觀察氫氣燃燒火焰顏色實驗裝置的新設計

葉永謙 葉一勤 吳新建 張賢金

摘 要：基于氫氣燃燒火焰實驗存在的不足，通過設計雙層三口平底燒瓶作為氣體發生裝置、設計底部帶活塞的球形干燥管作為導氣燃燒裝置、使用黑色三通管作為火焰觀察裝置等，可以在強光環境下觀察到氫氣燃燒火焰呈明顯藍色。新裝置課堂演示效果良好，通過真實感受氫氣燃燒的藍色火焰，有利于培養學生的科學精神。將研究過程作為項目式學習案例，可以在實踐中促進學生創新素養的發展。

關鍵詞：氫氣燃燒；藍色火焰；裝置改進；實驗探究

中學課堂演示的氫氣燃燒時的火焰與乙醇燃燒火焰有相似之處，一是顏色變化方面：中等濃度的乙醇水溶液燃燒火焰呈淡藍色，較高濃度的乙醇水溶液火焰為黃色[1]；而氫氣燃燒教材中描述為淡藍色，常見火焰卻為黃色，兩者的顏色變化有相似之處。二是觀察難度方面，中等濃度乙醇水溶液燃燒時呈淡藍色，在黑暗處可以明顯觀察到，但在光亮處近乎無色難以觀察[2]；氫氣的燃燒也一樣，如果出現淡藍色火焰，須在黑暗條件下才能明顯呈現。為了觀察到氫氣淡藍色火焰，程曉利老師特意安排在晚自習時演示該實驗[3]。以上相似之處，為氫氣燃燒火焰呈現明顯藍色的實驗再研究提供了破解之路。

關于氫氣燃燒時黃色火焰出現的原因，部分老師認為與導氣管的鈉元素有關。而葉永庚老師認為導管材料不是主要影響因素，氫氣火焰顏色應該與火焰的溫度有關，通過控制火焰溫度及氫氣與空氣的流量比可以得到淡藍色火焰[4]。該結論與乙醇燃燒火焰顏色的影響因素不謀而合，中等濃度乙醇燃燒時火焰呈藍色，而較高濃度乙醇燃燒時火焰呈黃色，原因就在于后者火焰溫度更高，導致火焰中水分子處于激發態并不斷振動-轉動從而產生紅光，紅光與藍色火焰重疊后產生黃色火焰[5]。中等濃度乙醇燃燒火焰在暗處呈現藍色而在強光下接近于無色，原因在于觀察時外界環境的強光產生了干擾。可以類推，要在課堂演示時呈現氫氣燃燒時明顯藍色的火焰，必須排除火焰中激發態水分子產生的紅光以及外界強光的干擾。如何排除這兩個因素的干擾，成為實驗再設計的主要方向。

火焰中激發態水分子的存在主要基于兩個條件，一是火焰中有水分子，這些水分子來自于反應液的蒸發和氫氣燃燒的生成產物；二是火焰有足夠高的溫度，讓這些水分子成為激發態。因此，要減少激發態水分子的干擾，可以從減少火焰中的水分子含量及降低火焰的溫度兩個維度進行設計。

1設計雙層三口平底燒瓶作為發生裝置減少反應液水蒸氣進入火焰干擾

課堂演示制備氫氣的實驗離不開酸液作為反應物，反應時放出的熱量可以使酸中的部分液態水變為氣態水隨著氫氣進入火焰燃燒，在高溫下變成激發態水分子振動-轉動產生紅光。為了盡量減少反應液水蒸氣的干擾，可以借鑒研究環境溫度對乙醇燃燒火焰顏色影響的演示裝置原理[6]，設計雙層三口平底燒瓶作為氫氣的發生裝置（圖1）。

該燒瓶設計為雙層結構，內筒作為反應容器，容積設計為75mL，可盛裝50mL反應液，鋅粒及稀硫酸放入其中反應生成氫氣；外筒用于盛放冷水，用于冷卻反應液，容積設計為1000mL，目的在于通過大量的冷水冷卻反應液，提高冷卻效果。該燒瓶上部設計有三個瓶口，其中左瓶口與外筒相通，作為往外筒加入冷水的瓶口；中瓶口與內筒相通，用于往內筒中加入反應物及將氫氣導出以便燃燒火焰觀察；右瓶口與內筒相通，連接帶有活塞的氣體轉接口和橡皮導管如圖1所示，將內筒氣體導出到燒杯中的洗潔精水溶液，通過燃燒產生的氣泡進行驗純和尾氣處理。

2設計底部帶活塞的球形干燥管作為導氣燃燒裝置減少反應生成的水蒸氣干擾

火焰中的水分子除了來自反應液的蒸發，氫氣燃燒生成的水分子更是主要來源。燃燒時生成的水分子是無法從火焰中分離的，因此通過降溫使其無法變成激發態成為設計的方向。降溫的設計分為兩部分，一是使產生的氫氣在燃燒前先冷卻下來；二是使火焰溫度在燃燒口冷卻下來，達到減少激發態水分子出現的設計意圖。關于第一部分的設計，梁保勝老師采用的方法是：往燒杯中的水溶液加入氯化銨固體，利用其溶解吸熱冷卻，再將氫氣通過該溶液[7]。該方法雖有巧妙之處，但與發生裝置無法融成一體。關于第二部分的設計，程曉利老師使用錫箔紙作為燃燒口[8]、張娟老師使用玻璃漏斗口作為燃燒口[9]，通過錫箔紙的吸熱或者漏斗口的散熱降低燃燒時的火焰溫度。但經過驗證，以上兩種方法效果均不夠理想。

為了將導氣管、燃燒口和上述雙層三口平底燒瓶（以下簡稱三口燒瓶）的中瓶口有效連接，可以將冷凝管作為導氣燃燒的一體化裝置進行改進。設計的第一步是提高冷凝的效果，主要從冷凝管的內管形狀和有效冷凝長度選起。首先要選擇合適的內管形狀，冷凝管有直形、球形、蛇形等多種類型，經過試探，發現直行冷凝管中氣體流速太快，冷卻效果欠佳；蛇形冷凝管雖然冷卻效果最好，但流速太慢，氫氣無法順利燃燒；最合適的內管是球形的，既保證了冷卻效果又有足夠的流速讓氫氣可以順利燃燒。其次選擇合適的有效冷凝長度，電商平臺上可以購買的冷凝管有效冷凝長度從100mm到1000mm不等。一般認為，有效冷凝長度越長，冷卻效果越好。但因氫氣是通過該內管后才進行燃燒的，如果冷凝管太長，內管中勢必存在更多的空氣，氫氣帶著這些空氣進入燃燒口，點燃的瞬間會發生較為劇烈的爆炸，使得實驗的安全性大打折扣。為此，選擇有效長度為120mm的球形冷凝管進行實驗。

設計的第二步就是要考慮實驗的安全性問題，除了上述控制冷凝管的有效長度外，還要注意火焰不能進入發生裝置。燃燒后期隨著氫氣氣流的減少，火焰會縮入冷凝管內管并隨之下降。因此，從儀器設計的角度考慮安全問題，就必須在球形冷凝管的下端管口要增設一個玻璃活塞，用于控制燃燒的發生和結束。

冷凝管的上口可以作為氫氣的燃燒口，因其為玻璃材質且口徑較大，散熱效果較好有利于降低火焰溫度減少激發態水分子的出現。但常見的冷凝管管口都是磨砂處理的，不利于火焰顏色的觀察，因此制作時應強調不進行磨砂處理。為了防止外管中的冷凝水流出，可以在外管的出水口處用橡皮膠頭套住，改進后的球形冷凝管如圖2。

3 選擇黑色三通管作為火焰觀察裝置減少強光對藍色火焰的干擾

在減少了激發態水分子產生的紅光干擾之后，氫氣燃燒以藍色為主，但在強光下幾乎觀察不到。為了解決這個問題，劉建國等老師專門設計了暗盒進行觀測[10]。更簡單的方法是，直接選擇五金店用于連接水管的黑色三通管作為觀察口。三通管的下口經處理后罩進冷凝管燃燒口，中口作為火焰燃燒觀察口；為了減少上部強光的干擾，上口用橡皮塞堵住。將帶活塞的球形漏斗下管口插入三口燒瓶的中瓶口，再將三通管下管口套在球形漏斗上管口，即可組裝成可觀察到氫氣燃燒火焰呈明顯藍色的新裝置（圖3）。

4 實驗過程和現象

（1）藥品的準備：為了讓氫氣能在冷凝管口順利燃燒起來，必須使氫氣有較快的生成速率。加快速率本可以使用提高反應液溫度的辦法，但由此又導致更多水蒸氣蒸發進入火焰中，因此借鑒張娟老師的做法[11]，利用原電池原理加快反應速率。稱取鋅粒13.0克放入燒杯中，加入3.0克硫酸亞鐵粉末，再加50毫升蒸餾水，攪拌靜置30分鐘后，鋅粒表面附有部分鐵層，洗滌待用。同時，配制密度為1.20g/mL（20℃）的稀硫酸待用[12]，配制洗潔精水溶液待用。

（2）儀器的準備：往三口燒瓶的左瓶口加入冷水至充滿外筒后，用玻璃塞塞住該瓶口。往球形冷凝管的入水口加入冷水至充滿外管（用橡皮膠頭套住出水口）。

（3）氣密性的檢查：按圖3裝配好儀器后，關閉三口燒瓶右瓶口的連接口活塞，打開冷凝管下端活塞，往冷凝管管口加水至內管中部。一段時間后，若三口燒瓶內筒未充滿液體且冷凝管中液面保持不變，說明裝置的氣密性良好。

（4）氫氣的驗純：實驗開始時，先取下球形冷凝管，往三口燒瓶中放入用硫酸亞鐵處理好的鋅粒，倒入50mL密度為1.20g/mL（25℃）的稀硫酸，再插上球形冷凝管。關閉冷凝管下端活塞，打開右管口轉接管活塞，生成的氣體進入燒杯中的洗潔精水溶液形成氣泡。點燃生成的氫氣氣泡，直至點燃時聲音為沉悶的“噗”的一聲，說明氫氣已經純凈。

（5）氫氣的燃燒及火焰顏色的觀察：驗純后，打開冷凝管下端活塞，關閉右瓶口轉接口活塞，片刻后用點火槍靠近冷凝管管口點火，一聲沉悶的爆鳴聲后，氫氣燃燒起來。在燃燒著的火焰的上方套上黑色塑料三通管，通過三通管的中口觀察，即可在光亮環境下觀察到明顯的藍色火焰。

（6）尾氣的處理：實驗結束后，打開三口燒瓶右瓶口轉接管活塞，關閉冷凝管下端活塞，將氫氣尾氣導入洗潔精水溶液形成氫氣氣泡。用點燃法處理氫氣氣泡，確保實驗安全。

結語：解決氫氣燃燒火焰顏色干擾問題，是一個不斷選擇和優化的過程。探究過程找到了減少火焰中激發態水分子和外界強光干擾的因素，為新實驗裝置的設計提供了方向，使藍色火焰得以在光亮條件下明顯呈現。新裝置在課堂上的演示，可以讓學生真實感受到氫氣燃燒反應時的藍色火焰。新裝置的設計過程還可以作為研究性學習的案例。

參考文獻：

[1][2][5][6] 葉永謙，葉一勤，葉燕珠，嚴業安.乙醇燃燒火焰顏色變化的實驗探究[J].化學教學，2020（06）：77-80.

[3][8] 程曉利.怎樣使氫氣火焰呈淡藍色[J].化學教學，2010，（5）：12

[4] 葉永庚.對氫氣燃燒實驗的探討[J].化學教學，1995，（06）：41-42.

[7] 梁勝保.氫氣燃燒實驗的改進[J].教學儀器與實驗，1989（05）：13.

[9][11] 張娟，鮑正榮，黃治香.如何明顯觀察到氫氣燃燒的淡藍色火焰[J].實驗教學與儀器，2011，28（11）：29.

[10] 劉建國，謝文亭.氫氣燃燒火焰顏色實驗的改進[J].教學儀器與實驗，2004（03）：21.

[12] 王夏珩，葉永謙，陳珍珠，嚴業安.氫氣爆炸極限測定演示實驗裝置的新設計[J].化學教學，2019（07）：72-75.