氢气爆炸实验一体化设计浅析

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摘要：现行初中化学（或科学）教科书中编排的氢气爆炸实验存在不足，很多化学教师对此进行了改进。受文献介绍的启发，我们对该实验进一步优化，利用注射器、三通管、止回阀、遥控点头器等组成一体化实验装置。新设计的实验具有良好的安全性、直观性、简便性和实用性等，能提高化学实验教学的效果。

关键词：氢气爆炸；实验改进；一体化设计

为了帮助学生认识氢气的可燃性，了解爆炸的条件、感受爆炸的威力，熟悉易燃易爆物的安全常识，初中化学（或科学）教科书中一直编排有氢气的爆炸实验（装置见图1）。其点火方法无一例外地都是用燃着的木条直接点燃纸杯内的氢气［1～5］（点火操作是先拿掉堵住小孔的纸团，再用燃着的木条在小孔处点火。刚点燃时氢气能安静地燃烧，稍后突然听到“砰”的一声爆炸）。这种接触式点火，易使操作者产生胆怯心理，而且实验设计没有体现定量意识，难以根据需要来控制爆炸的强弱。另外，需要对氢气进行验纯也增加了操作的复杂性。

1已有实验改进的述评

查阅多种文献发现，诸多化学教育工作者对氢气的爆炸实验进行了多种有效的改进，这些改进的思路主要体现在以下三个方面。

1.1更换爆炸装置

邵华等老师用食品袋（或保鲜袋）替换纸杯作为爆炸室［6］（装置见图2），实验时在食品袋中充入一半空气、一半氢气，然后扎紧袋口，再用燃着的木条靠近食品袋，随着“砰”的一声巨响，食品袋被炸碎，同时产生一团淡蓝色火焰。此改进方案的主要优点是具有半定量意识，确保混合气发生爆炸。贾同全老师将纸杯更换为盛有肥皂水的蒸发皿［7］（装置见图3），实验时先把氢气通入肥皂水中，然后点燃肥皂泡，就能听到“噼里啪啦”的爆鸣声；姚亮发、张贤金、吴新建等老师鼓励学生将充有氢氧混合气的肥皂泡捧在手中，然后直接在手上点燃［8］。这两个改进实验的最大优点是操作简单、安全有趣，适合于学生的分组实验。

1.2改变点火方式

鞠东胜和王金龙老师将氢气吹出的肥皂泡抛入空中，再用电蚊拍追打漂浮在空气中的肥皂泡［9］，即刻听到清脆的“啪”“啪”声，同时呈现一团一团的黄色火球。此改进方案最大的亮点是引爆手法新颖，实验的可视性好，也便于学生操作。陆春昙和白显圣老师将适量的氢气收集在矿泉水瓶中，然后把煤气点火枪（属于压电式点火器）伸进矿泉水瓶中引爆氢气［10］（装置见图4）。随着一声巨响，塑料瓶被炸至远处。此改进方案的优点是引爆方便，爆炸的方向可以控制。彭春艳和张羿老师将废旧打火机上的压电点火器、塑料注射器的针筒及橡皮塞组合在一起，制成氢气爆炸装置［11］（见图5）。此改进方案的主要优点是装置固定，并可以演示多种燃气爆炸实验。游建军和王方舟老师利用废旧手机和电路板自制遥控脉冲点火器［12］（装置见图6），罗银平和向丹老师则采购市售的遥控脉冲点火器［13］。他们通过遥控点火方式引爆氢气，实验的安全性得到保证，而且脉冲点火器比压电点火器的性能更加优越（如电弧长、操作简单等）。

1.3设计一体化装置

劳慕贞老师利用酒精灯的灯帽和大小合适的铁盖子将氢气发生室与爆炸室融为一体［14］（装置见图7）。实验时先向灯帽里加入锌粒，再倒入足量浓盐酸，盖上铁盖，6～7s后将燃着的木条靠近铁盖上的小孔处点火，铁盖立即被炸飞。该一体化装置最大的优点是，一次装药可以多次引爆。魏振华老师将塑料瓶与小气球组合［15］（装置见图8），其中塑料瓶是氢气发生装置，小气球是氢气爆炸装置。实验时待氢气球膨胀到成人拳头大小时取下来，然后一手举起氢气球，一手用打火机去点燃，立刻听到巨大的爆鸣声，同时气球被炸碎。这个一体化装置的主要优点是取材方便、现象明显。

2实验的再改进

上述实验改进虽然还有不足之处，但其创造性对我们后续的研究具有很大的启发，尤其是实验定量化、装置一体化和点火遥控化等创新元素，为我们进一步优化氢气爆炸实验提供了良好的借鉴。

2.1实验用品

主要是200mL塑料注射器（吸入口内壁带有螺纹），配套的医用三通管（接入口外壁有螺纹），遥控式脉冲点火装置（网购），550mL透明塑料筒（厚度约1.5mm、PP材质，取自坚果包装盒），8mm止回阀（也叫单向阀，其结构如图9所示），直角玻璃管，乳胶管等；稀硫酸，锌片等。

2.2实验装置

制作好的氢气爆炸装置如图10所示（需固定注射器A、B，夹持仪器略）。

2.3装置制作

（1）准备2个200mL的塑料注射器（分别标注为A、B）、1个配套的医用三通管（三个接入口分别标注为a、b、c）、1个550mL的透明塑料筒、1个遥控脉冲点火装置、1个8mm止回阀、1根直角玻璃管以及若干软胶管，备用。（2）按图10左半部分（氢气发生装置）所示，将注射器A、B的吸入口分别与三通管的a、b接口相连接（旋转接入），再将一根长短合适的软胶管与三通管的接口c连接起来。（3）按图10右半部分（氢气爆炸装置）所示，连好止回阀（注意气流方向是“→”），并在水平桌面上放好进气管和遥控点火装置。然后将透明塑料筒倒扣在水平桌面上，并罩住进气管和点火极点。至此，整个氢气爆炸装置准备就绪。

2.4进行实验

（1）旋转三通管的控制阀使其三通，再后拉注射器A的活塞一小段距离，如果注射器B的活塞随之向下移动相同的距离，则氢气发生装置的气密性良好［16］。（2）取下注射器A，将其活塞推至针筒的最前端（以排出针筒里的空气），然后吸入约100mL稀硫酸，再将注射器A与三通管的a接口相连接。抽出注射器B的活塞（不要断开注射器B与三通管b的连接），向其针筒里加入5～6片金属锌，再将活塞塞回针筒里，并将活塞推至针筒的最前端（最大限度地排出针筒里的空气）。（3）调节三通管的控制阀，使a、b相通（同时关闭c通道），然后将注射器A中的稀硫酸全部推入注射器B的针筒里，此时金属锌与稀硫酸接触，两者立即反应，产生氢气（有关的化学方程式是Zn＋H2SO4==ZnSO4＋H2↑）。（4）当产生的氢气约100mL时（此时注射器B的活塞约在200mL刻度处），将稀硫酸全部推回注射器A中，反应停止；然后调节三通管的控制阀使b、c相通（同时关闭a通道），再将注射器B中100mL氢气快速推入透明塑料筒中，此时塑料筒中氢气的体积分数约是100mL／550mL×100％＝18.2％（达到了氢气的爆炸极限）。（5）按下遥控器电源开关，两个点火极点之间瞬间产生高压电火花，氢氧混合气立即被引爆（有关的化学方程式是2H2＋O2点燃==2H2O），伴随着“嘭”的一声巨响，塑料筒被炸飞，并撞到天花板，再弹向远处。若要让学生观察到氢气燃烧的火焰，可以在室内光线较暗的情况下引爆氢气。（6）如果进行第二次爆炸实验，重复上述操作即可。（7）实验结束，整理实验用品。

2.5几点说明

（1）在连接止回阀时，一定要先检查其单向流通功能是否正常，还要注意气流方向不能接错。（2）如果化学实验室存有锌粒而没有锌片，可以用锤子将锌粒砸成片状，再用于制氢。（3）如果爆炸室内氢气的体积在157mL时，其中氢气与氧气的体积比正好是2∶1，此混合气发生的爆炸最剧烈，而过于剧烈的爆炸会超出学生的心理承受能力，因此充入爆炸室内的氢气体积以少于157mL为宜。（4）根据氢气的爆炸极限（4％～74.2％）可知，实验中爆炸室内氢气的体积在22～408mL范围，点火均能发生爆炸。多次试验表明，充入氢气的体积在100mL左右时，所发生的爆炸不仅强度适中，而且节约氢气。（5）实验装置不要放在装有日光灯的天花板下方，爆炸现场要远离易燃易爆物和电教设备；准备点火时，师生要后退到距离实验装置3～5m远的位置，并提醒学生做好“有惊无险”的心理准备，然后才能点火。（6）遥控点火时，按下开关即松手，瞬间放电即可（不能长时间放电）。点火器多次使用后，尖端放电部分的导线会氧化，再次使用时需要稍微打磨一下。两个点火极点之间的距离以5～7mm为宜。

2.6装置优点

（1）整个装置的制作材料容易得到，研制过程相对简单。实验装置比较固定，可以长期反复使用，有利于连续进行的实验教学。（2）利用注射器与三通管组成氢气发生装置，可以随时控制反应的发生与停止，并且制得的氢气纯度很高（几乎不含空气）。（3）通过遥控点火，使操作非常安全。借助定量设计，使爆炸的剧烈程度可控。（4）导气管中接入止回阀，氢气不会回流，实验过程中不会出现回火现象，确保实验过程不会发生意外爆炸。（5）该装置也可以用来引爆煤气、天然气、氢氯混合气等，具有可推广价值。（6）本实验装置的研制蕴含了组合法、定量法、类比法、替换法和移植法等多种技法［17］，有利于培养学生的创新精神。

3结语

虽然教育装备技术快速发展，但是低成本实验的研制仍是中小学化学或科学实验创新的重要途径。我们一线教师要潜心进行实验创新研究，力争为基础教育开发出更多安全、绿色、简约的教学实验，从而有效地促进中学课堂开齐、开足、开好化学实验。

作者:李德前 龚皓 魏海 单位:徐州市西苑中学 徐州市李德前化学名师工作室