璃管內的空氣是否排完，因此提高了實驗的安全性和可操作性。

（2） 氫氣的用量明顯減少，因此提高了實驗的簡約性。

（3） 增加了尾氣收集裝置，能強化師生的安全意識。

（4） 本實驗含有定量操作，有利于培養學生的定量思維[19]。

4? 結束語

長柄U形玻璃管是直管與U形管無縫組合的微型儀器，其特殊構造決定了它具有一器多用的功能，為我們改進化學實驗搭建了很好的思維平臺，為改變實驗儀器激發了靈感。實踐證明，長柄U形玻璃管具有較強的實用性和普適性，有良好的推廣價值。

參考文獻：

[1][6][16]人民教育出版社化學室. 九年義務教育三年制初級中學教科書·化學（全一冊）[M]. 北京： 人民教育出版社， 2001： 53， 54， 55.

[2]江琳才， 錢揚義， 李開祥. 義務教育課程標準實驗教科書·化學（九年級上冊）[M]. 北京： 科學出版社; 廣州： 廣東教育出版社， 2012： 124.

[3]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.