氢气爆炸实验的再改进

游子涵 姜建文

摘要：“燃烧与灭火”是人教版初中化学九年级的重要内容之一，涉及了许多生活知识，而气体爆炸更是生活中重要的安全知识。在前人研究的基础上，对氢气爆炸的实验装置再次进行改进，采用生活中常用的注射器和废打火机点火器做反应装置，改进后的实验仪器具有小巧便携、安全环保、材料易获取以及实验现象明显等优点。

关键词：氢气爆炸;装置改进;实验创新

文章编号：1008-0546（2022）06-0096-02

中图分类号：G632.41

文献标识码：B

doi： 10.3969/j .issn.1008-0546.2022.06.022

一、问题的提出

氢气爆炸的实验是人教版初中化学的重要课外拓展实验之一。在2001版的人教版九年级化学教科书的67页，该实验描述如下：取一个去盖底部钻有小孔的纸简，用纸团堵住小孔。用排空气法收集一筒氢气，倒置时纸筒下垫一根火柴，使筒的下边缘一端稍稍抬起。拿掉堵小孔的纸团，用燃着的木条在小孔处点燃，然后听声音…。（教科书上的实验装置，图1）

虽然教科书上“氢气爆炸”的实验装置有一定的科学性，但在教学实践过程中，该实验存在以下不足之处：

（1）安全性差。由于用火柴進行点火，火柴梗过短且点火者距离爆炸装置太近，存在一定的安全隐患。

（2）收集氢气困难。爆炸装置上下连通空气，无法保证装置的气密性，在收集过程中氢气容易逸出。

（3）实验现象不明显。根据教科书上的描述，实验现象为氢气安静地燃烧，产生淡蓝色火焰后爆炸，但在收集氢气时无法判断氢气在纸筒中的含量，且点火速度稍慢，纸筒内的氢气容易快速逸散至空气中，点火不成功导致实验现象不明显。

为了解决教科书中这一实验装置的种种不足，许多学者从多方面进行了改进：

（1）改进点火装置。朱柯铭[2]等学者采用脉冲电流点火;李少坤[3]、刘振奎[4]等学者采用电子打火器点火;以及王汉彬[5]、张羿[6]等学者采用压电陶瓷点火器进行点火。

（2）改进爆炸容器。魏振华[7]等学者采取废旧塑料瓶作为爆炸容器;杨艳[8]、张羿[6]等学者选取针筒作为爆炸容器。

（3）改进制取气体的方式。陈家宝等学者采用电解水的方式制取氢气。

（4）装置一体化改进。杨梅等学者将制取氢气的装置与氢气爆炸的实验装置相结合起来。

笔者翻阅诸多文献发现，在氢气的实验装置改进的问题上，许多学者拥有不同的看法，但是少有将点火装置和爆炸的容器同时进行改进的，尽管张羿[6]对点火装置和爆炸的容器进行了改进，但使得实验装置比较笨拙，不方便携带，也产生了和教科书实验同样的问题——收集气体较为困难。实验装置如图2。

二、实验改进

张羿[6]研究的氢气爆炸装置（图2）中的爆炸室粘在木板上开口朝上，在收集氢气过程中，氢气容易从上口逸散至空气中，且无法确定氢气和空气的混合比例。另外，在爆炸时无法控制橡胶塞弹起的角度，这对实验中的师生都存在一定的安全隐患。在不断地思考与多次试验之后，笔者对张羿研究的氢气爆炸装置进行再次改进，选取50 mL注射器、废打火机点火器、两根细导线以及橡胶塞，实验装置如图3。该实验装置先将废打火机点火器的正负极用两根细导线延长至50 cm以上，再将延长的导线穿过橡胶塞并用热熔胶枪密封，同时在橡胶塞底部划出一个与注射器口径大小相仿的圆环，注射器口径插入胶塞时气密性良好，最后组装在一起如图4。

在对氢气爆炸的爆炸室进行改进后，又亟需解决氢气收集困难的问题。通过多次实验后，笔者利用50 mL针筒作为氢气的收集装置，再次对制取氢气的装置进行改进，以达到定量收集气体的目的。制取装置如图5。取5 mL 4 mol/L的稀盐酸溶液于50 mL针筒中，少量锌粒于50 mL锥形瓶中，定量制取氢气。

氢气在空气中点燃不一定发生爆炸，只有处于氢气的爆炸极限内才会发生爆炸。氢气的爆炸极限是4.0% -75.6%（体积浓度），也就是说如果氢气在空气中的体积浓度在4.0% -75.6%之间时，遇火源就会爆炸，而当氢气浓度小于4.0%或大于75.6%时，即使遇到火源，也不会爆炸。也就是说，空气的浓度应该处于24.4%-96%之间。在多次实验后，发现空气的体积取50%左右时实验现象更明显。实验操作如下：选取图5的氢气制取装置，收集10 mL的氢气于50 mL注射器中，再吸人空气约10 mL左右，按照图3的氢气爆炸的实验装置快速组装，并按下打火器，观察实验现象。

三、实验改进后的创新之处

1.实验的安全性大幅度提高。改进后的实验采用50 mL的注射器，氢气与空气混合后的气体体积小于30 mL，氢气爆炸的现象从剧烈的爆炸声变成轻微的响声，并主要体现在弹开的橡胶塞上。其次，橡胶塞与50 cm长的导线相连，能很好地控制橡胶塞的运动范围，并且预留的50 cm长度也不会伤害到实验操作者，教师可以让学生亲自动手操作，观察氢气爆炸的实验现象，在实验中切实提升学生的安全意识。

2.实验装置简单易获取，操作方便。从氢气制取的实验装置到氢气爆炸的实验装置都采用同一根50 mL注射器，本实验中用到的废打火机的点火器与锥形瓶为常见的生活用品及实验仪器，容易获取。同时实验操作只需要轻轻一按点火器开关，就能看到明显的实验现象。采取生活中常用的注射器和废打火机点火器，能够培养学生的创造能力和废物利用的意识，让学生意识到生活与化学紧密相连，从而对化学产生浓厚的学习兴趣。

3.实验的试剂用量少，绿色环保。氢气爆炸的实验装置采取的都是“微型”仪器，使用的试剂也少而精，同时安全环保无污染。小小的电火花就能引发“爆炸”，见微知著，能更好地培养学生小心处理易燃易爆物的安全意识以及严谨的科学态度。

4.装置成功率高，具有较强的实用性。经过多次实验，发现该装置成功率几乎达百分之百。该实验装置能够让学生不断改变氢气和空气的混合比例进行实验，从而更清晰地了解氢气爆炸极限的含义。除此之外，该实验装置还可以用于演示其他可燃性气体如甲烷等的爆炸实验。

参考文献

[1]人民教育出版社，课程教材研究所，化学课程教材研发中心.义务教育课程标准实验教科书化学九年级上册[M].北京：人民教育出版社，2007.

[2]朱柯铭，覃西红.氢与爆炸实验装置的改进[J].中国教育技术装备，2008（17）：105.

[3]李少坤.氢气与空气混合气爆炸实验的改进[J].化学教学，2009（11）：15.

[4] 刘振奎，陈立铭，赵秀云.燃气验纯、防爆及爆炸实验新装置[J].中国现代教育装备，2017（22）：42-43.

[5]王汉彬，余成龙.氢气与空气混合气爆炸实验新做法[J].实验教学与仪器，2000（10）：8.