氢气爆炸实验的改进与创新设计

陈 建 姚惠琳 徐思晴

（1.厦门市海沧区北附学校 福建 厦门 361026；2.厦门市海沧区教师进修学校附属学校 福建 厦门 361026）

一、问题的提出

氢气作为认识物质性质和了解变化规律的常涉及的物质，在初中化学教材中多次出现（如表1所示），学生对爆炸等实验兴趣浓厚，根据教学需要和提升实验演示的趣味性，教师往往会演示氢气爆炸实验。大多数采用图1装置进行实验。

图1 点燃氢气和空气的混合物的装置图

表1 三套初中化学教材中氢气知识编排

科学出版社和人教版（2001年版）的教材中均采用该演示实验装置图，但人教版后续的版本已经删掉该装置。教材上的装置在进行课堂演示的时候存在以下不足。

（1）体验感不好，利用小木条进行点燃，实验者近距离接触爆炸装置，怀有恐惧心理，也可能存在一定的危险。

（2）成功率低，因为使用到的是排空气法收集氢气，难以估计收集的氢气的量，不利于空气和氧气混合，再有就是装置不密闭，收集的氢气有可能逸出。

（3）效果不够震撼，氢气爆炸实验都是用氢气和空气混合，实际参与反应的氢气和氧气的质量比较少，爆炸声音普遍偏小。

二、改进研究现状

氢气爆炸实验的改进一直是研究的热点，一线教师已经提供了一些行之有效的改进经验，主要有以下几个方面：

（1）容器的改进（如图2所示）。保鲜袋［1］，体现定量思想能够确保实验成功率；废旧塑料瓶［2］，重复利用，安全性高；肥皂泡［3］，操作较简单，安全性高，也适合学生实验；针筒［4］，氢气体积小，安全性高。

图2 容器的改进

（2）点火方式改进（如图3所示）。煤气点火枪［5］，离爆炸容器较远，提升安全性；遥控脉冲点火器［6-7］，远离爆炸容器，安全性大大提高。

图3 点火方式改进

（3）一体化设计。李德前等老师设计的发生爆炸一体化实验装置（如图4所示）。以上实验改进效果良好，但都是利用氢气和空气混合的方式进行爆炸实验，在爆炸效果方面不够震撼，此外点火方式上，直接点燃可能给实验者带来恐惧，利用遥控脉冲点火器会使装置变得比较复杂。

图4 一体化设计

三、实验改进

1.反应物浓度的变化，采用氢气和纯的氧气混合进行实验。

采用氢气与氧气可以使有效参与反应的气体的量更多，氢气爆炸极限（体积分数）的范围在4.0%到74.2%之间，根据方程式可知氢气体积是氧气体积两倍时，能恰好完全反应，有研究表明空气和氢气的体积比在1∶1时爆炸效果更明显，［8］但李桂芬等［9］研究发现氢气和氧气体积比约为2∶1时，爆炸强度最大，经过多次实验也发现氢气和氧气的体积比为2∶1时爆炸效果更明显，分析原因：除了根据反应时氢气和氧气以2∶1的体积比进行，还可能与氢气和空气的混合程度有关。

2.点火方式的变化

利用激光笔点燃火柴，可以使实验者远离爆炸装置。传统的点火方式利用火柴或者小木条，和爆炸装置距离比较近，实验者内心可能感到恐惧，实验体验感较差。有些学者利用遥控点火，整套装置会显得比较复杂。激光笔点火方法：将火柴放置在爆炸装置的点火处，然后利用激光笔点燃火柴，距离可控，安全又便捷。

3.实验用品

稀硫酸、锌粒、小型便携式氧气瓶（浓度大于99.5%）、锥形瓶、长颈漏斗、直角导管、胶皮管、水槽、火柴、铁架台（带铁圈）、8W蓝光激光笔、保鲜袋、300 mL可乐瓶（瓶盖打孔直径大概0.5 cm）。

4.实验装置

装置1：利用保鲜袋进行爆炸实验（袋内事先放一根火柴）如图5所示。

图5 保鲜袋中进行实验

装置2：利用矿泉水瓶进行爆炸实验，如图6所示。

图6 利用矿泉水瓶进行实验

5.实验过程

装置1：先将保鲜袋捏扁，挤出里面原有的气体，然后利用锌和稀硫酸反应，收集一半的氢气，再用小型便携式氧气瓶收集一半的氧气，气体的总体积控制在500 mL 内。然后利用激光笔照射火柴头大约4 s，巨大的爆炸声响起，爆炸冲击感强烈，保鲜袋被炸碎，部分地方看到明显烧过的痕迹。

装置2：收集气体（可乐瓶中事先装满水，利用排水法收集一半的氢气，再收集一半的氧气，盖上未打孔瓶盖），这样可以提前收集气体，随时演示。进行实验：将可乐瓶倒放在铁架台的铁圈上，将瓶盖换成打过孔的瓶盖，可以去除瓶盖里面残留的一些水，防止浇灭火柴，然后在瓶盖孔下方2 cm处的铁架台上放一根火柴（瓶盖孔正下对准火柴头），在远处打开激光笔对准火柴头大约4秒，火柴引燃，伴随着爆炸声可乐瓶犹如火箭发射般直冲上方。

四、装置优点

1.通过激光笔点燃火柴，操作十分安全。在安全操作的前提下，老师们在课堂演示此实验的意愿大大提高，与播放视频相比，学生能够直观感受到来自现场演示实验的真实感。此外，该种点火方式也适用于点燃天然气等其他不纯的可燃性的气体。

2.本实验采用的是氢气和氧气的混合气体，相比于氢气和空气的混合气体，爆炸效果更明显，更具震撼感。如将该装置2稍微包装一下，可乐瓶设计成火箭外观，还可以让学生体验火箭发射的原理，结合我国的火箭发射新闻，渗透爱国主义教育。火箭外观的设计也可以让学生提交设计，体现与美术、物理等学科的跨学科融合。

3.利用保鲜袋或可乐瓶收集气体，气密性好，教师可在课前提前收集，在课堂上随时演示，省去了在课堂上制取气体收集气体所需的时间，节约课堂时间提升课题效率。另外可乐瓶和保鲜袋等物质生活中易得，体现低成本实验理念。

4.装置成功率很高，利用排水法和保鲜袋来收集气体，能够直观地体现气体的量，体现定量思想。