氫氣檢純及其爆炸極限測定實驗方法的教學思考

田博文 劉懷樂

關鍵詞：氫氣驗純;爆炸極限范圍;測定方法;教學思考

最近從《化學教學》2019年第7期第72頁上讀到一篇題為“氫氣爆炸極限測定演示實驗裝置的新設計”的文章，很受啟發，收益良多。仔細研讀之后，產生了以此為題的教學思考，供初中化學教學同仁們參酌。

1檢驗氫氣純度的傳統方法

現行初中化學教材簡化了檢驗氫氣純度的方法。不過，幾乎所有的教師都還在沿用原來初中化學教材（和教學參考書）所陳述的一些細節和方法。

第一種“用排水集氣法收集一試管氫氣……，如果聽到尖銳的爆鳴聲，就表明氫氣不純，需要再收集，再檢驗，直到響聲很小，才表明氫氣已經純凈”。

第二種“如果用向下排空氣法收集氫氣，經檢驗不純而需要再檢驗時……”。

對于第一種檢驗方法，在敘述上還不夠確切。學生對“聽到尖銳的爆鳴聲”的語句，理解上似乎不成問題，可是一做實驗就缺乏具體的辨別能力了。為了加強對這種尖銳的“爆鳴聲”的印象，擬把這句話改述為“聽到尖銳的吹口哨似的爆鳴聲”為好。其次，教材在“發現氫氣已純凈”的敘述中，學生對這“響聲很小”，小到什么程度，很缺乏實感。而且純凈的氫氣除了點燃“響聲很小”之外，還有什么特征在敘述上還欠具體。最好將原文改為“……再檢驗，直至輕微發出‘噗的響聲之后，還能安靜地燃燒，才表明氫氣已經純凈”。這點在檢驗氫氣的純度時很重要。凡是能夠安靜燃燒的氫，就可以視為較純氫（不在爆炸極限范圍內），除了點燃時發出輕微的“噗”的響聲之外，那就是還能安靜地燃燒，或者說，凡是能夠安靜燃燒的氫，就可以視為純氫（準確地說是不在爆炸極限內）。這樣的氫氣在集氣瓶口點燃時，同樣能安靜地燃燒，不會有爆炸的危險。總之，在現象上是否發出輕微的“噗”的響聲和能持續安靜地燃燒，這是純凈氫氣的兩個特征。當學生掌握了這樣的特征以后，就一定能增強他們實踐的主動性和自信心，提高他們的實驗能力。

對于第二種檢驗方法，我們認為是不恰當的。大家知道，對于任何可燃性氣體，在點燃之前都應當先檢驗它的純度。而檢驗任何可燃性氣體的純度，都不宜采用排空氣法收集氣體來檢驗，何況氫氣是所有氣體中密度最小的。如果用向下排空氣法集氣，集氣試管即使充滿了，啟普發生器中的氫氣也不一定純凈，很可能在啟普發生器內空氣還未排盡，而集氣試管中已可能獲得純凈的氫氣。這樣的集氣方法只憑估計是否充滿，甚至不具有氣密性的氫氣發生器，也能在集氣小試管中集滿“純氫”。因此，用向下排空氣法收集氫氣來檢驗其純度，是一種很不嚴謹的錯誤的操作方法。

2氫氣純度的正確檢驗方法

為準確判定氫氣發生裝置排出的氫氣已十分純凈，可用排水法集滿三支試管氫氣。當分別使試管水平、管口向上、管口向下的三種方式接近燈焰時，會依次發出弱的口哨聲、較強的口哨聲和“噗”的響聲。

可見，通過點燃氫氣發出的爆鳴聲來判斷氫氣的純度還跟實驗操作的方法有關。這是因為：當試管口從水平方向移近火焰點燃，會有少部分氫氣逸出，少部分空氣擴散進管內，形成少量爆嗚氣，會出現弱的爆嗚聲;當試管口向上移近火焰點燃，管內氫氣逸出的量與擴散進入管內空氣的量都會增多，會形成了較多的爆鳴氣，所以點燃時會發出較強的爆鳴聲;只有當試管口向下移近火焰點燃，由于氫氣輕，管內的氫氣很難外逸，管外的空氣也很難進入，這時才能正確地觀察到點燃純凈的氫氣在發出輕微的“噗”的響聲之后，還能呈現安靜燃燒的現象。這后者才是檢驗氫氣純度的正確方法。

3氫氣“爆炸極限”的測定

教學中容易給學生留下一個認識上的誤區，即認為點燃氫氣時只要能發出輕微的“噗”的響聲，且能持續燃燒，這種氫氣就一定是純的。事實并不完全如此。這里有一個可燃性氣體“爆炸極限”的問題值得研究。

將七個大小相同的試管都劃上十等分刻度線，分別裝入水的體積數為9、8、7、5、3、1、0.5，然后蓋上玻片迅速倒扣插入水槽中。分別用排水法小心地緩緩通入氫氣至試管的水剛好排盡，將得到氫氣與空氣的混合氣體作爆鳴實驗。實驗記錄見表1。

可見，表中所列的氫氣都是不純的，但是，只有當氫氣在空氣中的體積百分比高于70%時，氫氣才可以持續安靜地燃燒而不發生爆炸。

當氫氣的體積百分比下降到5%以下燃點時，不能發生爆鳴和燃燒。而氫氣的體積約在10%～70%之間燃點時，則有爆炸的危險。特別是表內序號5，氫氣的體積含量在30%時，H2與空氣中02的體積關系恰好為2：1，H2、02恰好能反應完全，因而點燃時有猛烈爆炸的危險（發出最尖銳的爆嗚聲）。這就從實驗證實了原來九年級化學課本第55頁所陳述的結論：“空氣里如果混入氫氣的體積達到總體積的4%～74.2%這個范圍，點燃時就會爆炸。這個范圍叫做爆炸極限”（注：目前一些書中所列出的氫氣爆炸極限的數值有較大出入。例如由戴安邦教授編著的《無機化學教程》上冊第116頁所述：“氫與空氣的混合氣體只要含有9.5%～65%體積的氫，點燃時即發生爆炸”）。由于純度在74.2%以上的氫氣可以安靜燃燒。從這個意義上講，在普通的化學實驗中，凡是高于爆炸極限上限的氫氣，一般可視為純凈的氫氣。

4教學思考

第一，可燃性氣體（比如H2、CH4、c2H2）在空氣中的爆炸極限與在氧氣中的爆炸極限，是兩個完全不同的概念，有著完全不同的兩種數值。前者有普遍的實用意義，后者多有研究上的理論價值。教學上，主要要求的是理解H2在空氣中的爆炸極限，如表2所示。

第二，無論初中化學還是高中化學都是屬于啟蒙化學范疇，學生的所見所聞都僅僅是學習化學的開始。在演示實驗操作裝置上使用酸式滴定管、堿式滴定管、三角漏斗，Mn02催化H202分解制02，且精確度都要求精確到0.01 mL。測得的是氫氣在氧氣中的爆炸極限為14.89%～97.33%。這些是啟蒙階段學習化學的初三學生所能理解與接受的么？這難道不是一種跨越式的教學形態？這些很值得反思。

第三，可燃性氣體爆炸極限的測定，是在一定的大氣壓、水蒸氣壓等特殊條件下測定的化學常數。而演示實驗裝置新設計文章所得結果提供的H2在02中的爆炸極限數值是14.89%～97.33%，這不具有可信度。因為實際測定數據跟權威文獻所提供的數據（4.5%～95%）相距甚遠，很難有引用的價值。