手持氣體爆鳴實驗設(shè)計三例

曾德琨 王秋亮

摘要： 用Y型管、香瓜瓜體、塑料滴管等設(shè)計裝置進(jìn)行爆鳴氣體實驗。用塑料滴管做電解反應(yīng)的容器，大頭針做電極，9V電池做直流電源電解氯化鈉、氫氧化鈉水溶液得到爆鳴氣體;電解得到的氣體在爆炸極限范圍內(nèi)，在塑料滴管尖端外點火，爆鳴實驗效果明顯，容易成功，且可避免在爆炸實驗中玻璃儀器的破裂。與傳統(tǒng)實驗相比，新設(shè)計的實驗現(xiàn)象更明顯，還能觀察電解氯化鈉溶液時陽極的腐蝕及產(chǎn)生氫氧化亞鐵沉淀等現(xiàn)象。

關(guān)鍵詞： 氣體爆鳴實驗; 氫氯爆鳴; 氫氧爆鳴; 乙炔爆鳴; 微量化實驗設(shè)計

文章編號： 10056629（2018）12007303中圖分類號： G633.8文獻(xiàn)標(biāo)識碼： B

“氫氣在氯氣中安靜地燃燒，產(chǎn)生蒼白色火焰”，這是工業(yè)制取氯化氫氣體合成塔中的反應(yīng)?！皻錃饪稍谘鯕庵邪察o地燃燒，也可以和氧氣混合后發(fā)生爆炸反應(yīng)，是一種爆炸極限很寬泛的氣體”?；旌先紵ㄓ址Q預(yù)混燃燒）是指可燃?xì)怏w與空氣（氧）在燃燒前混合，并形成一定濃度的可燃混合氣體，被火源點燃所引起的燃燒?；旌先紵潜ㄊ降娜紵ǔＫf的氣體爆炸就屬混合燃燒[1]?；瘜W(xué)課堂通過實驗來落實氫氣、氯氣或氧氣的性質(zhì)，并強調(diào)安靜燃燒、混合爆炸的條件控制和對化學(xué)反應(yīng)條件的變量控制。教師應(yīng)引導(dǎo)學(xué)生注重追求化學(xué)實驗的簡易、安全、綠色、趣味等特點。

氣體的爆鳴實驗，通過聲音的刺激，讓學(xué)生感受化學(xué)爆炸的劇烈程度，從而加強學(xué)生對實驗安全操作的重視。課堂演示實驗或?qū)W生分組實驗要求效果鮮明，使爆炸反應(yīng)有足夠的威力，又必須做到絕對安全，不允許發(fā)生任何事故，因此很多化學(xué)教師做了不少實驗探究。我們結(jié)合教學(xué)實踐歸納列舉三種方案如下。

1?在Y型管中發(fā)生氫氣和氯氣混合光照反應(yīng)實驗

實驗裝置如圖1所示，實驗步驟如下：

（1） 在Y型管兩側(cè)分別加入1克高錳酸鉀和2克鋅粒;

（2） 用膠頭滴管先向裝有高錳酸鉀的管內(nèi)注入適量（約1mL）濃鹽酸;

（3） 再向有鋅粒的管內(nèi)加入適量（約2mL）濃鹽酸;

（4） 在Y型管的管口輕輕地塞一個橡皮塞或一團棉花;

（5） 在Y型管外10cm處點燃鎂條或開閃光燈，就會發(fā)生爆鳴現(xiàn)象，橡皮塞或棉花被沖起來，管口有大量白霧（見圖1）。

該實驗的優(yōu)點是當(dāng)場制取兩種氣體，量小，爆鳴時卻能發(fā)出尖銳的聲音，效果明顯。但缺點是，可能控制不好加酸的時機，高錳酸鉀和鹽酸反應(yīng)生成氯氣速度過快，不好控制產(chǎn)生氣體的比例，有時只出現(xiàn)“噗”的一聲。一次兩次不成功，師生心理方面會產(chǎn)生懼怕進(jìn)而放棄。

氫氣在氯氣中的爆炸極限是9.8%～52.8%。孟憲慧[2]老師曾做了兩百多次平行實驗，發(fā)現(xiàn)VH2∶VCl2=1∶2時，爆鳴成功率最高。若用大小不一的集氣瓶事先收好體積比1∶2的氫氣和氯氣，實驗時混合兩瓶氣體，用鎂條燃燒的強烈白光引爆，實驗成功率達(dá)90%。

2?在香瓜、柑橘等殼中發(fā)生乙炔和空氣混合氣體的爆鳴實驗

在全國第十二屆化學(xué)實驗教學(xué)創(chuàng)新大賽[3]的比賽現(xiàn)場，江西南康市教育局教研室施明林老師設(shè)計的“小鋼炮”足有半米長，直徑8cm（見圖2），小鋼炮管身下部有個小孔用于點火，一端封閉，一端敞口用于加反應(yīng)物和噴出火焰。施老師用乙炔和空氣的混合氣發(fā)生爆鳴，現(xiàn)場效果很震撼。

該設(shè)計的優(yōu)點是： （1）氣體當(dāng)場制取，易得;（2）因為用的是不銹鋼材料的設(shè)備，堅硬牢固，避免了師生擔(dān)心用試管、集氣瓶做此類爆炸實驗引起玻璃破碎炸裂飛濺的事故;（3）鋼管牢固安全，可以加大實驗藥品用量，效果更震撼。（4）乙炔在空氣中爆炸極限是2.5%～81.0%，在容積較大的鋼管中混合易形成爆鳴氣體。

鑒于鋼炮并不常見，需特意定做。筆者建議可以利用生活中的香瓜、西瓜、柑橘等殼體做反應(yīng)容器（見圖3）。

一個直徑大約10cm的香瓜，把有蒂的一端割下當(dāng)蓋子，用電動攪拌器將瓜瓤攪碎倒出，注意不要將瓜壁攪穿，形成一個殼體，殼體中央鉆一小孔用以點火。這個香瓜殼體容量500毫升左右，里面有少量水，加碳化鈣3克左右，立即蓋上蓋子。大約20秒后，點火，殼內(nèi)氣體爆鳴，將蓋子掀掉，聲音響亮，并且殼內(nèi)有熊熊烈焰，好像“憤怒的水果”。若電石質(zhì)量大，可以蓋上蓋子，讓火熄滅，過一會兒再點火，仍然可以爆鳴。

即便反應(yīng)劇烈，卻不用擔(dān)心玻璃炸裂的安全問題，對學(xué)生、教師來講都是安全可靠的，又能將生活中常見的廢棄物進(jìn)行有效利用。比較不同大小的水果，如柑橘、西瓜等，體積越大越易形成爆鳴氣，因為里面空氣多。體積小的柑橘，建議早點點火，否則空氣被排出后形成較純氣體不易爆鳴。如果把香瓜鏤空成不同形狀，爆鳴時火焰噴出的景象就有不同的理解，豐富了實驗的設(shè)計感。

3?電解氫氧化鈉水溶液制氫氧混合氣體并發(fā)生爆鳴實驗

實驗裝置如圖4所示，實驗步驟如下[4]：

（1） 取多用途塑料滴管吸入氫氧化鈉溶液;

（2） 將兩根大頭針從滴管插入溶液中，并連接9伏的電池（見圖4），開始通電;

（3） 將肥皂泡涂在尖嘴端，可看到有氣泡吹大，用火去點，并沒有什么現(xiàn)象。說明剛開始排出的是管內(nèi)本身的空氣，不是爆鳴氣;

（4） 再在管口涂抹肥皂液，繼續(xù)用火去點氣泡，當(dāng)發(fā)現(xiàn)有輕微爆鳴聲后，說明已產(chǎn)生爆鳴氣了，但是是弱爆炸;接下去的一個氣泡，往往就會發(fā)生尖銳的爆鳴，并且管口產(chǎn)生火焰（見圖4）;

（5） 繼續(xù)通電，涂抹肥皂液，又會出現(xiàn)氣泡，但這種氣泡點不著，持續(xù)幾個氣泡后，又出現(xiàn)尖銳爆鳴。說明一次爆鳴后，有空氣進(jìn)入滴管。

（6） 可反復(fù)多次進(jìn)行爆鳴實驗。

該實驗的優(yōu)點是： 用塑料滴管進(jìn)行微量混合氣體的爆鳴，所耗試劑微量化，不用擔(dān)心炸裂;氫氣在空氣中的爆炸極限為4.0%～74.2%，換算成氫氣在氧氣中的爆炸極限為16.6%～93.2%，最高限和最低限都是弱爆炸，超出這個范圍氫氣就不會發(fā)生爆炸。爆炸最強烈是VH2∶VO2=2∶1時，即H2%=67%，因為電解水得到的兩種氣體體積比正好是2∶1，所以不用擔(dān)心氣體的比例問題。學(xué)生可以拿在手上完成這個實驗，且可以反復(fù)多次。若將氫氧化鈉的水溶液換成鹽酸溶液，可以做氯氣和氫氣的光照爆鳴實驗[5]。

如果是電解飽和氯化鈉溶液，還會發(fā)現(xiàn)陽極的大頭針發(fā)生腐蝕，電解了三個循環(huán)、產(chǎn)生三次爆鳴氣體后，陽極大頭針質(zhì)量由0.0875克變?yōu)?.0564克，溶液中呈現(xiàn)綠色沉淀，應(yīng)該是氫氧化亞鐵轉(zhuǎn)變?yōu)闅溲趸F的中間產(chǎn)物。既然鐵鋅合金的大頭針在陽極發(fā)生了失去電子的氧化反應(yīng)，那為什么又能得到氫氣和氯氣的爆鳴氣體呢？這說明氯離子也在失去電子生成氯氣，即鐵的腐蝕和氯氣的生成是兼容的。但是在電解氫氧化鈉溶液時大頭針同樣充當(dāng)陰陽兩極，卻沒有發(fā)生明顯的腐蝕現(xiàn)象，這是由于電解飽和氯化鈉溶液時受到了氯離子效應(yīng)的作用。所謂“氯離子效應(yīng)”是指：“一些化學(xué)反應(yīng)中氯離子對金屬相所起的某些作用稱為氯離子效應(yīng)，在中學(xué)化學(xué)實驗中涉及到氯離子效應(yīng)的實驗大致可分為三類，一為金屬相表面發(fā)生的置換反應(yīng);二為金屬相表面發(fā)生的吸氧腐蝕;三為能形成中心為金屬離子（或原子）、氯離子為配離子的配合物的相關(guān)反應(yīng)。[6]”

以上列舉了筆者在一線教學(xué)實踐中經(jīng)常操作的幾個爆鳴實驗，認(rèn)為第三個方案更便捷安全，成功率高。在玻璃、鋼鐵、塑料容器中進(jìn)行實驗并發(fā)生爆鳴，師生對塑料最為放心，塑料的韌性和柔軟性使得實驗雖然劇烈，但能保證爆鳴實驗成功且安全，讓學(xué)生心理上沒有恐懼感而放心。而且能拿在手上做，這增加了實驗的趣味性，加上該實驗消耗試劑微量化，爆鳴規(guī)模也小，爆鳴成功率又高。建議一線教師可以動手一試并指導(dǎo)學(xué)生一起做該實驗，共同感受爆鳴實驗帶來的樂趣和收獲。

參考文獻(xiàn)：

[1]王程杰.燃燒條件“3+1”[J].化學(xué)教學(xué)， 2016，（1）： 49～54.

[2]孟憲慧.氯氣氫氣混合氣體爆鳴演示實驗改進(jìn)與研究[J].新職教， 2000，（1）： 41.

[3]施明林.可燃性氣體爆炸實驗創(chuàng)新設(shè)計[R].廈門： 中國教育學(xué)會化學(xué)教學(xué)專業(yè)委員會， 2015： 317～318.

[4]杜淑賢主編.動手學(xué)化學(xué)[M].上海： 上海教育出版社， 2015： 35.

[5]人民教育出版社編著.普通高中課程標(biāo)準(zhǔn)實驗教科書·實驗化學(xué)[M].北京： 人民教育出版社， 2005： 8.

[6]王程杰.關(guān)注氯離子效應(yīng)在中學(xué)化學(xué)實驗中的應(yīng)用[J].化學(xué)教學(xué)， 2015，（11）： 53～58.