借助长柄U形玻璃管改进氢气性质实验

李德前 魏海 甘磊 朱玉忠

摘要： 借助长柄U形玻璃管的特殊结构，改进氢气吹肥皂泡、氢气验纯、燃烧及爆炸、氢气还原氧化铜等实验。改进后的氢气性质实验，增加了趣味性和安全性，显著提高了实验教学效果。

关键词： 长柄U形玻璃管; 氢气性质实验; 实验改进

文章编号： 10056629（2019）9007505            中图分类号： G633.8            文献标识码： B

长柄U形玻璃管是将玻璃管的一端弯曲成U形（如图1所示），具体应用时玻璃管的粗细、长短及U形管的宽度可以结合具體实验而灵活选择。笔者在实验教学中，借助长柄U形玻璃管对有关氢气的性质实验进行了一系列优化，取得了显著的实验教学效果。

1  氢气吹肥皂泡实验

原人教版义务教育初三化学教科书及现行粤教版九年级化学教科书中利用氢气流吹肥皂泡实验[1～2]（装置见图2），其不足之处是气泡不易吹大，而且容易破裂。我们借助长柄U形玻璃管吹出的氢气泡，既大又结实。

1.1  实验用品

长柄U形玻璃管（管径为8mm的普通玻璃管制成，容积约30mL）、单孔橡皮塞、铁架台（含铁夹）、儿童吹泡器（截取前端）、注射器;氢气（提前制取）、吹泡液（自行配制）

1.2  实验装置

新设计的实验装置见图3。

1.3  实验步骤及现象

（1） 为了得到较大且不易破裂的氢气泡，需要提前配制吹泡液，即向10mL蒸馏水中滴入2mL洗洁精、4mL文具胶水与2mL甘油，然后搅拌均匀[3]。

（2） 截取儿童吹泡器前端，将其接到U形管的管口上，然后将足量的吹泡液注入U形管中。再按图3所示，连好实验装置（确保气密性良好）。

（3） 轻推注射器活栓，向长柄U形玻璃管里缓缓通入氢气。由于玻璃管里本来充满空气，因此一开始形成的是空气泡，该气泡离开U形管口后会较快地下沉。

（4） 继续向玻璃管里缓缓推入氢气，可以观察到，在U形管口形成的气泡不断增大;当气泡大小合适时，停止通气，然后用气唧（距离气泡大约10cm左右）对着气泡鼓气，气泡就会迅速离开U形管口，并快速飞向空中，如果在阳光下还能看到氢气泡上出现七彩条纹。当上一个氢气泡飞走后，再继续通入氢气，下一个氢气泡又立刻出现，并不断增大，等到气泡大小合适时再用气唧吹走氢气泡（如此反复，即可不断吹出氢气泡）[4]。引导学生对比空气泡与氢气泡在空气中的运动情况，得出“氢气密度小于空气”的结论。

（5） 也可以使用一个直流小风扇对着U形管口不停地吹风（当然氢气要不间断地缓缓推入），这样就能连续快速地吹出氢气泡，只是形成的氢气泡不够大。建议不要用嘴去吹气泡，一来不雅，二来气流不稳（吹力过大则气泡容易破裂，吹力过小则气泡难以飞走）。

（6） 还可以借助于镊子（先将镊子尖端在吹泡液中浸湿一下）直接将氢气泡轻轻夹走（气泡同样不会破裂），然后松开镊子，氢气泡即刻快速上升。

（7） 此处若要引燃氢气泡，可以在氢气泡上升的过程中，借助于电子打火枪（或电蚊拍）将氢气泡引燃，并产生爆鸣声;不停地击打一个一个的氢气泡，就会连续发出“啪啪”声，有如燃放鞭炮，不仅有视觉效果，还有听觉刺激。这从化学性质（可燃性）证明，气泡中的气体确实是氢气。

（8） 实验结束，整理实验药品。

1.4  实验优点

（1） 儿童吹泡器前端是带有浓密纹路的塑料圆圈，可以吸附较多的吹泡液。将大小合适的儿童吹泡器前端套在长柄U形玻璃管的管口，就能吹出较大的氢气泡。使用自制的黏性吹泡液，吹出的氢气泡表面张力较小[5]，能使气泡稳定、不易炸裂。因此，提高了实验的成功率。

（2） 该实验通过推动注射器活栓控制氢气流，可以随时掌控氢气泡的形成速度及大小。另外，氢气无需干燥，也简化了实验操作。

（3） 该装置增强了实验的趣味性，激发了学生学习化学的好奇心。

2  氢气的验纯、燃烧及爆炸实验

原人教版义务教育初三化学教科书及现行人教版、粤教版、沪教版（上海地区使用）、仁爱版、鲁教版九年级化学教科书，浙教版八年级科学教科书中，都编排了氢气的验纯、燃烧与爆炸等实验[6～12]。

上述各版教科书有关检验氢气纯度的实验都是利用向下排空气法将氢气收集在小试管里，然后进行点火、听声（见图4）。其实这样无法知晓氢气是否集满，接下来再根据点火时产生的爆鸣声强弱去判断氢气是否纯净，其结论也是不可靠的，甚至存在安全隐患。

另外，氢气的燃烧实验，也很难观察到淡蓝色火焰（多是玻璃管中钠元素引起的黄色火焰），这势必降低了实验的可信度。

有关氢气爆炸的实验也都是直接用燃着的短木条去点燃容器内的氢气（见图5），这使不少的操作者心有余悸;如果爆炸声强烈，又会给学生带来恐惧感，从而影响学生后续的化学实验活动。

经过改进，我们利用石英材质的长柄U形玻璃管，将氢气的验纯、燃烧及爆炸实验融为一体，现象直观，爆炸强度适当，安全可靠，操作简便。

2.1  实验用品

长柄U形玻璃管（管径为12mm的石英玻璃管制成，容积约35mL）、单孔橡皮塞、铁架台（含铁夹）、火柴、酒精灯;氢气、水

2.2  实验装置

新设计的实验装置见图6。

2.3  实验操作及现象

（1） 在长柄U形玻璃管的U形管里倒入适量的水（液面达到U形管的一半即可），然后按图6连好实验装置（确保气密性良好）。

（2） 打开氢气发生装置（或氢气储气囊）的旋塞，缓缓通入氢气。氢气通过水的阻隔从U形管口流出。

（3） 稍后用火柴在U形管口点燃（注意提醒学生做好有惊无险的心理准备），若产生尖锐的爆鸣声，说明氢气不纯，其体积分数在4%～74.2%的爆炸极限内。不过，由于U形管内水的阻隔，爆炸仅会发生一次，而且绝不会引爆氢气发生装置。

（4） 3～5秒后再次在U形管口点燃氢气，一般都能安静燃烧，说明氢气较纯（其体积分数高于74.2%）。

（5） 在氢气安静燃烧时，可以在火焰后面衬托一个黑色的纸板，有利于师生清晰观察到氢氧焰为淡蓝色。再将一个干冷的小烧杯罩在火焰上，则烧杯内壁很快出现大量的水雾。

（6） 实验结束，整理实验用品。

2.4  实验优点

（1） 实验将氢气验纯、燃烧及爆炸融为一体，简化了实验操作。该装置还能用于一氧化碳、甲烷等可燃性气体的验纯、燃烧和爆炸等实验，因此应用范围较广。

（2） 该装置具有防爆作用，因此无需刻意去检验氢气纯度[13]。只要通入氢气后，就可以放心点燃，若发生爆鸣，就相当于演示了氢气爆炸实验，同时验证了氢气纯度;若安静地燃烧，就相当于做了氢气燃烧实验，同时也包含了氢气的验纯操作。

（3） 该实验既让学生感到惊险、刺激，又能降低他们对爆炸的恐惧心理，有利于激发学生热爱化学、探究科学的欲望。该实验的可操作性强，能使更多的化学教师轻松完成燃气的验纯、燃烧、爆炸等一系列演示实验。

（4） 此实验有利于学生进一步认识燃烧和爆炸的条件，体会到燃烧与爆炸的重要性与可控性，从而提高他们抵御科学风险的意识[14]。

（5） 使用石英玻璃管，排除了氢气燃烧过程中钠元素的干扰，真正看到了淡蓝色的氢氧焰，增强了实验的实证性。

3  氢气还原氧化铜实验

原人教版义务教育初三化学教科书及现行沪教版（上海地区使用）九年级化学教科书中，都安排了氢气还原氧化铜实验[15， 16]（见图7）。进行该实验时，为了确保安全，必须先向玻璃管内通一会儿氢气以排尽其中的空气，然后加热氧化铜，但空气有没有排尽、何时排尽，则无法直观感知。很多教师课堂演示时为了确保安全，都是较长时间地通入氢气，这又增加了药品的用量[17]。另外，将较多的没有反应的氢气直接排入室内，也有安全隐患，毕竟氢气的爆炸极限很宽泛。

笔者利用长柄U形玻璃管对该实验进行定量化设计，可以直观地发现空气是否排尽，并将尾气进行收集、处理。

3.1  实验用品

长柄U形玻璃管（管径约10mm的石英玻璃管制成，容积约30mL）、酒精灯、铁架台（含铁夹）、100mL注射器（保留金属针头）、小气球、药匙（或剪成斜口的饮料吸管）;氧化铜粉末、氢气（贮存在100mL注射器内）、无水硫酸铜

3.2  实验装置

新设计的实验装置见图8。

3.3  实验操作及现象

（1） 提前制取氢气，然后将其吸入100mL注射器内（再将注射器针头扎入橡皮塞中封闭），备用。

（2） 使用剪成斜口的塑料吸管，将少许氧化铜粉末送入U形玻璃管内，并平铺于管底;借助于药匙的小匙，将少量白色的无水硫酸铜粉末送入长柄U形玻璃管的直管内，并平铺于直管中部，然后将一个小气球套在长柄U形玻璃管直管的出口。

（3） 如图8所示，连好整个实验装置（确保气密性良好）。

（4） 缓慢推动注射器活栓，向长柄U形玻璃管里通入氢气，由于氢气密度远远小于空气，因而氢气能在U形管的左支管内自上而下较为彻底地赶走空气（空气会进入小气球内）。当推入玻璃管内的氢气达到30mL时，说明长柄U形玻璃管内的空气已基本排尽[18]。

（5） 接着点燃酒精灯，利用其外焰预热U形管底部，然后对准氧化铜粉末加热，并继续缓缓地向玻璃管内推入氢气。当加热到50秒左右时，氧化铜粉末逐渐由黑变红;当加热到100秒左右时，黑色固体全部变为明显的红色固体，小气球也变大了一些，且玻璃管内壁附着大量无色液体，白色无水硫酸铜也部分变蓝。

（6） 熄灭酒精灯，停止加热，稍后停止通入氢气。

（7） 等到玻璃管恢复到室温后，取下小气球，点燃其中的尾气，能够听到剧烈的爆鸣声，说明小气球内是混有空气的氢气（也再次演示了氢气爆炸实验）。

（8） 取少许还原出来的红色粉末装入小试管内，倒入足量的稀硫酸，振荡，如果没有明显的变化，说明还原产物全部是铜;如果红色固体有残留且出现蓝色溶液，说明还原产物中既有铜又有氧化亚铜。

（9） 实验结束后，整理实验用品。

3.4  实验优点

（1） 通过巧妙的定量化设计，能及时发现长柄U形玻璃管内的空气是否排完，因此提高了实验的安全性和可操作性。

（2） 氢气的用量明显减少，因此提高了实验的简约性。

（3） 增加了尾气收集装置，能强化师生的安全意识。

（4） 本实验含有定量操作，有利于培养学生的定量思维[19]。

4  结束语

长柄U形玻璃管是直管与U形管无缝组合的微型仪器，其特殊构造决定了它具有一器多用的功能，为我们改进化学实验搭建了很好的思维平台，为改变实验仪器激发了灵感。实践证明，长柄U形玻璃管具有较强的实用性和普适性，有良好的推广价值。

参考文献：

[1][6][16]人民教育出版社化学室. 九年义务教育三年制初级中学教科书·化学（全一册）[M]. 北京： 人民教育出版社， 2001： 53， 54， 55.

[2]江琳才， 钱扬义， 李开祥. 义务教育课程标准实验教科书·化学（九年级上册）[M]. 北京： 科学出版社; 广州： 广东教育出版社， 2012： 124.

[3]葉麦琪， 叶永谦， 陈珍珠. 巧用“肥皂泡”设计几种常见气体检验的分组实验方案[J]. 化学教学， 2017， （5）： 69～73.