氫氣爆炸實驗一體化設計淺析
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摘要：現行初中化學（或科學）教科書中編排的氫氣爆炸實驗存在不足，很多化學教師對此進行了改進。受文獻介紹的啟發，我們對該實驗進一步優化，利用注射器、三通管、止回閥、遙控點頭器等組成一體化實驗裝置。新設計的實驗具有良好的安全性、直觀性、簡便性和實用性等，能提高化學實驗教學的效果。
關鍵詞：氫氣爆炸；實驗改進；一體化設計
為了幫助學生認識氫氣的可燃性，了解爆炸的條件、感受爆炸的威力，熟悉易燃易爆物的安全常識，初中化學（或科學）教科書中一直編排有氫氣的爆炸實驗（裝置見圖1）。其點火方法無一例外地都是用燃著的木條直接點燃紙杯內的氫氣［1～5］（點火操作是先拿掉堵住小孔的紙團，再用燃著的木條在小孔處點火。剛點燃時氫氣能安靜地燃燒，稍后突然聽到“砰”的一聲爆炸）。這種接觸式點火，易使操作者產生膽怯心理，而且實驗設計沒有體現定量意識，難以根據需要來控制爆炸的強弱。另外，需要對氫氣進行驗純也增加了操作的復雜性。
1已有實驗改進的述評
查閱多種文獻發現，諸多化學教育工作者對氫氣的爆炸實驗進行了多種有效的改進，這些改進的思路主要體現在以下三個方面。
1.1更換爆炸裝置
邵華等老師用食品袋（或保鮮袋）替換紙杯作為爆炸室［6］（裝置見圖2），實驗時在食品袋中充入一半空氣、一半氫氣，然后扎緊袋口，再用燃著的木條靠近食品袋，隨著“砰”的一聲巨響，食品袋被炸碎，同時產生一團淡藍色火焰。此改進方案的主要優點是具有半定量意識，確保混合氣發生爆炸。賈同全老師將紙杯更換為盛有肥皂水的蒸發皿［7］（裝置見圖3），實驗時先把氫氣通入肥皂水中，然后點燃肥皂泡，就能聽到“噼里啪啦”的爆鳴聲；姚亮發、張賢金、吳新建等老師鼓勵學生將充有氫氧混合氣的肥皂泡捧在手中，然后直接在手上點燃［8］。這兩個改進實驗的最大優點是操作簡單、安全有趣，適合于學生的分組實驗。
1.2改變點火方式
鞠東勝和王金龍老師將氫氣吹出的肥皂泡拋入空中，再用電蚊拍追打漂浮在空氣中的肥皂泡［9］，即刻聽到清脆的“啪”“啪”聲，同時呈現一團一團的黃色火球。此改進方案最大的亮點是引爆手法新穎，實驗的可視性好，也便于學生操作。陸春曇和白顯圣老師將適量的氫氣收集在礦泉水瓶中，然后把煤氣點火槍（屬于壓電式點火器）伸進礦泉水瓶中引爆氫氣［10］（裝置見圖4）。隨著一聲巨響，塑料瓶被炸至遠處。此改進方案的優點是引爆方便，爆炸的方向可以控制。彭春艷和張羿老師將廢舊打火機上的壓電點火器、塑料注射器的針筒及橡皮塞組合在一起，制成氫氣爆炸裝置［11］（見圖5）。此改進方案的主要優點是裝置固定，并可以演示多種燃氣爆炸實驗。游建軍和王方舟老師利用廢舊手機和電路板自制遙控脈沖點火器［12］（裝置見圖6），羅銀平和向丹老師則采購市售的遙控脈沖點火器［13］。他們通過遙控點火方式引爆氫氣，實驗的安全性得到保證，而且脈沖點火器比壓電點火器的性能更加優越（如電弧長、操作簡單等）。
1.3設計一體化裝置
勞慕貞老師利用酒精燈的燈帽和大小合適的鐵蓋子將氫氣發生室與爆炸室融為一體［14］（裝置見圖7）。實驗時先向燈帽里加入鋅粒，再倒入足量濃鹽酸，蓋上鐵蓋，6～7s后將燃著的木條靠近鐵蓋上的小孔處點火，鐵蓋立即被炸飛。該一體化裝置最大的優點是，一次裝藥可以多次引爆。魏振華老師將塑料瓶與小氣球組合［15］（裝置見圖8），其中塑料瓶是氫氣發生裝置，小氣球是氫氣爆炸裝置。實驗時待氫氣球膨脹到成人拳頭大小時取下來，然后一手舉起氫氣球，一手用打火機去點燃，立刻聽到巨大的爆鳴聲，同時氣球被炸碎。這個一體化裝置的主要優點是取材方便、現象明顯。
2實驗的再改進
上述實驗改進雖然還有不足之處，但其創造性對我們后續的研究具有很大的啟發，尤其是實驗定量化、裝置一體化和點火遙控化等創新元素，為我們進一步優化氫氣爆炸實驗提供了良好的借鑒。
2.1實驗用品
主要是200mL塑料注射器（吸入口內壁帶有螺紋），配套的醫用三通管（接入口外壁有螺紋），遙控式脈沖點火裝置（網購），550mL透明塑料筒（厚度約1.5mm、PP材質，取自堅果包裝盒），8mm止回閥（也叫單向閥，其結構如圖9所示），直角玻璃管，乳膠管等；稀硫酸，鋅片等。
2.2實驗裝置
制作好的氫氣爆炸裝置如圖10所示（需固定注射器A、B，夾持儀器略）。
2.3裝置制作
（1）準備2個200mL的塑料注射器（分別標注為A、B）、1個配套的醫用三通管（三個接入口分別標注為a、b、c）、1個550mL的透明塑料筒、1個遙控脈沖點火裝置、1個8mm止回閥、1根直角玻璃管以及若干軟膠管，備用。（2）按圖10左半部分（氫氣發生裝置）所示，將注射器A、B的吸入口分別與三通管的a、b接口相連接（旋轉接入），再將一根長短合適的軟膠管與三通管的接口c連接起來。（3）按圖10右半部分（氫氣爆炸裝置）所示，連好止回閥（注意氣流方向是“→”），并在水平桌面上放好進氣管和遙控點火裝置。然后將透明塑料筒倒扣在水平桌面上，并罩住進氣管和點火極點。至此，整個氫氣爆炸裝置準備就緒。
2.4進行實驗
（1）旋轉三通管的控制閥使其三通，再后拉注射器A的活塞一小段距離，如果注射器B的活塞隨之向下移動相同的距離，則氫氣發生裝置的氣密性良好［16］。（2）取下注射器A，將其活塞推至針筒的最前端（以排出針筒里的空氣），然后吸入約100mL稀硫酸，再將注射器A與三通管的a接口相連接。抽出注射器B的活塞（不要斷開注射器B與三通管b的連接），向其針筒里加入5～6片金屬鋅，再將活塞塞回針筒里，并將活塞推至針筒的最前端（最大限度地排出針筒里的空氣）。（3）調節三通管的控制閥，使a、b相通（同時關閉c通道），然后將注射器A中的稀硫酸全部推入注射器B的針筒里，此時金屬鋅與稀硫酸接觸，兩者立即反應，產生氫氣（有關的化學方程式是Zn＋H2SO4==ZnSO4＋H2↑）。（4）當產生的氫氣約100mL時（此時注射器B的活塞約在200mL刻度處），將稀硫酸全部推回注射器A中，反應停止；然后調節三通管的控制閥使b、c相通（同時關閉a通道），再將注射器B中100mL氫氣快速推入透明塑料筒中，此時塑料筒中氫氣的體積分數約是100mL／550mL×100％＝18.2％（達到了氫氣的爆炸極限）。（5）按下遙控器電源開關，兩個點火極點之間瞬間產生高壓電火花，氫氧混合氣立即被引爆（有關的化學方程式是2H2＋O2點燃==2H2O），伴隨著“嘭”的一聲巨響，塑料筒被炸飛，并撞到天花板，再彈向遠處。若要讓學生觀察到氫氣燃燒的火焰，可以在室內光線較暗的情況下引爆氫氣。（6）如果進行第二次爆炸實驗，重復上述操作即可。（7）實驗結束，整理實驗用品。
2.5幾點說明
（1）在連接止回閥時，一定要先檢查其單向流通功能是否正常，還要注意氣流方向不能接錯。（2）如果化學實驗室存有鋅粒而沒有鋅片，可以用錘子將鋅粒砸成片狀，再用于制氫。（3）如果爆炸室內氫氣的體積在157mL時，其中氫氣與氧氣的體積比正好是2∶1，此混合氣發生的爆炸最劇烈，而過于劇烈的爆炸會超出學生的心理承受能力，因此充入爆炸室內的氫氣體積以少于157mL為宜。（4）根據氫氣的爆炸極限（4％～74.2％）可知，實驗中爆炸室內氫氣的體積在22～408mL范圍，點火均能發生爆炸。多次試驗表明，充入氫氣的體積在100mL左右時，所發生的爆炸不僅強度適中，而且節約氫氣。（5）實驗裝置不要放在裝有日光燈的天花板下方，爆炸現場要遠離易燃易爆物和電教設備；準備點火時，師生要后退到距離實驗裝置3～5m遠的位置，并提醒學生做好“有驚無險”的心理準備，然后才能點火。（6）遙控點火時，按下開關即松手，瞬間放電即可（不能長時間放電）。點火器多次使用后，尖端放電部分的導線會氧化，再次使用時需要稍微打磨一下。兩個點火極點之間的距離以5～7mm為宜。
2.6裝置優點
（1）整個裝置的制作材料容易得到，研制過程相對簡單。實驗裝置比較固定，可以長期反復使用，有利于連續進行的實驗教學。（2）利用注射器與三通管組成氫氣發生裝置，可以隨時控制反應的發生與停止，并且制得的氫氣純度很高（幾乎不含空氣）。（3）通過遙控點火，使操作非常安全。借助定量設計，使爆炸的劇烈程度可控。（4）導氣管中接入止回閥，氫氣不會回流，實驗過程中不會出現回火現象，確保實驗過程不會發生意外爆炸。（5）該裝置也可以用來引爆煤氣、天然氣、氫氯混合氣等，具有可推廣價值。（6）本實驗裝置的研制蘊含了組合法、定量法、類比法、替換法和移植法等多種技法［17］，有利于培養學生的創新精神。
3結語
雖然教育裝備技術快速發展，但是低成本實驗的研制仍是中小學化學或科學實驗創新的重要途徑。我們一線教師要潛心進行實驗創新研究，力爭為基礎教育開發出更多安全、綠色、簡約的教學實驗，從而有效地促進中學課堂開齊、開足、開好化學實驗。
作者:李德前 龔皓 魏海 單位:徐州市西苑中學 徐州市李德前化學名師工作室