氫氣檢純及其爆炸極限測(cè)定實(shí)驗(yàn)方法的教學(xué)思考

田博文 劉懷樂

關(guān)鍵詞：氫氣驗(yàn)純;爆炸極限范圍;測(cè)定方法;教學(xué)思考

最近從《化學(xué)教學(xué)》2019年第7期第72頁(yè)上讀到一篇題為“氫氣爆炸極限測(cè)定演示實(shí)驗(yàn)裝置的新設(shè)計(jì)”的文章，很受啟發(fā)，收益良多。仔細(xì)研讀之后，產(chǎn)生了以此為題的教學(xué)思考，供初中化學(xué)教學(xué)同仁們參酌。

1檢驗(yàn)氫氣純度的傳統(tǒng)方法

現(xiàn)行初中化學(xué)教材簡(jiǎn)化了檢驗(yàn)氫氣純度的方法。不過(guò)，幾乎所有的教師都還在沿用原來(lái)初中化學(xué)教材（和教學(xué)參考書）所陳述的一些細(xì)節(jié)和方法。

第一種“用排水集氣法收集一試管氫氣……，如果聽到尖銳的爆鳴聲，就表明氫氣不純，需要再收集，再檢驗(yàn)，直到響聲很小，才表明氫氣已經(jīng)純凈”。

第二種“如果用向下排空氣法收集氫氣，經(jīng)檢驗(yàn)不純而需要再檢驗(yàn)時(shí)……”。

對(duì)于第一種檢驗(yàn)方法，在敘述上還不夠確切。學(xué)生對(duì)“聽到尖銳的爆鳴聲”的語(yǔ)句，理解上似乎不成問題，可是一做實(shí)驗(yàn)就缺乏具體的辨別能力了。為了加強(qiáng)對(duì)這種尖銳的“爆鳴聲”的印象，擬把這句話改述為“聽到尖銳的吹口哨似的爆鳴聲”為好。其次，教材在“發(fā)現(xiàn)氫氣已純凈”的敘述中，學(xué)生對(duì)這“響聲很小”，小到什么程度，很缺乏實(shí)感。而且純凈的氫氣除了點(diǎn)燃“響聲很小”之外，還有什么特征在敘述上還欠具體。最好將原文改為“……再檢驗(yàn)，直至輕微發(fā)出‘噗的響聲之后，還能安靜地燃燒，才表明氫氣已經(jīng)純凈”。這點(diǎn)在檢驗(yàn)氫氣的純度時(shí)很重要。凡是能夠安靜燃燒的氫，就可以視為較純氫（不在爆炸極限范圍內(nèi)），除了點(diǎn)燃時(shí)發(fā)出輕微的“噗”的響聲之外，那就是還能安靜地燃燒，或者說(shuō)，凡是能夠安靜燃燒的氫，就可以視為純氫（準(zhǔn)確地說(shuō)是不在爆炸極限內(nèi)）。這樣的氫氣在集氣瓶口點(diǎn)燃時(shí)，同樣能安靜地燃燒，不會(huì)有爆炸的危險(xiǎn)?？傊?，在現(xiàn)象上是否發(fā)出輕微的“噗”的響聲和能持續(xù)安靜地燃燒，這是純凈氫氣的兩個(gè)特征。當(dāng)學(xué)生掌握了這樣的特征以后，就一定能增強(qiáng)他們實(shí)踐的主動(dòng)性和自信心，提高他們的實(shí)驗(yàn)?zāi)芰Α?/p>

對(duì)于第二種檢驗(yàn)方法，我們認(rèn)為是不恰當(dāng)?shù)?。大家知道，?duì)于任何可燃性氣體，在點(diǎn)燃之前都應(yīng)當(dāng)先檢驗(yàn)它的純度。而檢驗(yàn)任何可燃性氣體的純度，都不宜采用排空氣法收集氣體來(lái)檢驗(yàn)，何況氫氣是所有氣體中密度最小的。如果用向下排空氣法集氣，集氣試管即使充滿了，啟普發(fā)生器中的氫氣也不一定純凈，很可能在啟普發(fā)生器內(nèi)空氣還未排盡，而集氣試管中已可能獲得純凈的氫氣。這樣的集氣方法只憑估計(jì)是否充滿，甚至不具有氣密性的氫氣發(fā)生器，也能在集氣小試管中集滿“純氫”。因此，用向下排空氣法收集氫氣來(lái)檢驗(yàn)其純度，是一種很不嚴(yán)謹(jǐn)?shù)腻e(cuò)誤的操作方法。

2氫氣純度的正確檢驗(yàn)方法

為準(zhǔn)確判定氫氣發(fā)生裝置排出的氫氣已十分純凈，可用排水法集滿三支試管氫氣。當(dāng)分別使試管水平、管口向上、管口向下的三種方式接近燈焰時(shí)，會(huì)依次發(fā)出弱的口哨聲、較強(qiáng)的口哨聲和“噗”的響聲。

可見，通過(guò)點(diǎn)燃?xì)錃獍l(fā)出的爆鳴聲來(lái)判斷氫氣的純度還跟實(shí)驗(yàn)操作的方法有關(guān)。這是因?yàn)椋寒?dāng)試管口從水平方向移近火焰點(diǎn)燃，會(huì)有少部分氫氣逸出，少部分空氣擴(kuò)散進(jìn)管內(nèi)，形成少量爆嗚氣，會(huì)出現(xiàn)弱的爆嗚聲;當(dāng)試管口向上移近火焰點(diǎn)燃，管內(nèi)氫氣逸出的量與擴(kuò)散進(jìn)入管內(nèi)空氣的量都會(huì)增多，會(huì)形成了較多的爆鳴氣，所以點(diǎn)燃時(shí)會(huì)發(fā)出較強(qiáng)的爆鳴聲;只有當(dāng)試管口向下移近火焰點(diǎn)燃，由于氫氣輕，管內(nèi)的氫氣很難外逸，管外的空氣也很難進(jìn)入，這時(shí)才能正確地觀察到點(diǎn)燃純凈的氫氣在發(fā)出輕微的“噗”的響聲之后，還能呈現(xiàn)安靜燃燒的現(xiàn)象。這后者才是檢驗(yàn)氫氣純度的正確方法。

3氫氣“爆炸極限”的測(cè)定

教學(xué)中容易給學(xué)生留下一個(gè)認(rèn)識(shí)上的誤區(qū)，即認(rèn)為點(diǎn)燃?xì)錃鈺r(shí)只要能發(fā)出輕微的“噗”的響聲，且能持續(xù)燃燒，這種氫氣就一定是純的。事實(shí)并不完全如此。這里有一個(gè)可燃性氣體“爆炸極限”的問題值得研究。

將七個(gè)大小相同的試管都劃上十等分刻度線，分別裝入水的體積數(shù)為9、8、7、5、3、1、0.5，然后蓋上玻片迅速倒扣插入水槽中。分別用排水法小心地緩緩?fù)ㄈ霘錃庵猎嚬艿乃畡偤门疟M，將得到氫氣與空氣的混合氣體作爆鳴實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)記錄見表1。

可見，表中所列的氫氣都是不純的，但是，只有當(dāng)氫氣在空氣中的體積百分比高于70%時(shí)，氫氣才可以持續(xù)安靜地燃燒而不發(fā)生爆炸。

當(dāng)氫氣的體積百分比下降到5%以下燃點(diǎn)時(shí)，不能發(fā)生爆鳴和燃燒。而氫氣的體積約在10%～70%之間燃點(diǎn)時(shí)，則有爆炸的危險(xiǎn)。特別是表內(nèi)序號(hào)5，氫氣的體積含量在30%時(shí)，H2與空氣中02的體積關(guān)系恰好為2：1，H2、02恰好能反應(yīng)完全，因而點(diǎn)燃時(shí)有猛烈爆炸的危險(xiǎn)（發(fā)出最尖銳的爆嗚聲）。這就從實(shí)驗(yàn)證實(shí)了原來(lái)九年級(jí)化學(xué)課本第55頁(yè)所陳述的結(jié)論：“空氣里如果混入氫氣的體積達(dá)到總體積的4%～74.2%這個(gè)范圍，點(diǎn)燃時(shí)就會(huì)爆炸。這個(gè)范圍叫做爆炸極限”（注：目前一些書中所列出的氫氣爆炸極限的數(shù)值有較大出入。例如由戴安邦教授編著的《無(wú)機(jī)化學(xué)教程》上冊(cè)第116頁(yè)所述：“氫與空氣的混合氣體只要含有9.5%～65%體積的氫，點(diǎn)燃時(shí)即發(fā)生爆炸”）。由于純度在74.2%以上的氫氣可以安靜燃燒。從這個(gè)意義上講，在普通的化學(xué)實(shí)驗(yàn)中，凡是高于爆炸極限上限的氫氣，一般可視為純凈的氫氣。

4教學(xué)思考

第一，可燃性氣體（比如H2、CH4、c2H2）在空氣中的爆炸極限與在氧氣中的爆炸極限，是兩個(gè)完全不同的概念，有著完全不同的兩種數(shù)值。前者有普遍的實(shí)用意義，后者多有研究上的理論價(jià)值。教學(xué)上，主要要求的是理解H2在空氣中的爆炸極限，如表2所示。

第二，無(wú)論初中化學(xué)還是高中化學(xué)都是屬于啟蒙化學(xué)范疇，學(xué)生的所見所聞都僅僅是學(xué)習(xí)化學(xué)的開始。在演示實(shí)驗(yàn)操作裝置上使用酸式滴定管、堿式滴定管、三角漏斗，Mn02催化H202分解制02，且精確度都要求精確到0.01 mL。測(cè)得的是氫氣在氧氣中的爆炸極限為14.89%～97.33%。這些是啟蒙階段學(xué)習(xí)化學(xué)的初三學(xué)生所能理解與接受的么？這難道不是一種跨越式的教學(xué)形態(tài)？這些很值得反思。

第三，可燃性氣體爆炸極限的測(cè)定，是在一定的大氣壓、水蒸氣壓等特殊條件下測(cè)定的化學(xué)常數(shù)。而演示實(shí)驗(yàn)裝置新設(shè)計(jì)文章所得結(jié)果提供的H2在02中的爆炸極限數(shù)值是14.89%～97.33%，這不具有可信度。因?yàn)閷?shí)際測(cè)定數(shù)據(jù)跟權(quán)威文獻(xiàn)所提供的數(shù)據(jù)（4.5%～95%）相距甚遠(yuǎn)，很難有引用的價(jià)值。