“氫氣制取及性質(zhì)驗證”家庭趣味實驗的設(shè)計

周正祥+韓麗華+楊加根

摘要：針對教材中“氫氣的制取及性質(zhì)驗證”實驗的存在不足進(jìn)行了改進(jìn)設(shè)計。采用大注射器作為制取氫氣的反應(yīng)裝置，低泡潔廁液和廢舊電池上鋅片作為反應(yīng)藥品，眼藥水瓶用于收集氫氣進(jìn)行驗純，粗針頭作為燃燒尖嘴管，附有打火機(jī)點火器的小注射器作為不純氫氣爆炸裝置，自制酒精打火機(jī)作為熱源等，設(shè)計成便于學(xué)生做的家庭趣味實驗。改進(jìn)后的實驗裝置簡單，實驗現(xiàn)象明顯；實驗操作簡易、安全、成功率高且實用；所有實驗完成僅需要4分鐘；能激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

關(guān)鍵詞：氫氣制??；性質(zhì)驗證；家庭趣味實驗；實驗設(shè)計；實驗改進(jìn)

文章編號：1005–6629（2015）7–0057–04 中圖分類號：G633.8 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

新課程倡導(dǎo)鼓勵化學(xué)教師開發(fā)研究成本低、污染少、現(xiàn)象明顯、安全性高和操作方便的化學(xué)實驗。同時也鼓勵教師和學(xué)生充分利用生活中的常見物品和廢棄物，設(shè)計富有特色的實驗和實踐活動。開發(fā)的化學(xué)實驗儀器或?qū)嶒炑b置應(yīng)有助于激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)化學(xué)的興趣，創(chuàng)設(shè)生動活潑的教學(xué)情景，幫助學(xué)生理解和掌握化學(xué)知識和技能，訓(xùn)練學(xué)生的科學(xué)方法，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)態(tài)度和價值觀[1]。

作為初中教材中三大重要氣體之一，氫氣的制取及性質(zhì)實驗在教學(xué)和考查中有重要地位。但教材中氫氣制取及性質(zhì)實驗的器材、藥品選擇，不適用于學(xué)生進(jìn)行家庭實驗，且制取氣體的操作相對復(fù)雜，有些性質(zhì)驗證實驗安全性欠缺，教師做實驗容易產(chǎn)生畏難情緒，學(xué)生做實驗也會有心理壓力。同時，由于實驗內(nèi)容較多，在教材中比較零散，缺乏整體性，容易產(chǎn)生遺忘等。結(jié)合新課程倡導(dǎo)的要求和相關(guān)知識的重要地位以及相關(guān)知識在教材中的分布情況，我們有必要在傳承的基礎(chǔ)上，以“生活化”為基礎(chǔ)，“綠色、安全、實用”為主要目標(biāo)，進(jìn)行二次創(chuàng)新設(shè)計，以期達(dá)到最佳的實驗效果[2]。為此，我們進(jìn)行了實驗創(chuàng)新設(shè)計。主要設(shè)計思路：我們用大注射器作為制取氫氣的反應(yīng)裝置，用低泡潔廁液和廢舊電池上鋅片作為反應(yīng)藥品，用眼藥水瓶收集氫氣進(jìn)行驗純，用粗針頭作為燃燒尖嘴管，以帶打火機(jī)點火器的小注射器作為不純氫氣爆炸裝置，以自制酒精打火機(jī)作為熱源等，所用物品皆來源于生活中。改進(jìn)后的實驗裝置簡單，實驗現(xiàn)象明顯；所有實驗完成僅需要4分鐘，極大地縮短了實驗時間；同時，改進(jìn)后的實驗降低了操作的難度，提高了實驗的成功率和實用性。其中，爆炸實驗安全且有震撼力，能激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，便于學(xué)生進(jìn)行家庭實驗。2014年12月，我們將此設(shè)計在江蘇省初中化學(xué)實驗教學(xué)技能大賽上代表鹽城地區(qū)參加展評，獲省一等獎。

1 設(shè)計理念

實驗用品選用和設(shè)計體現(xiàn)“生活化”理念；實驗裝置設(shè)計反映“一體化”理念；實驗過程凸顯“綠色化”理念。

2 實驗用品

注射器、眼藥水瓶、輸液管、打火機(jī)點火器、玻璃管、打火機(jī)（裝酒精）、一次性水杯、潔廁靈（低泡型）、廢電池、肥皂液、銅絲等

3 設(shè)計方案

3.1 制取氫氣

氫氣發(fā)生裝置見圖1。

3.1.1 實驗步驟

（1）打開注射器活塞。

（2）裝鋅片。

（3）吸取潔廁液。

（4）固定裝置。

3.1.2 注意事項

（1）鋅片要清洗干凈，去除表面雜物。若有雜物或一些堿性物質(zhì)會影響反應(yīng)的速度。

（2）潔廁靈要選擇低泡型的，高泡型的在反應(yīng)過程中會產(chǎn)生大量泡沫，影響實驗效果。

（3）發(fā)生裝置的注射器不可太小，經(jīng)過多次實驗發(fā)現(xiàn)，完成后續(xù)實驗采用50mL的注射器較為可行。

3.1.3 實驗說明

（1）下方一次性水杯為溢水杯，為后續(xù)排水法收集氣體作準(zhǔn)備。

（2）藥品以潔廁靈為酸液，與廢電池的鋅片反應(yīng)制取氫氣；潔廁靈有一定的腐蝕性，使用時應(yīng)避免碰到皮膚，若不小心碰到皮膚上，要及時用水沖洗，并用肥皂進(jìn)行擦洗。

（3）將鋅片預(yù)先裝入注射器，需要反應(yīng)時吸取潔廁液，實驗結(jié)束推出酸液，實驗可以反復(fù)進(jìn)行。

3.2 排水法收集氫氣并檢驗氫氣純度

實驗裝置見圖2。

3.2.1 實驗步驟

（1）藥水瓶吸滿水。

（2）倒置套在注射器口。

（3）檢驗氫氣純度。

3.2.2 注意事項

（1）選擇口徑較小但能套在注射器口的藥水瓶（眼藥水瓶較好），口徑稍大會收不住水，就無法完成排水法收集。

（2）排盡水后，要用手指壓住瓶口，口向下移近火焰，才能確保驗純的可靠性。

3.2.3 實驗說明

（1）其收集原理是利用大氣壓壓住水的原理，倒置時水不流出，氣體進(jìn)入，水被排出來。

（2）移近火焰，氫氣不純有爆鳴聲，氣體純凈則聲音很小。

（3）該實驗安全可靠，實驗效率高。

3.3 點燃?xì)錃?/p>

點燃?xì)錃獾难b置見圖3。

3.3.1 實驗步驟

（1）插上針頭。

（2）點燃?xì)錃狻?/p>

（3）拔下針頭。

3.3.2 注意事項

（1）驗純后插上針頭，待約5秒后點燃，防止針頭內(nèi)殘留少量空氣，點燃引起爆炸。

（2）實驗過程中不可以移動注射器活塞，防止吸入空氣，引起爆炸。

（3）針頭要粗一點，出氣量大，火焰明顯。

（4）要采用拔下針頭的方法熄滅火焰，這種滅火方法比較安全可靠。不可以用嘴吹滅，防止將火焰吹進(jìn)反應(yīng)容器，或者沒有熄滅，引起安全事故。

3.3.3 實驗說明

（1）作為家庭實驗，該實驗現(xiàn)象明顯，但如果作為課堂演示實驗，由于氫氣量較小，其現(xiàn)象不易觀察，這時可以用火柴頭靠近火焰，證明燃燒。

（2）指導(dǎo)學(xué)生做該實驗時，嚴(yán)格按照操作要求來完成，即：先驗純，裝針頭后過2～5秒，再點燃，其安全性是肯定有保障的。

3.4 發(fā)射“火箭”

不純氫氣點燃爆炸實驗見圖4。

3.4.1 實驗步驟

（1）排水法收集氫氣。

（2）換裝帶電子打火的活塞。

（3）按動打火按鈕。

3.4.2 注意事項

（1）收集氣體的注射器預(yù)先吸入半注射器水為宜，實踐得出作為家庭實驗，此量對于學(xué)生來說比較好把握，其效果也非常好。

（2）換裝帶電子打火的活塞時，要將活塞推進(jìn)到堵住小孔，形成密封空間。

（3）電子打火是從電子打火機(jī)拆卸下來，打火前端要用兩根銅絲焊接加長，以確保能伸到注射器內(nèi)。焊接后，要測試一下，確保打火質(zhì)量，然后安裝到注射器活塞上，并用膠帶固定。

（4）由于爆炸后有較強(qiáng)的沖擊力，因此點火時，不能對著人或易碎物品，以確保安全。

3.4.3 實驗說明

（1）圖4中間部分為排水法收集氫氣裝置（原理同實驗二）。收集前，預(yù)先在注射器活塞末端打一小孔，用手按住小孔，吸入半注射器水，用封閉的針尖頭封住注射器口，再用排水法收集氫氣。

（2）圖4右邊部分為點火裝置。在換裝點火器時，要確保點火器前端不能靠到注射器管壁，防止沾水影響打火質(zhì)量，造成實驗失敗。

（3）告知學(xué)生，該實驗操作方便，安全可靠，成功率高，現(xiàn)象明顯，讓學(xué)生克服恐懼心理，從而很好地完成該家庭實驗。

3.5 還原氧化銅及吹肥皂泡

氫氣還原氧化銅實驗見圖5。

3.5.1 實驗步驟

（1）連接帶玻璃管的導(dǎo)氣管。

（2）插入表面氧化的銅片。

（3）通入氫氣，加熱。

（4）冷卻，抽出銅片。

（5）用玻璃管口蘸取肥皂水，吹肥皂泡。

3.5.2 注意事項

（1）連接后，要通約5秒氫氣，后預(yù)熱，再集中加熱，防止混有空氣引起爆炸。

（2）現(xiàn)象明顯后，先移去熱源，在氫氣流中冷卻20秒左右，再拿出銅絲，防止還原后的銅在較高溫度下又被氧化。

3.5.3 實驗說明

（1）我們經(jīng)過多次實踐發(fā)現(xiàn)，銅片氧化后再還原，比用銅絲現(xiàn)象明顯，且耗時要短；玻璃導(dǎo)管盡量細(xì)一點，用時會較短，現(xiàn)象較明顯；對于熱源，我們嘗試用燭焰及煤油打火機(jī)，發(fā)現(xiàn)容易將玻璃管熏黑，影響實驗現(xiàn)象的觀察，我們將煤油打火機(jī)的燃料換成酒精，就解決了這個問題。

（2）銅片現(xiàn)場氧化，效果最佳；氧化銅片時要用燈外焰氧化，防止銅片被熏黑，影響實驗結(jié)果。

（3）本實驗按照操作要求完成，其安全性是完全有保證的。

4 價值與指導(dǎo)

我們將這個實驗作為家庭實驗布置給學(xué)生去完成，主要基于以下三個原因：一是，知識價值。有關(guān)氫氣知識的系列實驗是初中化學(xué)的重要實驗之一，學(xué)生必須全面理解和掌握，通過自己動手完成家庭實驗，學(xué)生對相關(guān)知識的理解會更加深刻；二是，實踐價值。通過指導(dǎo)進(jìn)行家庭實驗，為學(xué)生動手、動腦提供了條件，這是課堂教學(xué)的一個重要補充。學(xué)生在家中利用身邊常見的瓶瓶罐罐、廢物廢料，自己動手做家庭實驗，其具有演示實驗、分組實驗所不能替代的作用，能彌補課堂教學(xué)的不足；三是，素養(yǎng)價值。我們發(fā)現(xiàn)，不管課程標(biāo)準(zhǔn)如何變化，但教材上的實驗裝置設(shè)計絕大部分還是傳統(tǒng)的實驗裝置，多年沒有變化，或者變化很小，學(xué)生頭腦中形成固定思維，學(xué)習(xí)過程中不懂變化，也不敢變化，學(xué)生思維產(chǎn)生惰性，不利于學(xué)生創(chuàng)新能力培養(yǎng)。所以本實驗在讓學(xué)生熟練掌握傳統(tǒng)裝置的同時，教給了他們一種實驗創(chuàng)意設(shè)計的意識，學(xué)會實驗儀器、藥品的遷移、聯(lián)想，引導(dǎo)學(xué)生大膽突破原有的固定思維框架，多角度去發(fā)散創(chuàng)意思維，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力[3]。

實踐證明，本組家庭實驗設(shè)計確實意義不凡。一是，實驗用品的“生活化”培養(yǎng)了學(xué)生“因陋就簡”的科學(xué)理念；二是，氣體的產(chǎn)生、收集、驗證等實驗現(xiàn)象明顯，爆炸實驗安全且有震撼力，激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣；三是，將氫氣制取、收集和性質(zhì)驗證等零散實驗“一體化”，簡化了實驗裝置，學(xué)生容易整體把握相關(guān)知識；四是，本實驗設(shè)計，節(jié)約了藥品，實現(xiàn)化學(xué)實驗過程的“綠色化”，需要反應(yīng)時吸入酸液，需要反應(yīng)停止就排出酸液。但創(chuàng)新不忘繼承，如用吹肥皂泡說明氫氣密度小的實驗，操作簡單，現(xiàn)象明顯，我們設(shè)計時便加以吸收。

5 實踐與收獲

我們充分認(rèn)識到，家庭實驗有著演示實驗、分組實驗不可替代的作用，我們在家庭實驗的開展方面做了有效的探索，并取得一些成效，本組實驗只是其中一例。為達(dá)到最佳效果，我們認(rèn)為：首先，要從思想上高度重視家庭實驗，要有檢查督促機(jī)制；其次，就是要有目的、有計劃地開展家庭實驗。一要擬好計劃。家庭實驗作為化學(xué)實驗課的內(nèi)容之一，必須按照教學(xué)計劃執(zhí)行實施，教師在開學(xué)前一定要吃透教材，對涉及的內(nèi)容非常熟悉，根據(jù)教材中的內(nèi)容，對家庭實驗的開展擬定詳細(xì)的研究計劃，結(jié)合教材內(nèi)容及當(dāng)?shù)厍闆r對家庭實驗進(jìn)行適當(dāng)增減，動員和組織培訓(xùn)學(xué)生，激發(fā)學(xué)生的熱情。二要精選家庭實驗。這個過程要考慮家庭實驗的“時間性”，有些可以在所授課程內(nèi)容之前布置，有些實驗可以放在課程內(nèi)容完成后才布置給學(xué)生做；要考慮“趣味性”，如上述實驗學(xué)生興趣會很濃的；要考慮“生活性”，學(xué)生用生活中的物品來完成實驗，一方面便于學(xué)生取材，節(jié)約實驗室的儀器和藥品，另一方面讓學(xué)生感受到生活中處處有化學(xué)，化學(xué)貼近生活。三要加強(qiáng)指導(dǎo)、督促和交流。特別是在交流過程中，學(xué)生參觀、比較、評價他人“實驗成果”的同時，會主動對照自己的實驗結(jié)果，發(fā)現(xiàn)成功和不足，分析原因；再次，要取得家長配合。做家庭實驗，用到一些實驗物品、器材，需要有一定的經(jīng)濟(jì)基礎(chǔ)作后盾，家長對家庭小實驗的支持與否，是影響實驗順利進(jìn)行的因素，教師應(yīng)通過多種渠道與家長溝通交流，使家長了解家庭實驗對學(xué)習(xí)化學(xué)的重要作用，力爭得到家長的配合。除了物質(zhì)支持外，家長還可以對實驗的安全進(jìn)行、學(xué)生完成實驗的過程起到一定的督促作用。

通過實踐，我們體會到家庭實驗?zāi)軓浹a課堂教學(xué)的不足，是化學(xué)課堂教學(xué)很好的補充，它培養(yǎng)了學(xué)生的獨立思維能力、獨立實驗技能和獨立解決問題的能力，培養(yǎng)了學(xué)生善思、嚴(yán)肅、認(rèn)真、務(wù)實的好習(xí)慣，提高了學(xué)生學(xué)習(xí)化學(xué)的積極性和主動性。更為重要的是培養(yǎng)了學(xué)生的創(chuàng)新思維能力和創(chuàng)造能力。雖然我們在學(xué)生家庭實驗方面的實踐還在路上，但我們已經(jīng)嘗到了甜頭，在大力開展家庭實驗后，我校學(xué)生學(xué)習(xí)化學(xué)的熱情空前高漲，學(xué)生不僅在化學(xué)課堂上津津樂學(xué)，甚至課后談?wù)摰脑掝}也經(jīng)常是實驗，其直接體現(xiàn)就是化學(xué)成績快速提升，我校化學(xué)抽測成績已經(jīng)躍居全市前列。

參考文獻(xiàn)：

[1]中華人民共和國教育部制定.義務(wù)教育化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2011年版）[S].北京：北京師范大學(xué)，2011.

[2]祭彥加等.中學(xué)實驗室管理與實驗技術(shù)[M].南京：南京師范大學(xué)出版社，2007：229～244.

[3]楊加根，楊小祥.“常見氣體的制取”復(fù)習(xí)課教學(xué)的實踐和思考[J].中學(xué)化學(xué)教學(xué)參考，2013，（6）：10～12.