金屬與酸反應和氫氣爆炸的創新實驗設計

楊艷

摘要：金屬與酸溶液反應產生氫氣是初中化學的重要內容，作者分別對金屬與酸反應的定量實驗進行了增添注射器的改進、對氫氣的爆炸實驗進行了創新。實驗改進后，操作簡便、現象明顯，尤其是氫氣的爆炸實驗效果好，讓人印象深刻。在復習課時巧妙應用該實驗既培養學生運用所學所知來解決新情境中的新問題的能力，又可以提升學生的思維高度、激發學習化學的興趣。

關鍵詞：金屬與酸;注射器;原電池;爆炸極限

文章編號：1008-0546（2019）10-0092-02 中圖分類號：G633.8 文獻標識碼：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2019.10.025

初中化學學科特點具有啟蒙性、基礎性，要求注重每一個學生核心素養的養成。“在核心素養視域下，賦予復習課獨特的教育價值和課程意蘊，即對知識的回憶、提取和重組，是學生面對更加復雜的學習情境時理解特定信息、實現知識整合和問題解決的策略行為。這樣的教學需要教師轉變教學觀念，能理解核心素養下的知識屬性，并具有相應的課程開發和實施能力。”Ⅲ。故如何培養學生運用所學所知來解決新情境中的新問題的能力是每一位一線教師需要認真思考的。

初三化學初看知識繁雜，細致思考會發現知識內在聯系緊密，筆者就金屬與稀硫酸的反應為例深入分析教材，靈活運用創新實驗創造復習課的亮點。具體的創新實驗設計如下：

一、設計意圖

金屬與稀硫酸的反應是人教版初中化學教材下冊第八單元課題2《金屬的化學性質》中的重要內容，上接氫氣的性質，下啟酸堿鹽的知識點，再深度挖掘教材可以銜接高中化學中原電池等知識點。所以每年的中考，金屬與酸反應都是熱點和難點。習題評講時發現，學生對于酸與金屬反應的圖像題難以理解，錯誤率極高。一輪復習時如何巧妙設計復習流程，成功地將教材深度挖掘出來;如何設計簡單實驗以便更直觀地觀察到過量的不同金屬與同濃度等體積的酸溶液反應的快慢以及產生氫氣的多少、等量不同金屬與足量的同濃度的酸溶液反應的快慢以及產生氫氣的多少，需要執教者設計出化隱為顯、原理簡單、操作方便的實驗來幫助教學。本實驗的設計經歷了幾個階段，筆者又增加安排了有關氫氣與空氣的混合物點燃是否一定爆炸這一問題的探究。在講授第八單元課題3《金屬資源的利用和保護》中實驗室模擬煉鐵的操作時強調CO氣體需“早出”，教者就在思考能否設計一個簡單實驗驗證氫氣與空氣混合后的爆炸可能性，借助本裝置就可以很容易做到，同時引出氫氣的爆炸極限這一知識盲點。

二、實驗儀器改進過程與問題解決

1.注射器的使用

傳統的教學中在解決“不同金屬與酸反應的速率不同”這一知識點時，往往不是借助多媒體動畫效果，就是使用點滴板，讓學生肉眼觀察，大致區分產生氣泡的快慢。不能從定量的角度（相同時間比較產生氣體的體積多少）明顯地區分反應速率的不同。利用生活中的注射器可以很輕松地解決這一問題，于是教者搭建出了最初的設計裝置。

2.藥品的選用

首先硫酸的濃度的選擇，濃度大反應太陜，不易觀察，且過快產生氣體就難將注射器內的液體全部壓人試管。濃度過低，反應所需時間較長，不利于課堂教學。最終確定選擇1.2mol/L的稀硫酸，效果較佳。稀硫酸的用量也需要考慮，經過簡單計算選擇2mL的量。

其次是金屬的選擇，為了控制變量選擇表面積相同的鎂條和鋅條，分別打磨后進行實驗，發現鋅條速率明顯很慢。而取初中化學實驗藥品中的鋅粒則反應速率明顯加快。由此發現可以深度挖掘的新題材——原電池效應以及犧牲陽極保護法，與高中化學教材有效銜接。

三、金屬與酸的反應實驗改進

1.實驗用品

實驗儀器：小試管、注射器、橡皮塞、試管架

實驗藥品：鎂條、鋅粒（含鐵等雜質）、鋅條、

1.2mol/L的稀硫酸

2.實驗裝置如圖1

2.實驗裝置如圖2。

3.買驗步驟和現象

（1）組裝好實驗裝置、檢查氣密性。

（2）分別向小試管中加入足量的打磨過的鎂條、鋅粒（含鐵等雜質）、鋅條、用注射器抽取2mL的稀硫酸，分別注入試管，觀察實驗現象。相同時間內，鎂條產生的氣體體積最大，其次是鋅粒，而鋅條的反應速率明顯比鋅粒慢，最終三者氣體體積相同。

（3）分別向小試管中加入0.05g的打磨過的鎂條、鋅粒（含鐵等雜質）、鋅條、用注射器抽取2mL的稀硫酸，分別注入試管，觀察實驗現象。相同時間內，鎂條產生的氣體體積最大，其次是鋅粒，而鋅條的反應速率明顯比鋅粒慢，最終鎂條產生的氣體體積最大、鋅粒較鋅條產生氣體體積略大。

定量角度觀察金屬與酸的反應，解決新課教學時遺留的圖像難題。而進一步分析鋅粒與鋅條反應速率的不同，拓展保護金屬的第三種方法（犧牲陽極保護法）、原電池效應。通過本次實驗分析，結合本市靠海的地理位置介紹輪船的防腐的方法，促進學生形成留意生活、勤于思考、敢于探究的學習方法。

四、氫氣爆炸實驗改進

1.實驗用品

實驗儀器：小試管、注射器、橡皮塞

實驗藥品：鎂條、1.2mol/L的稀硫酸、火柴

3.買驗步驟和現象

分別向三只小試管中加入足量的打磨過的鎂條，用注射器抽取2mL的稀硫酸、分別注入試管，各收集10mL、20mL、50mL的氣體，靠近燃著的火柴，推動注射器。觀察到10mL的氣體無現象，20mL的氣體發生爆炸，50mL的氣體可以安靜地燃燒。

經過多次試驗和簡算換算，發現當注射器內氣體的體積小于等于19mL時，靠近燃著的火柴，推動注射器，無明顯現象。當注射器內氣體的體積在20mL到45mL時，靠近燃著的火柴，推動注射器，發生爆炸。當注射器內氣體的體積大于45mL時，靠近燃著的火柴，推動注射器，氣體可以安靜地燃燒。

本次實驗數據記錄如表1：（使用的試管體積為16mL，使用注射器的量程為60mL）

教材中介紹到氫氣爆炸極限是4.0%～75.6%（體積濃度），意思是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。本次簡單實驗可驗證爆炸極限這一知識點，但在粗略計算后本次實驗的爆炸極限較課本略有出入。于是查閱了相關資料，認識到氫氣在流動狀態下的爆炸特性，湍流強度增加時，氫氣的爆炸下限升高，爆炸上限下降，爆炸范圍變窄。

五、設計特色

金屬與酸的反應改進實驗現象明顯，操作簡便，生動有趣，有利于學生理解，適合復習課或習題課時

教師演示，提高學習效率，順利攻克教學難點。另外該實驗設計了鋅粒、鋅條與酸的對比反應，拓展學生知識視野。既為高中化學的學習奠定一定的基礎，又聯系生活實際、提升學生的思維高度、激發學習化學的興趣乃至樹立終身學習化學的信念。 就初中學生的認知層次來說氫氣爆炸實驗的改進可以幫助學生更直觀地觀察并理解實驗室制取氣體時不可以一開始就收集氣體的原因，同時糾正氫氣和空氣混合點燃一定爆炸的知識誤區，加深理解可燃物的爆炸極限概念，提升學生的思維能力和學習興趣。