初中化學氫氣爆炸實驗創新改進研究進展

氫氣爆炸是初中化學實驗教學最為重要的內容之一，但由于傳統實驗裝置及方法存在較難的操控性和一定的危險性，故任課教師很少在課堂教學過程中給學生演示，讓學生分組進行實驗操作的機會就更少，致使學生不能通過氫氣燃燒爆炸的探究性實驗去理解爆炸產生的原理、條件及現象。為了能夠簡潔、安全、經濟、高效、可重復地進行實驗探究和演示，國內很多學者改進了氫氣爆炸實驗裝置和方法，不僅保證了實驗的安全性，也增強了相關知識點的趣味性，能夠在學生體驗爆炸現象的同時培養其細微觀察能力和探究創新能力。但是，目前關于氫氣爆炸實驗創新改進的研究成果眾多、研究重點各異、適用條件不同，如何依據教學實際正確選擇實驗裝置和方法，是課堂教學不得不直接面對的棘手問題。本文從氫氣爆炸實驗的原理入手，分析了影響實驗效果的主要因素，并通過綜合對比研究近年來相關文獻資料中的研究成果，從氫氣發生裝置、反應藥品、點火方式、爆炸裝置等四個方面系統總結了氫氣爆炸實驗開展過程中的注意事項與可借鑒方法，也對未來的創新改進研究提出了設想和建議。

一、實驗原理

化學爆炸都是在燃燒的基礎上形成的，氫氣的爆炸過程應當是在某一密閉空間內部，如某一容器內，氫氣體積占到總體積的4.0%～74.2%時，容器內所含的氫氣濃度達到了爆炸極限，遇到明火后首先從局部開始著火，并且釋放出大量的熱量，使得氫氣燃燒生成的水蒸氣的體積快速膨脹，容器內部壓力也迅速增大，促使局部的氫氣燃燒過程在極短的時間內完成，局部燃燒也會引燃其周圍的混合氣體，并使其劇烈燃燒，導致容器內的壓力急劇增大，從而形成了爆炸。

二、影響要素

氫氣爆炸實驗成套系統主要是由氫氣發生裝置、反應藥品、點火方式、爆炸裝置等四個基本單元組成的完整體系（如圖1所示），而每個組成單元都會對實驗有較大影響。為了增強問題分析的細致性和行文論述的條理性，本文接下來將會以組成氫氣爆炸實驗成套系統的四個基本單元為影響要素，深入分析近年來關于各影響要素創新改進研究成果中的注意事項與可借鑒方法。

三、要素分析

（一）氫氣發生裝置

氫氣爆炸實驗中氫氣的制取通常采用啟普發生器、錐形瓶、廣口瓶、大試管等規制器具。但是，規制器具的獲取及使用易受實驗條件影響，而且在制取后輸出氫氣時需要排凈空氣，不僅所需的反應藥品數量較大，也會造成時間上的浪費。因此，很多研究都針對規制器具的不適用性對制取氫氣的裝置進行創新改進。

利用廢舊塑料瓶制作而成的氫氣發生簡易裝置形式最多，在氫氣爆炸實驗中的應用也最為廣泛。其中一種形式如圖2（a）所示，是從瓶口向瓶底方向留取瓶身，在適合長度處切掉瓶底，并利用銅絲綁扎繃緊的廢舊塑料網封住切口，然后將若干鋅粒從瓶口投入瓶中，鋅粒會滯留在塑料網上，再選取內徑略大于塑料瓶直徑的燒杯，燒杯內加入適量稀硫酸，將塑料網所在一端插入燒杯內形成密閉的反應容器，插拔塑料瓶能夠實現鋅粒與稀硫酸的接觸或脫離，可以隨時進行和終止氫氣發生實驗。

另一種形式如圖2（b）所示，將廢舊塑料瓶上部2/3瓶身截取留用，將剪掉的下部瓶身的瓶底均勻地打上小孔，再將剪掉的下部瓶身倒置，并從切口處朝內插入至截取的上部瓶身中形成隔離網，然后用插有導氣管的單孔塞封住塑料瓶瓶口，再將塑料瓶放置于盛有稀硫酸的燒杯中，就制成了隨開隨停的簡易氫氣發生器。

還有一種形式如圖2（c）所示，將廢舊塑料瓶插入至口徑略大的盛放酸液的燒杯中，廢舊塑料瓶瓶底處開設一圓孔，將裝有顆粒較大鋅粒的干燥管插入圓孔內即可發生反應，如需停止生成氫氣反應，只需將干燥管拔出后擱置在塑料瓶瓶底上即可。利用廢舊塑料瓶制作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，但通過插拔裝有酸液的燒杯內的塑料瓶來控制化學反應的實驗操作具有一定的安全隱患。

已有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報道，如圖2（d）所示。在具體操作時，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，即可停止氫氣發生反應，插上導管后可通過排水法完成氫氣的收集，插上針頭還可以進行氫氣純度的檢驗。經過反復的實驗操作發現，注射器容量大小要依據氫氣爆炸實驗所需的氫氣供應量及供氣速度來選定。該種形式的氫氣發生裝置成本較低，制作簡單，即開即停，可反復使用，既能節約反應藥品，又可有效控制反應速度，但該裝置在操作使用過程中的安全性不高，當廢舊注射器氣密性不好或操作使用不當時，酸液容易在活塞推拉過程中漏出。

（二）反應藥品

氫氣爆炸實驗中制取氫氣最經常采用的反應藥品主要為鋅片、鋅粒、鎂條、稀鹽酸、稀硫酸等。對比分析相關文獻中反應藥品的使用情況能夠發現，實驗過程中無論是使用鋅粒和1∶1的稀鹽酸溶液反應，長條鋅片和常溫下密度為1.20 g/mL的稀硫酸溶液反應，還是使用鎂條和6 mol/L的稀鹽酸溶液反應，鋅粒和10%的稀鹽酸溶液反應，均能取得較好的實驗效果。

由此可見，每次采用創新改進后的新型實驗裝置開展的氫氣制取實驗，其所使用藥品的種類、形狀和濃度的最終選定，也都經過實驗過程中多次反復的嘗試，并沒有統一的選擇標準和參考依據，這樣會增加實驗步驟、延長實驗時間，極大地影響了實驗教學效率。為此，文獻中已有關于氫氣爆炸實驗中鋅粒大小和酸液濃度影響氫氣制取速度的針對性研究，但大部分研究是定性的描述，定量研究成果較少。

定性研究結果表明，鋅粒大小和酸液濃度通常都會對化學反應的平穩性有較大的影響，所使用的鋅粒純度過高時與酸性溶液反應的速度較慢，在鋅粒與硫酸溶液中加入銅絲，銅絲就可以與鋅粒在酸性溶液中形成銅鋅原電池，能夠有效加快化學反應速度。

定量研究認為，在實驗中用注射器抽取體積相等的少量稀硫酸溶液，分別加入裝有足量鋅粒、鎂條、鋅條的試管中，相同時間內鎂條生成的氫氣體積最大，其次是鋅粒，鋅條反應最慢，但充分反應后所得氫氣體積相同。如果將質量相等的少量鋅粒、鎂條、鋅條放入到盛有過量稀硫酸溶液的試管中，所得結論與上述相同，但充分反應后應用鎂條所產生的氣體體積最大，鋅粒與鋅條產生的氣體體積次之。

氫氣爆炸實驗中除了最經常采用的反應藥品外，也有過利用類似潔廁靈的日化用品作為酸液并將之與廢舊電池的鋅片反應來制取氫氣的嘗試。由于所采用的反應藥品較為常見、易于獲取，故適合在反復多次的探究性實驗中應用，使用成本較低，可操控性較好，安全性有保障，教學實踐也證明了能夠實現較好的應用效果，非常值得參考和借鑒。此外，還有利用電解反應藥品混合溶液來制備氫氣爆炸實驗所需氫氣的相關研究及應用。電解反應藥品混合溶液方法，不僅能夠快速獲得氫氣、氧氣混合氣體，而且混合氣體中氫氣的占比約為11%，恰好在爆炸極限內，使得實驗成功率高、所耗時間少，但由于氫氣密度較氧氣小，故實驗過程中收集氣體的時間對實驗效果的影響比較大。

（三）點火方式

氫氣爆炸實驗過程中最常用的是與手持燃燒小木條點燃并引爆混合氣體類似的傳統點火方式，但當周圍空氣對流太快時就會造成點火困難，點火動作過慢時還存在遭受飛起的爆炸裝置傷害的風險，較小點火距離所導致的較大爆炸聲音也容易引發操作者的緊張感、壓迫感和恐慌情緒，如若換成較長木條，則會由于抖動失準等因素干擾而難以成功。針對如上弊端，近年來有許多氫氣爆炸實驗都對傳統點火方式進行了創新改進。系統總結目前文獻中的相關研究成果發現，氫氣爆炸實驗中經常采用的新型點火方式主要有脈沖電流點火、電熱絲引燃點火等。

脈沖電流點火方式是將類似于日常生活中經常使用的一次性電子打火機的壓電陶瓷點火器等的脈沖電源上的兩個電極分別用銅絲焊接加長到安全距離，再令銅絲穿過爆炸裝置邊壁后延伸到爆炸裝置內部，然后再與點火針相連，而后形成的完整點火系統，如圖3（a）所示。具體應用時只需按下放置在遠處的打火按鈕，點火針處就能夠產生肉眼可見的電火花，從而引燃混合氣體，并使其發生爆炸。脈沖電流點火方式因具有原理簡單、成功率高、趣味性強、科技創新氣息濃厚、可遠程操控點火等優點，而頻繁在氫氣爆炸實驗中得到應用，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，能夠使學生形成對易燃易爆物品的安全防范意識。但點火裝置的制作安裝均較為煩瑣，操作不當也容易破壞焊點使導線脫落，而且環境潮濕或點火針沾水都會導致點火失敗。電熱絲引燃點火是利用低壓直流電熱絲來引燃預先固定在爆炸裝置氫氣出口處的火柴等可燃物，如圖3（b）所示。該點火方式原理簡單，操作方便，可遠程控制，安全性好，成功率高，主要缺點就是每次實驗前都需要等電熱絲冷卻后才能放置可燃物和通入氫氣。

（四）爆炸裝置

現行的大多數教材中關于氫氣爆炸的示范實驗都是傳統的紙筒實驗，使用紙筒作為爆炸裝置進行氫氣爆炸實驗的效果一般，不易操控，成功率不高，趣味性較弱，安全性也差。將紙筒替換成塑料罐、金屬罐等爆炸裝置的嘗試性實驗中，除了爆炸聲音較以前大、實驗現象較以前明顯外，其他方面的缺陷與紙筒實驗無異。近年來，文獻中對于氫氣爆炸實驗裝置的探究性改進較多，在教學實踐中這些改進裝置均值得直接使用或借鑒參考。

固定式爆炸裝置是以紙筒實驗為參照而對其進行改進的產物，如圖4（a）所示。通常是從塑料瓶瓶口向瓶底方向選取適合長度的瓶身后切掉瓶底，再將其固定在鐵架臺上，塑料瓶蓋子上開設圓孔，然后在所開設的圓孔處插上一根帶橡膠塞的細短金屬管，再利用向下排空氣法將驗純合格的氫氣由瓶口通入瓶內，使得瓶內部分空氣被排出，然后拔去細短金屬管管口處的橡膠塞，并迅速用燃燒的木條點燃金屬管口的氫氣，即可觀察到爆炸現象。該爆炸裝置雖然克服了以紙筒為代表的傳統裝置的絕大多數缺陷，而取得了較好的實驗效果，但由于無法精確判斷通入塑料瓶內的氫氣量，所以實驗的成功率和可重復性較以前沒有明顯提高。

噴射式爆炸裝置是對傳統裝置進行的最具趣味性的創新改進的結果，如圖4（b）所示。典型的實驗應用是將作為爆炸裝置的注射器的活塞柄固定在實驗臺上，然后密封住注射器針口，并在注射器活塞頂面上固定一個微型打火裝置，再向注射器空筒內通入氫氣，按動打火按鈕產生電火花后，氫氣便開始劇烈燃燒，瞬間產生的熱量無法在有限空間內消散，會使得氣體體積快速膨脹而發生爆炸，注射器空筒在爆炸聲和火光中被高高彈起。另一種噴射式爆炸裝置更為簡單實用，將單孔橡皮塞套裝在液化氣點火槍的圓形金屬管上，再選取一合適容積的塑料瓶，并用排水法收集氫氣，然后將充滿混合氣體的塑料瓶套裝在單孔橡皮塞上，將塑料瓶朝向沒有人的方向后按下點火扳機，就可以觀察到塑料瓶向前飛出，同時塑料瓶中有火光和爆鳴聲出現。噴射式爆炸裝置構造簡單，容易操控，可重復利用，能夠激發學生的探究興趣，但為了確保安全需要提前確定裝置的合適容積及混合氣體的配比。

四、結論與展望

氫氣爆炸實驗是初中化學教學的重要內容，涉及氫氣發生裝置、反應藥品、點火方式、爆炸裝置等眾多裝置及藥品的具體運用。截至目前，關于氫氣爆炸實驗的研究已趨完善，常規實驗教學只需依據自身實驗條件，參照已有研究成果，選取合適的裝置和藥品，進行最優組合即可完成。根據目前已有文獻對于氫氣爆炸實驗的研究現狀可以預判，未來值得研究和探索的方向大致有三個：一是綜合運用計算機技術、自動控制技術和監測檢測傳感技術開發成本較低、可批量生產、適于推廣應用的成套智能型實驗裝置，這可免除實驗材料準備、實驗裝置制作等煩瑣工作，減輕教師的非教學性負擔；二是全面提升實驗裝置的安全性和可操控性，放手讓學生獨自開展實驗，可極大減少教師在實驗中的參與度，培養學生自主學習和動手能力；三是開發集趣味性、探究性、拓展性于一體的實驗裝置，激發學生感知實驗、體會實驗、創新實驗的積極性。

（作者單位：南通市第二初級中學）

編輯：趙飛飛