徐 寧 羅子雄 徐 晗

湖北省通城縣雋水寄宿中學(xué)(437400) 湖北省通城縣教研室(437400) 湖北省通城縣關(guān)刀中學(xué)(437400)

1 教學(xué)現(xiàn)狀

氫氣是初中化學(xué)三大氣體之一，氫氣的性質(zhì)穿插在人教版初中化學(xué)“水的組成”中。除了“氫氣的可燃性”是以演示實驗呈現(xiàn)外，氫氣的其他性質(zhì)只是簡單提及，有的是以圖片形式呈現(xiàn)，如驗純；有的只是輕描淡寫的一句話，如不純氫氣燃燒爆炸；有的只是給出了一個化學(xué)方程式，如氫氣的還原性。而通過電解水研究氫氣，實驗時間較長，獲得的氫氣量較少，難以完成氫氣系列性質(zhì)實驗。出于安全考慮，有的教師干脆“以講代做”，這樣雖確保了安全，但學(xué)生對氫氣缺乏體驗性認(rèn)識。而使用課本上的簡易裝置制取氫氣，并進行氫氣系列性質(zhì)實驗，所需儀器藥品多、攜帶不方便、過程繁、耗時長、不安全。特別是氫氣在空氣中燃燒觀察顏色的演示實驗，一直是初中化學(xué)教學(xué)中難度較大的實驗之一，實驗中很難觀察到氫氣的淡藍(lán)色火焰，得到的多是黃色火焰，老師們往往解釋為是玻璃導(dǎo)管中鈉的焰色反應(yīng)所致，要求學(xué)生記住是“淡藍(lán)色火焰”，學(xué)生看不到火焰的實際顏色而對實驗產(chǎn)生懷疑，影響實驗教學(xué)的可信度。

對于上述問題，很多教師進行了艱難的探索與改進，各種創(chuàng)新實驗設(shè)計比比皆是。每一個創(chuàng)新實驗都獨具匠心，然瑕不掩瑜。有的教師設(shè)計了一套帶有小試管的U型微型試管，集氫氣的制取與可燃性、還原性于一體，裝置簡潔、藥品用量少、現(xiàn)象明顯，不足之處是在導(dǎo)管口點燃?xì)錃庥^察不到氫氣的淡藍(lán)色火焰；U型微型試管內(nèi)空氣不易排出，還原氧化銅有發(fā)生爆炸的危險；沒有演示驗純及爆炸實驗。有的教師利用常規(guī)的氫氣發(fā)生裝置主要對氫氣燃燒實驗所用的尖嘴玻璃導(dǎo)管做了改進，利用石墨導(dǎo)管觀察到氫氣燃燒的淡藍(lán)色火焰；用塑料袋收集氫氣改進不純氫氣燃燒的爆炸實驗，由于無法定量實驗，到底收集了多少氫氣，教師只能憑經(jīng)驗去判斷，收集氫氣過少或過多都不會爆炸，點燃的時機不好把握，不能保證實驗100%成功。有的教師研制了一套微型裝置，實現(xiàn)了氫氣的制備、驗純、爆炸、燃燒及還原氧化銅一體化實驗，現(xiàn)象明顯。不足之處是裝置復(fù)雜，不簡約，而且觀察不到氫氣的淡藍(lán)色火焰。有的教師利用注射器作為制取氫氣的反應(yīng)容器，潔廁液和廢舊電池的鋅片作為反應(yīng)藥品，眼藥水瓶收集氫氣進行純度檢驗，粗針頭作為燃燒用的尖嘴導(dǎo)管等，但實驗效果并不理想。

針對以上問題，筆者從一體化、微型化角度設(shè)計了一套氫氣的制取、驗純、爆炸、還原氧化銅等一體化的微型實驗。

2 實驗儀器及藥品

注射器、石墨導(dǎo)管、小指試管、酒精燈、壓電器、表面覆蓋有黑色氧化銅的螺旋狀銅絲、玻璃管、稀硫酸(1∶4)、粗鋅粒、硫酸銅溶液。

3 實驗原理及裝置說明圖

實驗原理：Zn+H2SO4=ZnSO4+H2↑。

實驗裝置如圖1、2所示。

圖1 氫氣制備裝置

圖2 氫氣驗純、燃燒、爆炸及還原氧化銅器材

4 實驗步驟

4.1 制備氫氣

推動注射器，使鋅粒與稀硫酸接觸發(fā)生反應(yīng)。往回拉注射器，鋅粒與稀硫酸脫離，反應(yīng)停止，類似啟普發(fā)生器。

4.2 驗純

用小指試管收集一試管氫氣，用拇指堵住管口，移近火焰，移開拇指點火，如果聽到尖銳爆鳴聲，表明氫氣不純凈，需再收集，再檢驗，直到響聲很小，表明氫氣已純凈。

4.3 驗證氫氣可燃性

在石墨尖嘴導(dǎo)管口點燃?xì)錃?，可以觀察到管口氫氣燃燒發(fā)出淡藍(lán)色火焰。罩上干冷的燒杯，明顯觀察到燒杯壁上有水霧，說明氫氣燃燒生成了水。

4.4 氫氣爆鳴實驗

取下石墨導(dǎo)管，換上注射器針頭，插入倒置著的裝有2 mL空氣與2 mL水的小注射器中，用排水法收集2 mL氫氣，得到氫氣與氧氣各50%的混合氣體。套上注射器活塞，按動電子點火器，不純氫氣燃燒發(fā)生爆炸，注射器外套飛向遠(yuǎn)處。這個爆炸裝置可以用來精確比較確定可燃性氣體的爆炸極限。

4.5 氫氣還原氧化銅

把裝有表面覆蓋有黑色氧化銅的螺旋狀銅絲的玻璃管插入氫氣發(fā)生裝置中。先通一會兒氫氣(由于玻璃管口徑很小，幾秒鐘即可排盡管中空氣)，再點燃酒精燈給氧化銅加熱?？梢杂^察到黑色氧化銅逐漸變成光亮紅色，玻璃管壁有水珠生成。當(dāng)黑色氧化銅變成光亮紅色時，停止加熱，繼續(xù)通入氫氣，直至玻璃管冷卻。

5 改進后實驗的優(yōu)點及意義

改進后的實驗，裝置簡單，操作方便，試劑用量少，安全性高，成本低，現(xiàn)象明顯，耗時少，制取、驗純、燃燒、爆炸、還原氧化銅，一氣呵成，幾分鐘即可完成實驗。符合綠色化學(xué)的理念，適合學(xué)生分組實驗。

6 注意的問題

氫氣燃燒之所以會出現(xiàn)黃色火焰，除了與玻璃導(dǎo)管中鈉的焰色反應(yīng)有關(guān)外，還與氫氣的流速有關(guān)。使用純鋅粒和稀硫酸反應(yīng)，鋅粒表面附著有氧化膜、硫酸鋅和氫氣，物理覆蓋和產(chǎn)生的超電壓阻礙了反應(yīng)，產(chǎn)生氫氣速率慢。因此，鋅粒要事先用硫酸銅(或硫酸亞鐵)處理，加入少量硫酸銅，使析出的銅與鋅形成“小型原電池”，加速了鋅的溶解，使整個反應(yīng)能持續(xù)、快速地進行，利于學(xué)生觀察到氫氣燃燒的淡藍(lán)色火焰。