初中化學氫氣爆炸實驗集成裝置開發及應用探索

摘 要：氫氣爆炸實驗是涉及氫氣制取、氫氣收集、點燃引爆等若干環節的系統實驗，而目前的研究成果大多是針對某一具體環節的創新改進，并沒有考慮到各環節之間的順利銜接和相互匹配。為此，文章對包括氫氣發生裝置、點火裝置和爆炸裝置為一體的氫氣爆炸實驗集成裝置進行了探究，詳細闡述了集成裝置的制作安裝、操作方法和注意事項，并深入分析了教學實踐效果。

關鍵詞：化學實驗；氫氣爆炸；實驗裝置改進；教學效果

中圖分類號：G633.8"" 文獻標識碼：A"" 文章編號：1673-8918（2024）51-0115-04

創新改進化學實驗裝置及方法，不僅有利于培養學生的探究精神和科學素養，也能夠提高教師的教學水平和課堂教學效果，以及推動化學實驗教學方法的改變和教學模式的革新。近年來，氫氣爆炸實驗的創新改進一直是研究的熱點，取得了許多較為有價值的研究成果，也不斷推動著化學實驗教學更好地向縱深發展。然而，對創新改進后的新型氫氣爆炸實驗來說，雖然裝置制作材料更易獲取、操作方法更為簡單、實驗效果更為明顯、學生體會更為深刻，但在趣味性、安全性、先進性、探究性等方面還有可以深度挖掘的空間。

一、 氫氣爆炸實驗集成裝置

氫氣爆炸實驗涉及的儀器裝置較多，實驗開展過程中的運行操作也較為繁復。所以，氫氣爆炸實驗集成裝置的開發，可免除材料加工、裝置制作、安裝調試等煩瑣的準備工作，也能夠有效減輕任課教師的非教學性負擔。文章探究設計的氫氣爆炸實驗集成裝置是一體化裝置，主要包括氫氣發生裝置、點火裝置和爆炸裝置，如圖1所示。

氫氣發生裝置由1個燒杯和2個廢舊塑料瓶組合而成。裝置制作過程如下：取2個尺寸相當的廢舊塑料瓶，分別切掉瓶底，并要保證切口完好平整，塑料瓶A預留的瓶身要稍長，塑料瓶B預留的瓶身要稍短。將塑料瓶B倒置后插入塑料瓶A中，并利用膠水進行固定。在塑料瓶A的瓶蓋上均勻開設直徑較小的孔洞，將顆粒較大的鋅粒放置在開孔的瓶蓋內。在塑料瓶A的瓶蓋上開設通氣圓孔，將導氣管插入圓孔中并進行密封固定。選取直徑與塑料瓶相當的燒杯，放入適量的稀硫酸溶液，然后將組合裝置插入其中，通過插拔燒杯內的廢舊塑料瓶A和B組合而成的裝置，能夠控制鋅粒與酸液的接觸和脫離，進而控制氫氣發生反應。已有的文獻資料中也有利用廢舊注射器制作氫氣發生簡易裝置的相關介紹。在具體操作該裝置時，預先將鋅片放入注射器空筒內，需要制取氫氣時只需拉動活塞吸入酸液就能開始實驗，實驗結束時將酸液推出，即可讓氫氣發生反應停止。此種形式的氫氣發生裝置成本較低，制作簡單，即開即停，但是該裝置在反復操作使用過程中的安全性不足，特別是在廢舊注射器氣密性不好或對其操作使用不當時，在推拉活塞過程中容易漏出酸液。用廢舊玻璃瓶制成的氫氣發生裝置也在氫氣爆炸實驗教學中得到了廣泛應用。典型應用案例是在實驗設備差、反應藥品缺乏的條件下，以較為容易獲取的玻璃輸液瓶作為氫氣發生裝置。具體做法如下：預先將鋅粒添加到玻璃瓶中，再把一個注射器插入玻璃輸液瓶口的橡皮塞上作為分液漏斗，通過分液漏斗向瓶中添加稀硫酸來控制反應。將廢舊玻璃瓶用于氫氣發生裝置，具有取材方便、使用成本低、實驗用時短、藥品用量少、方便靈活、易于操作等特點，但氫氣制取反應的發生和停止不好控制，而且所選取的廢舊玻璃瓶體積大小會對實驗效果有很大影響，體積太小時實驗現象不明顯，體積太大又會增加反應時間和藥品用量。而文章設計的氫氣發生簡易裝置，制作材料環保且成本較低，反應藥品的添加和回收容易，固液分離的實現也能夠節約反應藥品用量。

點火裝置采用遠程控制理念設計而成，主要包括脈沖電源、漆包線和點火針等部件。組裝點火裝置時，將壓電陶瓷點火器等類似形式的脈沖電源的正負極分別與兩根銅芯漆包線的一端相連，漆包線的另一端與點火針相連，點火針被固定在爆炸裝置內部最靠近頂端的位置，各部件如此連接完成后，按壓點火器的供電按鈕，點火針處就會有火星產生，進而實現裝置內氫氣與空氣混合氣體的引燃爆炸。總結目前相關研究成果發現，氫氣引爆實驗中經常采用的新型點火方式還有電熱絲引燃點火。電熱絲引燃點火通常是使用低壓直流電源，使得電熱絲逐漸變熱，進而引燃事先固定于爆炸裝置出口處的可燃物的一種點火方式，該方式的缺點是，每次實驗開始時都要確保電熱絲是處于冷卻狀態的，否則通入氫氣后會提前發生爆炸，影響實驗效果。而文章采用的脈沖電流點火方式，因為具有加工制作原理較為簡單、點火成功率較高、使用操作趣味性較強、科技創新氣息較為濃厚、可實現遠程點火控制等優點，所以其在初中化學氫氣爆炸實驗教學中得到廣泛應用，也在很大程度上提升了實驗操作的安全性，而且通過自行制作的點火裝置所產生的一點點火星，就能夠引發威力巨大且明顯的爆炸，這有助于更好地引導學生樹立起對易燃易爆物品的安全防范意識。

爆炸裝置的主體是一個玻璃管，并被固定在鐵架臺上。該玻璃管的下端塞入雙孔橡膠塞進行密封，雙孔橡膠塞的一個圓孔通過導氣管和橡膠管與氫氣發生裝置相連，雙孔橡膠塞的另一個圓孔通過導氣管和橡膠管與集水管相連，集水管的主要作用是收納爆炸裝置內排出的水。作為爆炸裝置主體的玻璃管，在其上端用單孔橡膠塞密封，將一個不銹鋼短管插入單孔橡膠塞的圓孔內并進行密封固定，用小木塞封堵不銹鋼短管管頭。近年來，對氫氣爆炸實驗集成裝置的改進研究案例豐富，具有代表性的就是膨脹式爆炸裝置。現有文獻介紹了該裝置的兩種形式：氫氣流吹肥皂泡、氫氣充脹塑料袋。在氫氣流吹肥皂泡實驗中，先是取一段較長的橡皮管套裝在氫氣發生裝置集氣管的末端，然后在橡皮管的末端插上一個注射器針頭，再將針頭蘸上肥皂液，隨著氫氣的不斷產生，針頭上有肥皂泡生成，輕輕晃動針頭能夠讓肥皂泡脫離，最后點燃漂浮于空中的氫氣泡，就會在爆鳴聲中看到燃燒的火團；也可以選擇同時用兩套設備分別制造氫氣和氧氣后將之混合，再將與集氣管相連的導管通入裝有肥皂水的容器內，當氣泡生成并被點燃后，可以聽到尖銳的爆鳴聲。開展氫氣充脹塑料袋實驗時，將氫氣發生裝置連接的導管插入塑料袋內，待塑料袋完全鼓脹后用燃著的木條捅觸，就可以見到塑料袋被炸得粉碎，并同時伴有火光；也可以分別向裝有不同體積空氣的塑料袋內通入氫氣至完全鼓脹，然后點燃觀察實驗現象，開展爆炸極限概念的實驗探究。膨脹式爆炸裝置取材方便、經濟適用，利用其開展的氫氣爆炸實驗成功率髙、趣味性強、形象直觀，但這需要使用較多的反應藥品，并且操作和防護不當會有灼傷風險。

二、 操作方法及注意事項

（一）操作方法

第一，將氫氣發生裝置、爆炸裝置、集水管用橡膠管順次相連，將銅芯漆包線分別與脈沖電源和點火針相連，然后測試整套裝置的氣密性和點火裝置通路的形成情況。

第二，無底塑料瓶A和無底塑料瓶B，兩個無底部分相連接，擰開廢舊塑料瓶A的瓶蓋，將大顆粒鋅粒放入，這樣鋅粒直接流入倒置的塑料瓶B后，擰緊舊塑料瓶A的瓶蓋，向燒杯內充入適量稀硫酸，然后將塑料瓶A和B組合而成的裝置插入燒杯中備用。

第三，拔掉爆炸裝置頂部不銹鋼短管內的小木塞后，向集水管內注入適量清水，注水量取決于實驗選擇的氫氣與空氣混合氣體中氫氣所占的比例，然后將小木塞插進不銹鋼短管內進行封堵。

第四，將燒杯內的塑料瓶A和B組合而成的裝置插入適當深度，并令塑料瓶A瓶蓋內裝有的鋅粒與稀硫酸充分接觸，裝置內開始有氫氣生成。

第五，松開各橡膠管上的膠管夾，氫氣從發生裝置內經橡膠管進入爆炸裝置，隨著氫氣的持續擠壓，爆炸裝置玻璃管內的清水逐漸通過橡膠管流入集水管中，而進入爆炸裝置內的氫氣會與預留在內部的空氣充分混合。

第六，待爆炸裝置中的清水完全排掉時，將氫氣發生裝置與爆炸裝置、爆炸裝置與集水管之間的橡膠管用膠管夾夾緊，同時將塑料瓶A和B組合而成的裝置拔出至鋅粒與酸液脫離的位置處。

第七，拔出爆炸裝置頂部不銹鋼短管內的小木塞，同時將脈沖電源的供電按鈕按下，爆炸瞬間產生，并伴隨明顯的火光和爆鳴聲。

（二）注意事項

第一，實驗準備過程中要將所使用的鋅粒徹底清洗干凈，并將其表面的雜物去除掉，否則會影響氫氣生成質量和速度。

第二，氫氣爆炸實驗開始之前，要對燒杯進行固定，防止因爆炸產生振動使燒杯內的酸液潑灑造成的安全隱患。

第三，對塑料瓶A和B組合而成的裝置與燒杯相接處的位置處要采用適當措施進行密封，否則會因為氣密性不夠而影響用排水法收集氫氣的速度。

第四，實驗過程中爆炸裝置內的水面不能沒過點火針，也不能讓點火針沾水或被弄濕，否則會影響點火裝置的打火質量，影響實驗結果。

第五，爆炸裝置玻璃管兩端的橡膠塞要塞緊，防止因爆炸沖擊引起橡膠塞脫落而導致的實驗失敗。

三、 教學效果分析

首先，氫氣發生裝置取材于日常生活中的廢棄物品，材料成本較低且易于獲取和加工，裝置的制作安裝簡單，可重復使用。對氫氣生成的發生和停止可隨時控制，實現了固液分離，也能夠減少反應藥品用量，但需要注意操作安全。

其次，點火裝置原理簡單、制作容易、可遠程操控，點火成功率高、趣味性強、技術含量高，也極大程度上提高了實驗的安全性，而且通過點火裝置所產生的一點點火星就引發威力巨大的爆炸，能夠使學生樹立起對易燃易爆物品的安全防范意識，但操作不當和爆炸沖擊也容易破壞焊點造成漆包線脫落，而且環境潮濕或點火針沾水都會導致點火失敗。

最后，爆炸裝置構造簡單、容易操控、可重復使用，通過排水集氣法收集氫氣，能夠確保混合氣體中氫氣所占比例在爆炸極限內，從而保證了實驗成功率。另外，通過開展關于混合氣體中氫氣的不同占比對爆炸效果影響規律的探究性實驗，較好地培養了學生分析解決問題的能力、科學素養和創新思維。

四、 結論

文章對集趣味性、安全性、先進性、探究性為一體的氫氣爆炸集成裝置進行了探究。該裝置的創新設計理念、友好操控模式等有助于其在實驗教學中得到廣泛應用。未來，可以在此基礎上結合傳感技術、自動控制技術等先進技術，開發可批量生產、適于廣泛應用的成套智能型實驗集成裝置。

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