氢气制备及其性质系列实验的创新设计

鞠东胜+王金龙

摘要：为了丰富实验教学方法，使用饮用水瓶、电蚊拍、厨房电子脉冲点火器、保鲜袋等生活物品，对氢气制备及其性质系列实验进行了设计，可使实验能在安全可控的条件下进行，深化学生对启普发生器工作原理的理解，便于学生观察某些明显和震撼的实验现象，以及丰富了氢气还原氧化铜的教学内容。实践表明，新设计的实验能够增强学生对科学原理的感性认识，培养学生创新意识，营造良好的教学氛围。

关键词：氢气；制备与性质；实验设计；实验探究

文章编号：1005–6629（2015）6–0060–03 中图分类号：G633.8 文献标识码：B

1 提出问题

在人民教育出版社出版的九年级化学教材“自然界的水——最轻的气体”一节中[1]，点燃不纯净氢气实验较难把控。笔者以“氢气制备与性质实验”为题，在互联网上检索到数千篇学术论文。这些丰富的研究成果大致可分为两类，一是对化学反应的研究，如锌与3 mol·L-1硫酸溶液反应时氢气的制备速率与制备量较佳[2]；二是对实验装置的改进，如《氢气制备与性质实验一体化微型实验改进》[3]。以学科、实验为中心的研究固然重要，但基于学生认识视角的实验设计应是新课程教学改革的方向。种种现象引起我们反思：如何利用身边的生活资源，开发出实用性、时代性较强的实验方案？如何优化实验方案，将知识学习与科学方法及创新能力的培养教育有机地融为一体？为此，笔者使用某些生活物品对氢气制备及其性质系列实验进行了重新设计，与大家交流和探讨。

2 氢气制备及其性质系列实验的设计

在教学过程中，学生对启普发生器中酸液高度变化充满兴趣，但只能被动观看（由教师演示），动手体验的机会不多；用火柴点燃氢气泡的实验成功率较低；氢气还原氧化铜实验耗时较长；在用塑料筒收集氢气并点燃实验中，是否已引燃氢气较难判断，后续爆炸的声响和塑料筒被爆炸气浪高高掀起的结果略有失控之嫌，等等。这些问题说明，目前围绕氢气性质的系列实验设计尚存偏颇，缺乏整体性和安全性，有进一步优化的可能。

2.1 制作简易启普发生器

如图1所示，在550mL饮用天然水瓶高7cm处将底部剪下，将剪下的瓶底倒过来插回瓶中，瓶底外壁的凹槽与瓶身内壁的凸槽相吻合，使两者较牢固地连为一体；接着使用酒精灯加热过的镊子将底部打孔成网状；加入适量的金属锌，在瓶口安装上带有导管的胶塞后，将饮用水瓶放入一只盛有适量稀硫酸的烧杯（φ7cm）中，即可用来制备氢气。需要停止反应时，将止水夹关闭，瓶内气体压强增大，金属锌与酸液便自动脱离接触。与启普发生器的适用范围一样，只要固态与液态物质反应产生气体，且不需要加热，均可使用上述装置，如制备二氧化碳、乙炔等。

从观察到制作，从抽象到具体，将普通的饮用水瓶巧妙地设计成具有控制功能的实验装置，这对于学生积累实践经验、拓展创新思路、深化对科学原理的理解，无疑起着较好的帮助和促进作用。

2.2 吹氢气泡与引燃

按照水溶性胶水（文具店有售）、水和洗洁精体积比为1：4：4的比例，将其混合均匀配制成泡泡水，备用。

在烧杯中加入3 mol·L-1稀硫酸溶液150mL，滴入几滴硫酸铜溶液，搅拌混匀；在上述饮用水瓶中加入约10g锌粒。当把饮用水瓶置于烧杯中时，金属锌与稀硫酸反应便不断产生氢气。通过乳胶管将干燥管的细口端与饮用水瓶口的导管相连，用干燥管的粗口端蘸取少量泡泡水，将其竖立；待氢气泡慢慢变大到大拇指大小时，用嘴轻轻吹气使之脱离，氢气泡便缓缓飘向空中。此时，就像生活中拍打苍蝇、蚊子一样，用电蚊拍（可充电式）去接触氢气泡，可听到“啪”的声响，同时观察到气体燃烧时形成的一团黄色火球。说明氢气的密度比空气小，它在空气中能燃烧。与使用明火器具（蜡烛、火柴、打火机等）相比较，电蚊拍没有热气流产生，且接触面积较大，命中引燃氢气泡的效率会提高许多。氢气泡燃烧时出现的黄色火球，比较醒目和震撼。

使用某些生活物品对化学实验进行改进，不仅提高了实验效率，而且能训练学生迁移、转换与类化的创新思维，增加其对科学研究的认同感。

2.3 氢气还原氧化铜

如图2所示，将螺旋状的φ0.13cm铜丝在酒精灯上加热至呈现黑色，从粗口端缓缓伸入干燥管至球型处，观察到铜丝变为红色。其间，当热铜丝刚伸到管口部位时，会听到轻微的爆呜声（氢氧爆炸），表明铜丝已具备较高的温度；接着，把铜丝移出干燥管，观察到铜丝又变成黑色。模仿演奏二胡的动作，“推拉”铜丝2～3次可观察到其颜色的多次变化。说明氢气可将热的氧化铜（黑色）还原成铜（红色），氧气却起着相反的氧化作用。笔者曾使用粗细不一的铜丝进行多次尝试，发现实验现象变化明显的关键是保持其较高的温度。除了前面提及的管口爆鸣外，在加热的过程中，可将铜丝缓慢伸入酒精灯火焰内焰，如观察到由黑变红（乙醇蒸气还原氧化铜生成铜）的现象，说明铜丝温度已超过322.5℃[4]，符合乙醇还原氧化铜反应的温度要求；反之，则需要继续加热。重复实验操作2次后铜丝温度已下降，再次将它伸入干燥管内，则很难观察到由黑变红的现象。

按照“通氢气-加热-再通氢气”传统方法进行实验，时间花费较长，且物质颜色的变化只有1次。改进后的实验设计大胆地变换实验药品、操作和流程，依据实验属性最大限度地提供化学反应所需的条件，借用、活用实验仪器，揭示实验现象背后隐藏的化学原理或化学规律。这样的实验设计不仅提高了实验效率，丰富了化学变化内容，更重要的是能够营造一种轻松、愉快的学习氛围，寓教于乐。

2.4 引爆氢氧混合气体

向冰箱保鲜袋（7×12cm）中鼓入空气，袋口朝下再通入氢气约12s时间。将厨房电子脉冲点火器（俗称点火枪，淘宝有售）的前端插入其中，接口处用胶带缠绕封闭。按下点火器按纽，袋中的混合气体发生爆炸，形成黄色火团，发出“嘭”的声响，观察到保鲜袋已部分熔化变形。说明引燃氢氧混合气体会发生爆炸，同时放出大量的热。与金属或塑料容器相比，使用保鲜袋进行爆炸实验比较安全，不会造成容器乱窜，声响也会降低许多。

将氢氧混合气体设计为“气体爆竹”，与学生的生活经验发生关联，减少程序化的预设成分，学生动手实验的机会自然增多，将不断积累直接经验，促进学生形成一定的实验技能、方法和科学思想。

上述4种实验设计，运用了简易手工制作、拍蚊子、演奏旋乐、点爆竹等技法，与学生生活经历吻合，使其乐于探究现象背后的化学原理。它们既可用于课堂教学，也可用于课后的科技活动。

3 实验说明及注意事项

（1）可利用废旧干电池的金属外壳代替金属锌，且不用加硫酸铜溶液。

（2）实验表明，制造氢气泡时，使用融边的玻璃管口吹出的气泡较大且方便与其脱离。

（3）电蚊拍瞬间输出脉冲电压高达2500V，因此即便是使用后其仍具有较高的电压，请勿用手接触金属网面。虽然这不会对人体造成伤害，但会使人产生强烈的触电感，受到惊吓。

4 结束语

中学教材中传统的实验设计等教学资源，并非“圣经”典籍，应当可以被教师在课堂教学中进行重新组合、改进，即“再度”创作。引导学生重新审视和创新实验，探索和完善科学知识体系，有利于启迪学生的科学思维，对全面提高学生的科学素养和创新能力具有极为重要的作用。从生活资源中选择恰当的物品来充实和发展实验教学设计，无疑是一种值得尝试的途径。

参考文献：

[1]课程教材研究所，化学课程教材研究开发中心.义务教育课程标准实验教科书·化学（九年级上册）（第2版）[M].北京：人民教育出版社，2006：65～67.

[2]王新，唐亚文.“氢气的制备”实验教学内容探讨[J].化学教与学，2010，（5）：73～74.

[3]陈静琼，倪晓添.氢气制备与性质实验一体化微型实验改进[J].化学教与学，2014，（3）：30，34.

[4]丁爱军，王金龙.乙醇脱氢制备乙醛适宜温度的选择[J].化学教育，2011，32（7）：64～65.