氫氣爆炸實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)與創(chuàng)新設(shè)計(jì)

陳 建 姚惠琳 徐思晴

（1.廈門市海滄區(qū)北附學(xué)校 福建 廈門 361026；2.廈門市海滄區(qū)教師進(jìn)修學(xué)校附屬學(xué)校 福建 廈門 361026）

一、問題的提出

氫氣作為認(rèn)識物質(zhì)性質(zhì)和了解變化規(guī)律的常涉及的物質(zhì)，在初中化學(xué)教材中多次出現(xiàn)（如表1所示），學(xué)生對爆炸等實(shí)驗(yàn)興趣濃厚，根據(jù)教學(xué)需要和提升實(shí)驗(yàn)演示的趣味性，教師往往會演示氫氣爆炸實(shí)驗(yàn)。大多數(shù)采用圖1裝置進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

圖1 點(diǎn)燃?xì)錃夂涂諝獾幕旌衔锏难b置圖

表1 三套初中化學(xué)教材中氫氣知識編排

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

（1）體驗(yàn)感不好，利用小木條進(jìn)行點(diǎn)燃，實(shí)驗(yàn)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?yàn)槭褂玫降氖桥趴諝夥ㄊ占瘹錃猓y以估計(jì)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(shí)驗(yàn)都是用氫氣和空氣混合，實(shí)際參與反應(yīng)的氫氣和氧氣的質(zhì)量比較少，爆炸聲音普遍偏小。

二、改進(jìn)研究現(xiàn)狀

氫氣爆炸實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)一直是研究的熱點(diǎn)，一線教師已經(jīng)提供了一些行之有效的改進(jìn)經(jīng)驗(yàn)，主要有以下幾個方面：

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

圖2 容器的改進(jìn)

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

圖3 點(diǎn)火方式改進(jìn)

（3）一體化設(shè)計(jì)。李德前等老師設(shè)計(jì)的發(fā)生爆炸一體化實(shí)驗(yàn)裝置（如圖4所示）。以上實(shí)驗(yàn)改進(jìn)效果良好，但都是利用氫氣和空氣混合的方式進(jìn)行爆炸實(shí)驗(yàn)，在爆炸效果方面不夠震撼，此外點(diǎn)火方式上，直接點(diǎn)燃可能給實(shí)驗(yàn)者帶來恐懼，利用遙控脈沖點(diǎn)火器會使裝置變得比較復(fù)雜。

圖4 一體化設(shè)計(jì)

三、實(shí)驗(yàn)改進(jìn)

1.反應(yīng)物濃度的變化，采用氫氣和純的氧氣混合進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

采用氫氣與氧氣可以使有效參與反應(yīng)的氣體的量更多，氫氣爆炸極限（體積分?jǐn)?shù)）的范圍在4.0%到74.2%之間，根據(jù)方程式可知?dú)錃怏w積是氧氣體積兩倍時，能恰好完全反應(yīng)，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(fā)現(xiàn)氫氣和氧氣體積比約為2∶1時，爆炸強(qiáng)度最大，經(jīng)過多次實(shí)驗(yàn)也發(fā)現(xiàn)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(jù)反應(yīng)時氫氣和氧氣以2∶1的體積比進(jìn)行，還可能與氫氣和空氣的混合程度有關(guān)。

2.點(diǎn)火方式的變化

利用激光筆點(diǎn)燃火柴，可以使實(shí)驗(yàn)者遠(yuǎn)離爆炸裝置。傳統(tǒng)的點(diǎn)火方式利用火柴或者小木條，和爆炸裝置距離比較近，實(shí)驗(yàn)者內(nèi)心可能感到恐懼，實(shí)驗(yàn)體驗(yàn)感較差。有些學(xué)者利用遙控點(diǎn)火，整套裝置會顯得比較復(fù)雜。激光筆點(diǎn)火方法：將火柴放置在爆炸裝置的點(diǎn)火處，然后利用激光筆點(diǎn)燃火柴，距離可控，安全又便捷。

3.實(shí)驗(yàn)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(dǎo)管、膠皮管、水槽、火柴、鐵架臺（帶鐵圈）、8W藍(lán)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(shí)驗(yàn)裝置

裝置1：利用保鮮袋進(jìn)行爆炸實(shí)驗(yàn)（袋內(nèi)事先放一根火柴）如圖5所示。

圖5 保鮮袋中進(jìn)行實(shí)驗(yàn)

裝置2：利用礦泉水瓶進(jìn)行爆炸實(shí)驗(yàn)，如圖6所示。

圖6 利用礦泉水瓶進(jìn)行實(shí)驗(yàn)

5.實(shí)驗(yàn)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(yīng)，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(nèi)。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(qiáng)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(jìn)行實(shí)驗(yàn)：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?jié)矞缁鸩瘢缓笤谄可w孔下方2 cm處的鐵架臺上放一根火柴（瓶蓋孔正下對準(zhǔn)火柴頭），在遠(yuǎn)處打開激光筆對準(zhǔn)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(fā)射般直沖上方。

四、裝置優(yōu)點(diǎn)

1.通過激光筆點(diǎn)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(shí)驗(yàn)的意愿大大提高，與播放視頻相比，學(xué)生能夠直觀感受到來自現(xiàn)場演示實(shí)驗(yàn)的真實(shí)感。此外，該種點(diǎn)火方式也適用于點(diǎn)燃天然氣等其他不純的可燃性的氣體。

2.本實(shí)驗(yàn)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(shè)計(jì)成火箭外觀，還可以讓學(xué)生體驗(yàn)火箭發(fā)射的原理，結(jié)合我國的火箭發(fā)射新聞，滲透愛國主義教育。火箭外觀的設(shè)計(jì)也可以讓學(xué)生提交設(shè)計(jì)，體現(xiàn)與美術(shù)、物理等學(xué)科的跨學(xué)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(jié)約課堂時間提升課題效率。另外可樂瓶和保鮮袋等物質(zhì)生活中易得，體現(xiàn)低成本實(shí)驗(yàn)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(xiàn)氣體的量，體現(xiàn)定量思想。