氫氣爆炸實驗的改進與創新設計

陳 建 姚惠琳 徐思晴

（1.廈門市海滄區北附學校 福建 廈門 361026；2.廈門市海滄區教師進修學校附屬學校 福建 廈門 361026）

一、問題的提出

氫氣作為認識物質性質和了解變化規律的常涉及的物質，在初中化學教材中多次出現（如表1所示），學生對爆炸等實驗興趣濃厚，根據教學需要和提升實驗演示的趣味性，教師往往會演示氫氣爆炸實驗。大多數采用圖1裝置進行實驗。

圖1 點燃氫氣和空氣的混合物的裝置圖

表1 三套初中化學教材中氫氣知識編排

科學出版社和人教版（2001年版）的教材中均采用該演示實驗裝置圖，但人教版后續的版本已經刪掉該裝置。教材上的裝置在進行課堂演示的時候存在以下不足。

（1）體驗感不好，利用小木條進行點燃，實驗者近距離接觸爆炸裝置，懷有恐懼心理，也可能存在一定的危險。

（2）成功率低，因為使用到的是排空氣法收集氫氣，難以估計收集的氫氣的量，不利于空氣和氧氣混合，再有就是裝置不密閉，收集的氫氣有可能逸出。

（3）效果不夠震撼，氫氣爆炸實驗都是用氫氣和空氣混合，實際參與反應的氫氣和氧氣的質量比較少，爆炸聲音普遍偏小。

二、改進研究現狀

氫氣爆炸實驗的改進一直是研究的熱點，一線教師已經提供了一些行之有效的改進經驗，主要有以下幾個方面：

（1）容器的改進（如圖2所示）。保鮮袋［1］，體現定量思想能夠確保實驗成功率；廢舊塑料瓶［2］，重復利用，安全性高；肥皂泡［3］，操作較簡單，安全性高，也適合學生實驗；針筒［4］，氫氣體積小，安全性高。

圖2 容器的改進

（2）點火方式改進（如圖3所示）。煤氣點火槍［5］，離爆炸容器較遠，提升安全性；遙控脈沖點火器［6-7］，遠離爆炸容器，安全性大大提高。

圖3 點火方式改進

（3）一體化設計。李德前等老師設計的發生爆炸一體化實驗裝置（如圖4所示）。以上實驗改進效果良好，但都是利用氫氣和空氣混合的方式進行爆炸實驗，在爆炸效果方面不夠震撼，此外點火方式上，直接點燃可能給實驗者帶來恐懼，利用遙控脈沖點火器會使裝置變得比較復雜。

圖4 一體化設計

三、實驗改進

1.反應物濃度的變化，采用氫氣和純的氧氣混合進行實驗。

采用氫氣與氧氣可以使有效參與反應的氣體的量更多，氫氣爆炸極限（體積分數）的范圍在4.0%到74.2%之間，根據方程式可知氫氣體積是氧氣體積兩倍時，能恰好完全反應，有研究表明空氣和氫氣的體積比在1∶1時爆炸效果更明顯，［8］但李桂芬等［9］研究發現氫氣和氧氣體積比約為2∶1時，爆炸強度最大，經過多次實驗也發現氫氣和氧氣的體積比為2∶1時爆炸效果更明顯，分析原因：除了根據反應時氫氣和氧氣以2∶1的體積比進行，還可能與氫氣和空氣的混合程度有關。

2.點火方式的變化

利用激光筆點燃火柴，可以使實驗者遠離爆炸裝置。傳統的點火方式利用火柴或者小木條，和爆炸裝置距離比較近，實驗者內心可能感到恐懼，實驗體驗感較差。有些學者利用遙控點火，整套裝置會顯得比較復雜。激光筆點火方法：將火柴放置在爆炸裝置的點火處，然后利用激光筆點燃火柴，距離可控，安全又便捷。

3.實驗用品

稀硫酸、鋅粒、小型便攜式氧氣瓶（濃度大于99.5%）、錐形瓶、長頸漏斗、直角導管、膠皮管、水槽、火柴、鐵架臺（帶鐵圈）、8W藍光激光筆、保鮮袋、300 mL可樂瓶（瓶蓋打孔直徑大概0.5 cm）。

4.實驗裝置

裝置1：利用保鮮袋進行爆炸實驗（袋內事先放一根火柴）如圖5所示。

圖5 保鮮袋中進行實驗

裝置2：利用礦泉水瓶進行爆炸實驗，如圖6所示。

圖6 利用礦泉水瓶進行實驗

5.實驗過程

裝置1：先將保鮮袋捏扁，擠出里面原有的氣體，然后利用鋅和稀硫酸反應，收集一半的氫氣，再用小型便攜式氧氣瓶收集一半的氧氣，氣體的總體積控制在500 mL 內。然后利用激光筆照射火柴頭大約4 s，巨大的爆炸聲響起，爆炸沖擊感強烈，保鮮袋被炸碎，部分地方看到明顯燒過的痕跡。

裝置2：收集氣體（可樂瓶中事先裝滿水，利用排水法收集一半的氫氣，再收集一半的氧氣，蓋上未打孔瓶蓋），這樣可以提前收集氣體，隨時演示。進行實驗：將可樂瓶倒放在鐵架臺的鐵圈上，將瓶蓋換成打過孔的瓶蓋，可以去除瓶蓋里面殘留的一些水，防止澆滅火柴，然后在瓶蓋孔下方2 cm處的鐵架臺上放一根火柴（瓶蓋孔正下對準火柴頭），在遠處打開激光筆對準火柴頭大約4秒，火柴引燃，伴隨著爆炸聲可樂瓶猶如火箭發射般直沖上方。

四、裝置優點

1.通過激光筆點燃火柴，操作十分安全。在安全操作的前提下，老師們在課堂演示此實驗的意愿大大提高，與播放視頻相比，學生能夠直觀感受到來自現場演示實驗的真實感。此外，該種點火方式也適用于點燃天然氣等其他不純的可燃性的氣體。

2.本實驗采用的是氫氣和氧氣的混合氣體，相比于氫氣和空氣的混合氣體，爆炸效果更明顯，更具震撼感。如將該裝置2稍微包裝一下，可樂瓶設計成火箭外觀，還可以讓學生體驗火箭發射的原理，結合我國的火箭發射新聞，滲透愛國主義教育。火箭外觀的設計也可以讓學生提交設計，體現與美術、物理等學科的跨學科融合。

3.利用保鮮袋或可樂瓶收集氣體，氣密性好，教師可在課前提前收集，在課堂上隨時演示，省去了在課堂上制取氣體收集氣體所需的時間，節約課堂時間提升課題效率。另外可樂瓶和保鮮袋等物質生活中易得，體現低成本實驗理念。

4.裝置成功率很高，利用排水法和保鮮袋來收集氣體，能夠直觀地體現氣體的量，體現定量思想。