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)
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)生對爆炸等實驗興趣濃厚,根據(jù)教學(xué)需要和提升實驗演示的趣味性,教師往往會演示氫氣爆炸實驗。大多數(shù)采用圖1裝置進(jìn)行實驗。
圖1 點燃?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驗裝置圖,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)體驗感不好,利用小木條進(jìn)行點燃,實驗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,因為使用到的是排空氣法收集氫氣,難以估計收集的氫氣的量,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,氫氣爆炸實驗都是用氫氣和空氣混合,實際參與反應(yīng)的氫氣和氧氣的質(zhì)量比較少,爆炸聲音普遍偏小。
氫氣爆炸實驗的改進(jìn)一直是研究的熱點,一線教師已經(jīng)提供了一些行之有效的改進(jìn)經(jīng)驗,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驗成功率;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)生實驗;針筒[4],氫氣體積小,安全性高。
圖2 容器的改進(jìn)
(2)點火方式改進(jìn)(如圖3所示)。煤氣點火槍[5],離爆炸容器較遠(yuǎn),提升安全性;遙控脈沖點火器[6-7],遠(yuǎn)離爆炸容器,安全性大大提高。
圖3 點火方式改進(jìn)
(3)一體化設(shè)計。李德前等老師設(shè)計的發(fā)生爆炸一體化實驗裝置(如圖4所示)。以上實驗改進(jìn)效果良好,但都是利用氫氣和空氣混合的方式進(jìn)行爆炸實驗,在爆炸效果方面不夠震撼,此外點火方式上,直接點燃可能給實驗者帶來恐懼,利用遙控脈沖點火器會使裝置變得比較復(fù)雜。
圖4 一體化設(shè)計
1.反應(yīng)物濃度的變化,采用氫氣和純的氧氣混合進(jìn)行實驗。
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)方程式可知氫氣體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,爆炸強度最大,經(jīng)過多次實驗也發(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.點火方式的變化
利用激光筆點燃火柴,可以使實驗者遠(yuǎn)離爆炸裝置。傳統(tǒng)的點火方式利用火柴或者小木條,和爆炸裝置距離比較近,實驗者內(nèi)心可能感到恐懼,實驗體驗感較差。有些學(xué)者利用遙控點火,整套裝置會顯得比較復(fù)雜。激光筆點火方法:將火柴放置在爆炸裝置的點火處,然后利用激光筆點燃火柴,距離可控,安全又便捷。
3.實驗用品
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.實驗裝置
裝置1:利用保鮮袋進(jìn)行爆炸實驗(袋內(nèi)事先放一根火柴)如圖5所示。
圖5 保鮮袋中進(jìn)行實驗
裝置2:利用礦泉水瓶進(jìn)行爆炸實驗,如圖6所示。
圖6 利用礦泉水瓶進(jìn)行實驗
5.實驗過程
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)行實驗: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。
1.通過激光筆點燃火柴,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驗的意愿大大提高,與播放視頻相比,學(xué)生能夠直觀感受到來自現(xiàn)場演示實驗的真實感。此外,該種點火方式也適用于點燃天然氣等其他不純的可燃性的氣體。
2.本實驗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)計成火箭外觀,還可以讓學(xué)生體驗火箭發(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?;鸺庥^的設(shè)計也可以讓學(xué)生提交設(shè)計,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)低成本實驗理念。
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。