氫氣爆炸實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)與思考

呂念

［摘要］ 化學(xué)新課標(biāo)要求教師通過經(jīng)典實(shí)驗(yàn)，學(xué)習(xí)和體會(huì)化學(xué)家的科學(xué)探究的智慧和方法。本文基于教材中氫氣和氧氣反應(yīng)生成水的實(shí)驗(yàn)，從化學(xué)史尋找思路，復(fù)制化學(xué)家的氫氣爆炸實(shí)驗(yàn)，并在此過程加入化學(xué)史教育，可以幫助學(xué)生理解可燃性氣體爆炸的本質(zhì)；同時(shí)引入數(shù)字化實(shí)驗(yàn)，輔助驗(yàn)證氫氣爆炸過程中生成了水，使實(shí)驗(yàn)結(jié)果更具有說服力。

［關(guān)鍵詞］ 氫氣爆炸實(shí)驗(yàn)；化學(xué)史教育；數(shù)字化實(shí)驗(yàn)

化學(xué)實(shí)驗(yàn)是激發(fā)學(xué)生化學(xué)學(xué)習(xí)興趣的重要方法和手段，教師做好演示實(shí)驗(yàn)對(duì)培養(yǎng)和發(fā)展學(xué)生的思維能力尤為重要。但考慮到安全問題，很多教師在課堂上通常不會(huì)演示氫氣的爆炸實(shí)驗(yàn)?！读x務(wù)教育化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2022年版）》指出，教師要通過化學(xué)科學(xué)發(fā)展歷程中的經(jīng)典實(shí)驗(yàn)，讓學(xué)生體會(huì)化學(xué)家進(jìn)行科學(xué)探究的智慧和方法，從而理解科學(xué)探究的本質(zhì)。因此，筆者在講授氫氣和氧氣反應(yīng)生成水的實(shí)驗(yàn)時(shí)，嘗試從化學(xué)史入手，復(fù)制化學(xué)家曾經(jīng)做過的氫氣爆炸實(shí)驗(yàn)，同時(shí)引入數(shù)字化實(shí)驗(yàn)，從定量角度驗(yàn)證氫氣爆炸過程生成了水，以幫助學(xué)生理解可燃性氣體爆炸的本質(zhì)。

一、實(shí)驗(yàn)背景分析

人教版九年級(jí)化學(xué)上冊(cè)第四單元課題3“水的組成”的資料卡片“水的揭秘”中提到了水的組成這一概念的發(fā)展史。普利斯特里第一次做了氫氣的爆炸實(shí)驗(yàn)，觀察到玻璃瓶?jī)?nèi)壁上有液滴產(chǎn)生；卡文迪許用純氧代替空氣進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，并確認(rèn)所得液滴是水。但是他們都錯(cuò)誤地認(rèn)為生成的水是原來氣體中就含有的，因而錯(cuò)過了發(fā)現(xiàn)水是由什么物質(zhì)組成的機(jī)會(huì)。想要重復(fù)科學(xué)家的實(shí)驗(yàn)，理解可燃?xì)怏w爆炸的本質(zhì)，我們需要解決如何才能在氫氣爆炸后觀察到明顯的水霧，并證明生成的水不是原來氣體就含有的等問題。

二、實(shí)驗(yàn)問題提出

在實(shí)驗(yàn)過程中，筆者發(fā)現(xiàn)以下問題：（1）實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象不明顯，可燃性氣體爆炸的本質(zhì)是因?yàn)榭扇夹詺怏w在有限的空間內(nèi)劇烈燃燒，而大多數(shù)氫氣的爆炸實(shí)驗(yàn)僅僅是聽到爆炸聲，并且無法明顯地觀察到有水生成。（2）實(shí)驗(yàn)存在安全隱患，氫氣爆炸實(shí)驗(yàn)有的并沒有分離發(fā)生裝置與收集裝置，爆炸過程中易造成液滴飛濺。（3）無法貼合化學(xué)史教學(xué)，很多觀察實(shí)驗(yàn)無法與課本上的化學(xué)史知識(shí)相結(jié)合，教師亦缺乏對(duì)普利斯特里和卡文迪許錯(cuò)誤觀念的理解，事實(shí)上兩位科學(xué)家是深受“燃素學(xué)說”的禁錮。對(duì)此，在化學(xué)實(shí)驗(yàn)課上我們可以設(shè)計(jì)優(yōu)化實(shí)驗(yàn)來驗(yàn)證氫氣爆炸實(shí)驗(yàn)中確實(shí)有水的生成。

三、實(shí)驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)

1.定性實(shí)驗(yàn)改進(jìn)

為了解決爆炸方向無法控制的問題，筆者查閱了很多文獻(xiàn)資料，最終選擇用電子打火槍點(diǎn)火，這樣就可以控制爆炸方向，還能通過點(diǎn)火槍管的上下位置移動(dòng)來控制爆炸威力。實(shí)驗(yàn)步驟如下：取一個(gè)100mL塑料軟瓶（廢棄乳酸菌飲料瓶即可），底部用銼刀打一恰好可以用棉簽堵住的小洞，再將電子打火器穿過一個(gè)橡皮塞并露出橡皮塞少許，最終完成組裝（如圖1）。（2）選擇啟普發(fā)生器（藥品是鋅粒和稀硫酸），將棉簽堵住的塑料軟瓶用向下排空氣法收集氫氣（如圖2），一段時(shí)間后，用帶有橡皮塞的電子打火器塞住瓶口。（3）進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí)，只需要拔掉棉簽，輕輕擠壓瓶身，讓空氣與瓶?jī)?nèi)氫氣混合，再經(jīng)點(diǎn)火就可以發(fā)生爆炸，瓶口可以觀察到火舌，瓶子飛出幾米遠(yuǎn)，爆炸聲音響亮。

然而，多次實(shí)驗(yàn)均未觀察到明顯的水霧，僅停留在表面的觀察無法讓我們得到氫氣爆炸生成水這一結(jié)論。我們也根據(jù)計(jì)算證實(shí)了水霧難以觀察到的原因：假設(shè)氫氣爆炸的瓶子是100 mL，經(jīng)過計(jì)算實(shí)際生成的水在

0.05 mL左右，大約只相當(dāng)于一滴水，這些水均勻地分散在飲料瓶的空間內(nèi)其實(shí)是很難觀察到明顯水霧的。為此，我們引入了蘇威爾相對(duì)濕度傳感器（如圖3）來測(cè)量反應(yīng)前后瓶?jī)?nèi)相對(duì)濕度的變化，通過數(shù)字化實(shí)驗(yàn)來驗(yàn)證水的生成。

2.定量實(shí)驗(yàn)改進(jìn)

筆者在定量實(shí)驗(yàn)改進(jìn)的基礎(chǔ)上增設(shè)了數(shù)字化實(shí)驗(yàn)輔助驗(yàn)證，采用蘇威爾相對(duì)濕度傳感器測(cè)反應(yīng)前后瓶?jī)?nèi)的相對(duì)濕度的變化。為排除其他因素的影響，我們將塑料瓶固定住，且塑料瓶底部不打孔，以防爆炸過程中瓶?jī)?nèi)水蒸氣出現(xiàn)損失。

通過蘇威爾相對(duì)濕度傳感器數(shù)字信息系統(tǒng)輔助呈現(xiàn)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，我們能夠得到氫氣爆炸后相對(duì)濕度有所增加的結(jié)論。為了使實(shí)驗(yàn)結(jié)果更具普遍性，我們?cè)趦芍軆?nèi)不斷做了多組實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如下表所示。數(shù)字化實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了普利斯特里和卡文迪許“生成的水是原來氣體中就含有的”這一錯(cuò)誤結(jié)論。我們?cè)谡麄€(gè)過程中了解了科學(xué)探究的一般過程和方法，培養(yǎng)了由定性到定量的實(shí)驗(yàn)思維。另外，我們也意識(shí)到實(shí)驗(yàn)之所以能成功，是因?yàn)槲覀冋驹诹诉@兩位巨人的肩膀上，加之先進(jìn)的數(shù)字化實(shí)驗(yàn)儀器為我們測(cè)出嚴(yán)謹(jǐn)且真實(shí)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

四、實(shí)驗(yàn)改進(jìn)反思

1.改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn)簡(jiǎn)單易操作

實(shí)驗(yàn)分離了發(fā)生裝置和收集裝置，從收集裝置到爆炸裝置均采用本是垃圾的塑料軟瓶，實(shí)驗(yàn)器材容易獲取且防止了爆炸過程中液滴的飛濺。實(shí)驗(yàn)操作時(shí)，我們也選擇了生活中常見的電子打火器，只需輕按開關(guān)，就能看到明顯的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，爆炸的方向受到了控制，這有力保障了實(shí)驗(yàn)的安全。這樣設(shè)計(jì)既能培養(yǎng)學(xué)生廢物利用的意識(shí)，又能激發(fā)他們的創(chuàng)新意識(shí)。

2.改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn)成功率高

氫氣的爆炸實(shí)驗(yàn)中，氫氣和空氣的混合比例是關(guān)鍵一環(huán)。經(jīng)過多次實(shí)驗(yàn)，我們發(fā)現(xiàn)空氣的濃度應(yīng)該處于24.4%-96%之間，空氣的體積占比為50%左右時(shí)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象更明顯，成功率達(dá)到了100%。通過氫氣爆炸極限測(cè)定實(shí)驗(yàn)，不僅能讓學(xué)生清晰地了解氫氣爆炸極限的含義，還能培養(yǎng)他們的科學(xué)探究精神，并由此轉(zhuǎn)化為化學(xué)學(xué)科素養(yǎng)。

3.改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn)采用數(shù)字化

從普利斯特里的實(shí)驗(yàn)出發(fā)，以“生成的水是不是原來氣體中就含有的”作為探究的起點(diǎn)，復(fù)制普利斯特里的實(shí)驗(yàn)，也為后續(xù)學(xué)生理解可燃性氣體爆炸的本質(zhì)埋下了伏筆。在此基礎(chǔ)上引導(dǎo)學(xué)生應(yīng)用數(shù)字化實(shí)驗(yàn)儀器進(jìn)行探究，論證了探究問題的本質(zhì)，培養(yǎng)了科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膶W(xué)科思維。

4.改進(jìn)后實(shí)驗(yàn)裝置的不足

以100 mL的塑料軟瓶為例，通過多次實(shí)驗(yàn)，我們總結(jié)出用向上排空氣法收集氫氣2分鐘后再進(jìn)行爆炸實(shí)驗(yàn)操作，此方法效果最為明顯，后續(xù)測(cè)濕度的數(shù)據(jù)也很直觀。但這只是憑借實(shí)驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)總結(jié)而來，實(shí)驗(yàn)還需進(jìn)一步改進(jìn)。今后，可以利用更直觀、更精準(zhǔn)的實(shí)驗(yàn)儀器明確收集時(shí)氫氣的實(shí)時(shí)體積占比，從而使得實(shí)驗(yàn)操作更為簡(jiǎn)便、實(shí)驗(yàn)方案更具實(shí)用性。

呂 念? ?江蘇省南京市第十二初級(jí)中學(xué)。