氫氣制備與性質一體化微型實驗

徐 寧 羅子雄 徐 晗

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

1 教學現狀

氫氣是初中化學三大氣體之一，氫氣的性質穿插在人教版初中化學“水的組成”中。除了“氫氣的可燃性”是以演示實驗呈現外，氫氣的其他性質只是簡單提及，有的是以圖片形式呈現，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，但學生對氫氣缺乏體驗性認識。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，一直是初中化學教學中難度較大的實驗之一，實驗中很難觀察到氫氣的淡藍色火焰，得到的多是黃色火焰，老師們往往解釋為是玻璃導管中鈉的焰色反應所致，要求學生記住是“淡藍色火焰”，學生看不到火焰的實際顏色而對實驗產生懷疑，影響實驗教學的可信度。

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、現象明顯，不足之處是在導管口點燃氫氣觀察不到氫氣的淡藍色火焰；U型微型試管內空氣不易排出，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管做了改進，利用石墨導管觀察到氫氣燃燒的淡藍色火焰；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，實現了氫氣的制備、驗純、爆炸、燃燒及還原氧化銅一體化實驗，現象明顯。不足之處是裝置復雜，不簡約，而且觀察不到氫氣的淡藍色火焰。有的教師利用注射器作為制取氫氣的反應容器，潔廁液和廢舊電池的鋅片作為反應藥品，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。往回拉注射器，鋅粒與稀硫酸脫離，反應停止，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

在石墨尖嘴導管口點燃氫氣，可以觀察到管口氫氣燃燒發(fā)出淡藍色火焰。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。符合綠色化學的理念，適合學生分組實驗。

6 注意的問題

氫氣燃燒之所以會出現黃色火焰，除了與玻璃導管中鈉的焰色反應有關外，還與氫氣的流速有關。使用純鋅粒和稀硫酸反應，鋅粒表面附著有氧化膜、硫酸鋅和氫氣，物理覆蓋和產生的超電壓阻礙了反應，產生氫氣速率慢。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，使整個反應能持續(xù)、快速地進行，利于學生觀察到氫氣燃燒的淡藍色火焰。