氫氣爆炸是初中化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)最為重要的內(nèi)容之一，但由于傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)裝置及方法存在較難的操控性和一定的危險(xiǎn)性，故任課教師很少在課堂教學(xué)過程中給學(xué)生演示，讓學(xué)生分組進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作的機(jī)會(huì)就更少，致使學(xué)生不能通過氫氣燃燒爆炸的探究性實(shí)驗(yàn)去理解爆炸產(chǎn)生的原理、條件及現(xiàn)象。為了能夠簡潔、安全、經(jīng)濟(jì)、高效、可重復(fù)地進(jìn)行實(shí)驗(yàn)探究和演示，國內(nèi)很多學(xué)者改進(jìn)了氫氣爆炸實(shí)驗(yàn)裝置和方法，不僅保證了實(shí)驗(yàn)的安全性，也增強(qiáng)了相關(guān)知識(shí)點(diǎn)的趣味性，能夠在學(xué)生體驗(yàn)爆炸現(xiàn)象的同時(shí)培養(yǎng)其細(xì)微觀察能力和探究創(chuàng)新能力。但是，目前關(guān)于氫氣爆炸實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新改進(jìn)的研究成果眾多、研究重點(diǎn)各異、適用條件不同，如何依據(jù)教學(xué)實(shí)際正確選擇實(shí)驗(yàn)裝置和方法，是課堂教學(xué)不得不直接面對(duì)的棘手問題。本文從氫氣爆炸實(shí)驗(yàn)的原理入手，分析了影響實(shí)驗(yàn)效果的主要因素，并通過綜合對(duì)比研究近年來相關(guān)文獻(xiàn)資料中的研究成果，從氫氣發(fā)生裝置、反應(yīng)藥品、點(diǎn)火方式、爆炸裝置等四個(gè)方面系統(tǒng)總結(jié)了氫氣爆炸實(shí)驗(yàn)開展過程中的注意事項(xiàng)與可借鑒方法，也對(duì)未來的創(chuàng)新改進(jìn)研究提出了設(shè)想和建議。

一、實(shí)驗(yàn)原理

化學(xué)爆炸都是在燃燒的基礎(chǔ)上形成的，氫氣的爆炸過程應(yīng)當(dāng)是在某一密閉空間內(nèi)部，如某一容器內(nèi)，氫氣體積占到總體積的4.0%～74.2%時(shí)，容器內(nèi)所含的氫氣濃度達(dá)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(nèi)部壓力也迅速增大，促使局部的氫氣燃燒過程在極短的時(shí)間內(nèi)完成，局部燃燒也會(huì)引燃其周圍的混合氣體，并使其劇烈燃燒，導(dǎo)致容器內(nèi)的壓力急劇增大，從而形成了爆炸。

二、影響要素

氫氣爆炸實(shí)驗(yàn)成套系統(tǒng)主要是由氫氣發(fā)生裝置、反應(yīng)藥品、點(diǎn)火方式、爆炸裝置等四個(gè)基本單元組成的完整體系（如圖1所示），而每個(gè)組成單元都會(huì)對(duì)實(shí)驗(yàn)有較大影響。為了增強(qiáng)問題分析的細(xì)致性和行文論述的條理性，本文接下來將會(huì)以組成氫氣爆炸實(shí)驗(yàn)成套系統(tǒng)的四個(gè)基本單元為影響要素，深入分析近年來關(guān)于各影響要素創(chuàng)新改進(jìn)研究成果中的注意事項(xiàng)與可借鑒方法。

三、要素分析

（一）氫氣發(fā)生裝置

氫氣爆炸實(shí)驗(yàn)中氫氣的制取通常采用啟普發(fā)生器、錐形瓶、廣口瓶、大試管等規(guī)制器具。但是，規(guī)制器具的獲取及使用易受實(shí)驗(yàn)條件影響，而且在制取后輸出氫氣時(shí)需要排凈空氣，不僅所需的反應(yīng)藥品數(shù)量較大，也會(huì)造成時(shí)間上的浪費(fèi)。因此，很多研究都針對(duì)規(guī)制器具的不適用性對(duì)制取氫氣的裝置進(jìn)行創(chuàng)新改進(jìn)。

利用廢舊塑料瓶制作而成的氫氣發(fā)生簡易裝置形式最多，在氫氣爆炸實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)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(wǎng)封住切口，然后將若干鋅粒從瓶口投入瓶中，鋅粒會(huì)滯留在塑料網(wǎng)上，再選取內(nèi)徑略大于塑料瓶直徑的燒杯，燒杯內(nèi)加入適量稀硫酸，將塑料網(wǎng)所在一端插入燒杯內(nèi)形成密閉的反應(yīng)容器，插拔塑料瓶能夠?qū)崿F(xiàn)鋅粒與稀硫酸的接觸或脫離，可以隨時(shí)進(jìn)行和終止氫氣發(fā)生實(shí)驗(yàn)。

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(nèi)插入至截取的上部瓶身中形成隔離網(wǎng)，然后用插有導(dǎo)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(fā)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(shè)一圓孔，將裝有顆粒較大鋅粒的干燥管插入圓孔內(nèi)即可發(fā)生反應(yīng)，如需停止生成氫氣反應(yīng)，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(fā)生簡易裝置，制作材料環(huán)保且成本較低，反應(yīng)藥品的添加和回收容易，固液分離的實(shí)現(xiàn)也能夠節(jié)約反應(yīng)藥品用量，但通過插拔裝有酸液的燒杯內(nèi)的塑料瓶來控制化學(xué)反應(yīng)的實(shí)驗(yàn)操作具有一定的安全隱患。

已有文獻(xiàn)資料中也有利用廢舊注射器制作氫氣發(fā)生簡易裝置的相關(guān)報(bào)道，如圖2（d）所示。在具體操作時(shí)，預(yù)先將鋅片放入注射器空筒內(nèi)，需要制取氫氣時(shí)只需拉動(dòng)活塞吸入酸液就能開始實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)束時(shí)將酸液推出，即可停止氫氣發(fā)生反應(yīng)，插上導(dǎo)管后可通過排水法完成氫氣的收集，插上針頭還可以進(jìn)行氫氣純度的檢驗(yàn)。經(jīng)過反復(fù)的實(shí)驗(yàn)操作發(fā)現(xiàn)，注射器容量大小要依據(jù)氫氣爆炸實(shí)驗(yàn)所需的氫氣供應(yīng)量及供氣速度來選定。該種形式的氫氣發(fā)生裝置成本較低，制作簡單，即開即停，可反復(fù)使用，既能節(jié)約反應(yīng)藥品，又可有效控制反應(yīng)速度，但該裝置在操作使用過程中的安全性不高，當(dāng)廢舊注射器氣密性不好或操作使用不當(dāng)時(shí)，酸液容易在活塞推拉過程中漏出。

（二）反應(yīng)藥品

氫氣爆炸實(shí)驗(yàn)中制取氫氣最經(jīng)常采用的反應(yīng)藥品主要為鋅片、鋅粒、鎂條、稀鹽酸、稀硫酸等。對(duì)比分析相關(guān)文獻(xiàn)中反應(yīng)藥品的使用情況能夠發(fā)現(xiàn)，實(shí)驗(yàn)過程中無論是使用鋅粒和1∶1的稀鹽酸溶液反應(yīng)，長條鋅片和常溫下密度為1.20 g/mL的稀硫酸溶液反應(yīng)，還是使用鎂條和6 mol/L的稀鹽酸溶液反應(yīng)，鋅粒和10%的稀鹽酸溶液反應(yīng)，均能取得較好的實(shí)驗(yàn)效果。

由此可見，每次采用創(chuàng)新改進(jìn)后的新型實(shí)驗(yàn)裝置開展的氫氣制取實(shí)驗(yàn)，其所使用藥品的種類、形狀和濃度的最終選定，也都經(jīng)過實(shí)驗(yàn)過程中多次反復(fù)的嘗試，并沒有統(tǒng)一的選擇標(biāo)準(zhǔn)和參考依據(jù)，這樣會(huì)增加實(shí)驗(yàn)步驟、延長實(shí)驗(yàn)時(shí)間，極大地影響了實(shí)驗(yàn)教學(xué)效率。為此，文獻(xiàn)中已有關(guān)于氫氣爆炸實(shí)驗(yàn)中鋅粒大小和酸液濃度影響氫氣制取速度的針對(duì)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(jié)果表明，鋅粒大小和酸液濃度通常都會(huì)對(duì)化學(xué)反應(yīng)的平穩(wěn)性有較大的影響，所使用的鋅粒純度過高時(shí)與酸性溶液反應(yīng)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(xué)反應(yīng)速度。

定量研究認(rèn)為，在實(shí)驗(yàn)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(shí)間內(nèi)鎂條生成的氫氣體積最大，其次是鋅粒，鋅條反應(yīng)最慢，但充分反應(yīng)后所得氫氣體積相同。如果將質(zhì)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(jié)論與上述相同，但充分反應(yīng)后應(yīng)用鎂條所產(chǎn)生的氣體體積最大，鋅粒與鋅條產(chǎn)生的氣體體積次之。

氫氣爆炸實(shí)驗(yàn)中除了最經(jīng)常采用的反應(yīng)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(yīng)來制取氫氣的嘗試。由于所采用的反應(yīng)藥品較為常見、易于獲取，故適合在反復(fù)多次的探究性實(shí)驗(yàn)中應(yīng)用，使用成本較低，可操控性較好，安全性有保障，教學(xué)實(shí)踐也證明了能夠?qū)崿F(xiàn)較好的應(yīng)用效果，非常值得參考和借鑒。此外，還有利用電解反應(yīng)藥品混合溶液來制備氫氣爆炸實(shí)驗(yàn)所需氫氣的相關(guān)研究及應(yīng)用。電解反應(yīng)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(nèi)，使得實(shí)驗(yàn)成功率高、所耗時(shí)間少，但由于氫氣密度較氧氣小，故實(shí)驗(yàn)過程中收集氣體的時(shí)間對(duì)實(shí)驗(yàn)效果的影響比較大。

（三）點(diǎn)火方式

氫氣爆炸實(shí)驗(yàn)過程中最常用的是與手持燃燒小木條點(diǎn)燃并引爆混合氣體類似的傳統(tǒng)點(diǎn)火方式，但當(dāng)周圍空氣對(duì)流太快時(shí)就會(huì)造成點(diǎn)火困難，點(diǎn)火動(dòng)作過慢時(shí)還存在遭受飛起的爆炸裝置傷害的風(fēng)險(xiǎn)，較小點(diǎn)火距離所導(dǎo)致的較大爆炸聲音也容易引發(fā)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(huì)由于抖動(dòng)失準(zhǔn)等因素干擾而難以成功。針對(duì)如上弊端，近年來有許多氫氣爆炸實(shí)驗(yàn)都對(duì)傳統(tǒng)點(diǎn)火方式進(jìn)行了創(chuàng)新改進(jìn)。系統(tǒng)總結(jié)目前文獻(xiàn)中的相關(guān)研究成果發(fā)現(xiàn)，氫氣爆炸實(shí)驗(yàn)中經(jīng)常采用的新型點(diǎn)火方式主要有脈沖電流點(diǎn)火、電熱絲引燃點(diǎn)火等。

脈沖電流點(diǎn)火方式是將類似于日常生活中經(jīng)常使用的一次性電子打火機(jī)的壓電陶瓷點(diǎn)火器等的脈沖電源上的兩個(gè)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(nèi)部，然后再與點(diǎn)火針相連，而后形成的完整點(diǎn)火系統(tǒng)，如圖3（a）所示。具體應(yīng)用時(shí)只需按下放置在遠(yuǎn)處的打火按鈕，點(diǎn)火針處就能夠產(chǎn)生肉眼可見的電火花，從而引燃混合氣體，并使其發(fā)生爆炸。脈沖電流點(diǎn)火方式因具有原理簡單、成功率高、趣味性強(qiáng)、科技創(chuàng)新氣息濃厚、可遠(yuǎn)程操控點(diǎn)火等優(yōu)點(diǎn)，而頻繁在氫氣爆炸實(shí)驗(yàn)中得到應(yīng)用，也極大程度上提高了實(shí)驗(yàn)的安全性。而且通過點(diǎn)火裝置所產(chǎn)生的一點(diǎn)點(diǎn)火星就引發(fā)威力巨大的爆炸，能夠使學(xué)生形成對(duì)易燃易爆物品的安全防范意識(shí)。但點(diǎn)火裝置的制作安裝均較為煩瑣，操作不當(dāng)也容易破壞焊點(diǎn)使導(dǎo)線脫落，而且環(huán)境潮濕或點(diǎn)火針沾水都會(huì)導(dǎo)致點(diǎn)火失敗。電熱絲引燃點(diǎn)火是利用低壓直流電熱絲來引燃預(yù)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(diǎn)火方式原理簡單，操作方便，可遠(yuǎn)程控制，安全性好，成功率高，主要缺點(diǎn)就是每次實(shí)驗(yàn)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(xiàn)行的大多數(shù)教材中關(guān)于氫氣爆炸的示范實(shí)驗(yàn)都是傳統(tǒng)的紙筒實(shí)驗(yàn)，使用紙筒作為爆炸裝置進(jìn)行氫氣爆炸實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)中，除了爆炸聲音較以前大、實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象較以前明顯外，其他方面的缺陷與紙筒實(shí)驗(yàn)無異。近年來，文獻(xiàn)中對(duì)于氫氣爆炸實(shí)驗(yàn)裝置的探究性改進(jìn)較多，在教學(xué)實(shí)踐中這些改進(jìn)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(shí)驗(yàn)為參照而對(duì)其進(jìn)行改進(jìn)的產(chǎn)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(tái)上，塑料瓶蓋子上開設(shè)圓孔，然后在所開設(shè)的圓孔處插上一根帶橡膠塞的細(xì)短金屬管，再利用向下排空氣法將驗(yàn)純合格的氫氣由瓶口通入瓶內(nèi)，使得瓶內(nèi)部分空氣被排出，然后拔去細(xì)短金屬管管口處的橡膠塞，并迅速用燃燒的木條點(diǎn)燃金屬管口的氫氣，即可觀察到爆炸現(xiàn)象。該爆炸裝置雖然克服了以紙筒為代表的傳統(tǒng)裝置的絕大多數(shù)缺陷，而取得了較好的實(shí)驗(yàn)效果，但由于無法精確判斷通入塑料瓶內(nèi)的氫氣量，所以實(shí)驗(yàn)的成功率和可重復(fù)性較以前沒有明顯提高。

噴射式爆炸裝置是對(duì)傳統(tǒng)裝置進(jìn)行的最具趣味性的創(chuàng)新改進(jìn)的結(jié)果，如圖4（b）所示。典型的實(shí)驗(yàn)應(yīng)用是將作為爆炸裝置的注射器的活塞柄固定在實(shí)驗(yàn)臺(tái)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(gè)微型打火裝置，再向注射器空筒內(nèi)通入氫氣，按動(dòng)打火按鈕產(chǎn)生電火花后，氫氣便開始劇烈燃燒，瞬間產(chǎn)生的熱量無法在有限空間內(nèi)消散，會(huì)使得氣體體積快速膨脹而發(fā)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(shí)用，將單孔橡皮塞套裝在液化氣點(diǎn)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(diǎn)火扳機(jī)，就可以觀察到塑料瓶向前飛出，同時(shí)塑料瓶中有火光和爆鳴聲出現(xiàn)。噴射式爆炸裝置構(gòu)造簡單，容易操控，可重復(fù)利用，能夠激發(fā)學(xué)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(jié)論與展望

氫氣爆炸實(shí)驗(yàn)是初中化學(xué)教學(xué)的重要內(nèi)容，涉及氫氣發(fā)生裝置、反應(yīng)藥品、點(diǎn)火方式、爆炸裝置等眾多裝置及藥品的具體運(yùn)用。截至目前，關(guān)于氫氣爆炸實(shí)驗(yàn)的研究已趨完善，常規(guī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)只需依據(jù)自身實(shí)驗(yàn)條件，參照已有研究成果，選取合適的裝置和藥品，進(jìn)行最優(yōu)組合即可完成。根據(jù)目前已有文獻(xiàn)對(duì)于氫氣爆炸實(shí)驗(yàn)的研究現(xiàn)狀可以預(yù)判，未來值得研究和探索的方向大致有三個(gè)：一是綜合運(yùn)用計(jì)算機(jī)技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)和監(jiān)測(cè)檢測(cè)傳感技術(shù)開發(fā)成本較低、可批量生產(chǎn)、適于推廣應(yīng)用的成套智能型實(shí)驗(yàn)裝置，這可免除實(shí)驗(yàn)材料準(zhǔn)備、實(shí)驗(yàn)裝置制作等煩瑣工作，減輕教師的非教學(xué)性負(fù)擔(dān)；二是全面提升實(shí)驗(yàn)裝置的安全性和可操控性，放手讓學(xué)生獨(dú)自開展實(shí)驗(yàn)，可極大減少教師在實(shí)驗(yàn)中的參與度，培養(yǎng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)和動(dòng)手能力；三是開發(fā)集趣味性、探究性、拓展性于一體的實(shí)驗(yàn)裝置，激發(fā)學(xué)生感知實(shí)驗(yàn)、體會(huì)實(shí)驗(yàn)、創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)的積極性。

（作者單位：南通市第二初級(jí)中學(xué)）

編輯：趙飛飛