氫氣爆炸實驗的再改進(jìn)

游子涵 姜建文

摘要：“燃燒與滅火”是人教版初中化學(xué)九年級的重要內(nèi)容之一，涉及了許多生活知識，而氣體爆炸更是生活中重要的安全知識。在前人研究的基礎(chǔ)上，對氫氣爆炸的實驗裝置再次進(jìn)行改進(jìn)，采用生活中常用的注射器和廢打火機(jī)點火器做反應(yīng)裝置，改進(jìn)后的實驗儀器具有小巧便攜、安全環(huán)保、材料易獲取以及實驗現(xiàn)象明顯等優(yōu)點。

關(guān)鍵詞：氫氣爆炸;裝置改進(jìn);實驗創(chuàng)新

文章編號：1008-0546（2022）06-0096-02

中圖分類號：G632.41

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

doi： 10.3969/j .issn.1008-0546.2022.06.022

一、問題的提出

氫氣爆炸的實驗是人教版初中化學(xué)的重要課外拓展實驗之一。在2001版的人教版九年級化學(xué)教科書的67頁，該實驗描述如下：取一個去蓋底部鉆有小孔的紙簡，用紙團(tuán)堵住小孔。用排空氣法收集一筒氫氣，倒置時紙筒下墊一根火柴，使筒的下邊緣一端稍稍抬起。拿掉堵小孔的紙團(tuán)，用燃著的木條在小孔處點燃，然后聽聲音…。（教科書上的實驗裝置，圖1）

雖然教科書上“氫氣爆炸”的實驗裝置有一定的科學(xué)性，但在教學(xué)實踐過程中，該實驗存在以下不足之處：

（1）安全性差。由于用火柴進(jìn)行點火，火柴梗過短且點火者距離爆炸裝置太近，存在一定的安全隱患。

（2）收集氫氣困難。爆炸裝置上下連通空氣，無法保證裝置的氣密性，在收集過程中氫氣容易逸出。

（3）實驗現(xiàn)象不明顯。根據(jù)教科書上的描述，實驗現(xiàn)象為氫氣安靜地燃燒，產(chǎn)生淡藍(lán)色火焰后爆炸，但在收集氫氣時無法判斷氫氣在紙筒中的含量，且點火速度稍慢，紙筒內(nèi)的氫氣容易快速逸散至空氣中，點火不成功導(dǎo)致實驗現(xiàn)象不明顯。

為了解決教科書中這一實驗裝置的種種不足，許多學(xué)者從多方面進(jìn)行了改進(jìn)：

（1）改進(jìn)點火裝置。朱柯銘[2]等學(xué)者采用脈沖電流點火;李少坤[3]、劉振奎[4]等學(xué)者采用電子打火器點火;以及王漢彬[5]、張羿[6]等學(xué)者采用壓電陶瓷點火器進(jìn)行點火。

（2）改進(jìn)爆炸容器。魏振華[7]等學(xué)者采取廢舊塑料瓶作為爆炸容器;楊艷[8]、張羿[6]等學(xué)者選取針筒作為爆炸容器。

（3）改進(jìn)制取氣體的方式。陳家寶等學(xué)者采用電解水的方式制取氫氣。

（4）裝置一體化改進(jìn)。楊梅等學(xué)者將制取氫氣的裝置與氫氣爆炸的實驗裝置相結(jié)合起來。

筆者翻閱諸多文獻(xiàn)發(fā)現(xiàn)，在氫氣的實驗裝置改進(jìn)的問題上，許多學(xué)者擁有不同的看法，但是少有將點火裝置和爆炸的容器同時進(jìn)行改進(jìn)的，盡管張羿[6]對點火裝置和爆炸的容器進(jìn)行了改進(jìn)，但使得實驗裝置比較笨拙，不方便攜帶，也產(chǎn)生了和教科書實驗同樣的問題——收集氣體較為困難。實驗裝置如圖2。

二、實驗改進(jìn)

張羿[6]研究的氫氣爆炸裝置（圖2）中的爆炸室粘在木板上開口朝上，在收集氫氣過程中，氫氣容易從上口逸散至空氣中，且無法確定氫氣和空氣的混合比例。另外，在爆炸時無法控制橡膠塞彈起的角度，這對實驗中的師生都存在一定的安全隱患。在不斷地思考與多次試驗之后，筆者對張羿研究的氫氣爆炸裝置進(jìn)行再次改進(jìn)，選取50 mL注射器、廢打火機(jī)點火器、兩根細(xì)導(dǎo)線以及橡膠塞，實驗裝置如圖3。該實驗裝置先將廢打火機(jī)點火器的正負(fù)極用兩根細(xì)導(dǎo)線延長至50 cm以上，再將延長的導(dǎo)線穿過橡膠塞并用熱熔膠槍密封，同時在橡膠塞底部劃出一個與注射器口徑大小相仿的圓環(huán)，注射器口徑插入膠塞時氣密性良好，最后組裝在一起如圖4。

在對氫氣爆炸的爆炸室進(jìn)行改進(jìn)后，又亟需解決氫氣收集困難的問題。通過多次實驗后，筆者利用50 mL針筒作為氫氣的收集裝置，再次對制取氫氣的裝置進(jìn)行改進(jìn)，以達(dá)到定量收集氣體的目的。制取裝置如圖5。取5 mL 4 mol/L的稀鹽酸溶液于50 mL針筒中，少量鋅粒于50 mL錐形瓶中，定量制取氫氣。

氫氣在空氣中點燃不一定發(fā)生爆炸，只有處于氫氣的爆炸極限內(nèi)才會發(fā)生爆炸。氫氣的爆炸極限是4.0% -75.6%（體積濃度），也就是說如果氫氣在空氣中的體積濃度在4.0% -75.6%之間時，遇火源就會爆炸，而當(dāng)氫氣濃度小于4.0%或大于75.6%時，即使遇到火源，也不會爆炸。也就是說，空氣的濃度應(yīng)該處于24.4%-96%之間。在多次實驗后，發(fā)現(xiàn)空氣的體積取50%左右時實驗現(xiàn)象更明顯。實驗操作如下：選取圖5的氫氣制取裝置，收集10 mL的氫氣于50 mL注射器中，再吸人空氣約10 mL左右，按照圖3的氫氣爆炸的實驗裝置快速組裝，并按下打火器，觀察實驗現(xiàn)象。

三、實驗改進(jìn)后的創(chuàng)新之處

1.實驗的安全性大幅度提高。改進(jìn)后的實驗采用50 mL的注射器，氫氣與空氣混合后的氣體體積小于30 mL，氫氣爆炸的現(xiàn)象從劇烈的爆炸聲變成輕微的響聲，并主要體現(xiàn)在彈開的橡膠塞上。其次，橡膠塞與50 cm長的導(dǎo)線相連，能很好地控制橡膠塞的運(yùn)動范圍，并且預(yù)留的50 cm長度也不會傷害到實驗操作者，教師可以讓學(xué)生親自動手操作，觀察氫氣爆炸的實驗現(xiàn)象，在實驗中切實提升學(xué)生的安全意識。

2.實驗裝置簡單易獲取，操作方便。從氫氣制取的實驗裝置到氫氣爆炸的實驗裝置都采用同一根50 mL注射器，本實驗中用到的廢打火機(jī)的點火器與錐形瓶為常見的生活用品及實驗儀器，容易獲取。同時實驗操作只需要輕輕一按點火器開關(guān)，就能看到明顯的實驗現(xiàn)象。采取生活中常用的注射器和廢打火機(jī)點火器，能夠培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)造能力和廢物利用的意識，讓學(xué)生意識到生活與化學(xué)緊密相連，從而對化學(xué)產(chǎn)生濃厚的學(xué)習(xí)興趣。

3.實驗的試劑用量少，綠色環(huán)保。氫氣爆炸的實驗裝置采取的都是“微型”儀器，使用的試劑也少而精，同時安全環(huán)保無污染。小小的電火花就能引發(fā)“爆炸”，見微知著，能更好地培養(yǎng)學(xué)生小心處理易燃易爆物的安全意識以及嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)態(tài)度。

4.裝置成功率高，具有較強(qiáng)的實用性。經(jīng)過多次實驗，發(fā)現(xiàn)該裝置成功率幾乎達(dá)百分之百。該實驗裝置能夠讓學(xué)生不斷改變氫氣和空氣的混合比例進(jìn)行實驗，從而更清晰地了解氫氣爆炸極限的含義。除此之外，該實驗裝置還可以用于演示其他可燃性氣體如甲烷等的爆炸實驗。

參考文獻(xiàn)

[1]人民教育出版社，課程教材研究所，化學(xué)課程教材研發(fā)中心.義務(wù)教育課程標(biāo)準(zhǔn)實驗教科書化學(xué)九年級上冊[M].北京：人民教育出版社，2007.

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[5]王漢彬，余成龍.氫氣與空氣混合氣爆炸實驗新做法[J].實驗教學(xué)與儀器，2000（10）：8.