“氢气制取及性质验证”家庭趣味实验的设计

周正祥+韩丽华+杨加根

摘要：针对教材中“氢气的制取及性质验证”实验的存在不足进行了改进设计。采用大注射器作为制取氢气的反应装置，低泡洁厕液和废旧电池上锌片作为反应药品，眼药水瓶用于收集氢气进行验纯，粗针头作为燃烧尖嘴管，附有打火机点火器的小注射器作为不纯氢气爆炸装置，自制酒精打火机作为热源等，设计成便于学生做的家庭趣味实验。改进后的实验装置简单，实验现象明显；实验操作简易、安全、成功率高且实用；所有实验完成仅需要4分钟；能激发学生的学习兴趣。

关键词：氢气制取；性质验证；家庭趣味实验；实验设计；实验改进

文章编号：1005–6629（2015）7–0057–04 中图分类号：G633.8 文献标识码：B

新课程倡导鼓励化学教师开发研究成本低、污染少、现象明显、安全性高和操作方便的化学实验。同时也鼓励教师和学生充分利用生活中的常见物品和废弃物，设计富有特色的实验和实践活动。开发的化学实验仪器或实验装置应有助于激发学生学习化学的兴趣，创设生动活泼的教学情景，帮助学生理解和掌握化学知识和技能，训练学生的科学方法，培养学生的科学态度和价值观[1]。

作为初中教材中三大重要气体之一，氢气的制取及性质实验在教学和考查中有重要地位。但教材中氢气制取及性质实验的器材、药品选择，不适用于学生进行家庭实验，且制取气体的操作相对复杂，有些性质验证实验安全性欠缺，教师做实验容易产生畏难情绪，学生做实验也会有心理压力。同时，由于实验内容较多，在教材中比较零散，缺乏整体性，容易产生遗忘等。结合新课程倡导的要求和相关知识的重要地位以及相关知识在教材中的分布情况，我们有必要在传承的基础上，以“生活化”为基础，“绿色、安全、实用”为主要目标，进行二次创新设计，以期达到最佳的实验效果[2]。为此，我们进行了实验创新设计。主要设计思路：我们用大注射器作为制取氢气的反应装置，用低泡洁厕液和废旧电池上锌片作为反应药品，用眼药水瓶收集氢气进行验纯，用粗针头作为燃烧尖嘴管，以带打火机点火器的小注射器作为不纯氢气爆炸装置，以自制酒精打火机作为热源等，所用物品皆来源于生活中。改进后的实验装置简单，实验现象明显；所有实验完成仅需要4分钟，极大地缩短了实验时间；同时，改进后的实验降低了操作的难度，提高了实验的成功率和实用性。其中，爆炸实验安全且有震撼力，能激发学生学习兴趣，便于学生进行家庭实验。2014年12月，我们将此设计在江苏省初中化学实验教学技能大赛上代表盐城地区参加展评，获省一等奖。

1 设计理念

实验用品选用和设计体现“生活化”理念；实验装置设计反映“一体化”理念；实验过程凸显“绿色化”理念。

2 实验用品

注射器、眼药水瓶、输液管、打火机点火器、玻璃管、打火机（装酒精）、一次性水杯、洁厕灵（低泡型）、废电池、肥皂液、铜丝等

3 设计方案

3.1 制取氢气

氢气发生装置见图1。

3.1.1 实验步骤

（1）打开注射器活塞。

（2）装锌片。

（3）吸取洁厕液。

（4）固定装置。

3.1.2 注意事项

（1）锌片要清洗干净，去除表面杂物。若有杂物或一些碱性物质会影响反应的速度。

（2）洁厕灵要选择低泡型的，高泡型的在反应过程中会产生大量泡沫，影响实验效果。

（3）发生装置的注射器不可太小，经过多次实验发现，完成后续实验采用50mL的注射器较为可行。

3.1.3 实验说明

（1）下方一次性水杯为溢水杯，为后续排水法收集气体作准备。

（2）药品以洁厕灵为酸液，与废电池的锌片反应制取氢气；洁厕灵有一定的腐蚀性，使用时应避免碰到皮肤，若不小心碰到皮肤上，要及时用水冲洗，并用肥皂进行擦洗。

（3）将锌片预先装入注射器，需要反应时吸取洁厕液，实验结束推出酸液，实验可以反复进行。

3.2 排水法收集氢气并检验氢气纯度

实验装置见图2。

3.2.1 实验步骤

（1）药水瓶吸满水。

（2）倒置套在注射器口。

（3）检验氢气纯度。

3.2.2 注意事项

（1）选择口径较小但能套在注射器口的药水瓶（眼药水瓶较好），口径稍大会收不住水，就无法完成排水法收集。

（2）排尽水后，要用手指压住瓶口，口向下移近火焰，才能确保验纯的可靠性。

3.2.3 实验说明

（1）其收集原理是利用大气压压住水的原理，倒置时水不流出，气体进入，水被排出来。

（2）移近火焰，氢气不纯有爆鸣声，气体纯净则声音很小。

（3）该实验安全可靠，实验效率高。

3.3 点燃氢气

点燃氢气的装置见图3。

3.3.1 实验步骤

（1）插上针头。

（2）点燃氢气。

（3）拔下针头。

3.3.2 注意事项

（1）验纯后插上针头，待约5秒后点燃，防止针头内残留少量空气，点燃引起爆炸。

（2）实验过程中不可以移动注射器活塞，防止吸入空气，引起爆炸。

（3）针头要粗一点，出气量大，火焰明显。

（4）要采用拔下针头的方法熄灭火焰，这种灭火方法比较安全可靠。不可以用嘴吹灭，防止将火焰吹进反应容器，或者没有熄灭，引起安全事故。

3.3.3 实验说明

（1）作为家庭实验，该实验现象明显，但如果作为课堂演示实验，由于氢气量较小，其现象不易观察，这时可以用火柴头靠近火焰，证明燃烧。

（2）指导学生做该实验时，严格按照操作要求来完成，即：先验纯，装针头后过2～5秒，再点燃，其安全性是肯定有保障的。

3.4 发射“火箭”

不纯氢气点燃爆炸实验见图4。

3.4.1 实验步骤

（1）排水法收集氢气。

（2）换装带电子打火的活塞。

（3）按动打火按钮。

3.4.2 注意事项

（1）收集气体的注射器预先吸入半注射器水为宜，实践得出作为家庭实验，此量对于学生来说比较好把握，其效果也非常好。

（2）换装带电子打火的活塞时，要将活塞推进到堵住小孔，形成密封空间。

（3）电子打火是从电子打火机拆卸下来，打火前端要用两根铜丝焊接加长，以确保能伸到注射器内。焊接后，要测试一下，确保打火质量，然后安装到注射器活塞上，并用胶带固定。

（4）由于爆炸后有较强的冲击力，因此点火时，不能对着人或易碎物品，以确保安全。

3.4.3 实验说明

（1）图4中间部分为排水法收集氢气装置（原理同实验二）。收集前，预先在注射器活塞末端打一小孔，用手按住小孔，吸入半注射器水，用封闭的针尖头封住注射器口，再用排水法收集氢气。

（2）图4右边部分为点火装置。在换装点火器时，要确保点火器前端不能靠到注射器管壁，防止沾水影响打火质量，造成实验失败。

（3）告知学生，该实验操作方便，安全可靠，成功率高，现象明显，让学生克服恐惧心理，从而很好地完成该家庭实验。

3.5 还原氧化铜及吹肥皂泡

氢气还原氧化铜实验见图5。

3.5.1 实验步骤

（1）连接带玻璃管的导气管。

（2）插入表面氧化的铜片。

（3）通入氢气，加热。

（4）冷却，抽出铜片。

（5）用玻璃管口蘸取肥皂水，吹肥皂泡。

3.5.2 注意事项

（1）连接后，要通约5秒氢气，后预热，再集中加热，防止混有空气引起爆炸。

（2）现象明显后，先移去热源，在氢气流中冷却20秒左右，再拿出铜丝，防止还原后的铜在较高温度下又被氧化。

3.5.3 实验说明

（1）我们经过多次实践发现，铜片氧化后再还原，比用铜丝现象明显，且耗时要短；玻璃导管尽量细一点，用时会较短，现象较明显；对于热源，我们尝试用烛焰及煤油打火机，发现容易将玻璃管熏黑，影响实验现象的观察，我们将煤油打火机的燃料换成酒精，就解决了这个问题。

（2）铜片现场氧化，效果最佳；氧化铜片时要用灯外焰氧化，防止铜片被熏黑，影响实验结果。

（3）本实验按照操作要求完成，其安全性是完全有保证的。

4 价值与指导

我们将这个实验作为家庭实验布置给学生去完成，主要基于以下三个原因：一是，知识价值。有关氢气知识的系列实验是初中化学的重要实验之一，学生必须全面理解和掌握，通过自己动手完成家庭实验，学生对相关知识的理解会更加深刻；二是，实践价值。通过指导进行家庭实验，为学生动手、动脑提供了条件，这是课堂教学的一个重要补充。学生在家中利用身边常见的瓶瓶罐罐、废物废料，自己动手做家庭实验，其具有演示实验、分组实验所不能替代的作用，能弥补课堂教学的不足；三是，素养价值。我们发现，不管课程标准如何变化，但教材上的实验装置设计绝大部分还是传统的实验装置，多年没有变化，或者变化很小，学生头脑中形成固定思维，学习过程中不懂变化，也不敢变化，学生思维产生惰性，不利于学生创新能力培养。所以本实验在让学生熟练掌握传统装置的同时，教给了他们一种实验创意设计的意识，学会实验仪器、药品的迁移、联想，引导学生大胆突破原有的固定思维框架，多角度去发散创意思维，培养学生的创新能力[3]。

实践证明，本组家庭实验设计确实意义不凡。一是，实验用品的“生活化”培养了学生“因陋就简”的科学理念；二是，气体的产生、收集、验证等实验现象明显，爆炸实验安全且有震撼力，激发了学生的学习兴趣；三是，将氢气制取、收集和性质验证等零散实验“一体化”，简化了实验装置，学生容易整体把握相关知识；四是，本实验设计，节约了药品，实现化学实验过程的“绿色化”，需要反应时吸入酸液，需要反应停止就排出酸液。但创新不忘继承，如用吹肥皂泡说明氢气密度小的实验，操作简单，现象明显，我们设计时便加以吸收。

5 实践与收获

我们充分认识到，家庭实验有着演示实验、分组实验不可替代的作用，我们在家庭实验的开展方面做了有效的探索，并取得一些成效，本组实验只是其中一例。为达到最佳效果，我们认为：首先，要从思想上高度重视家庭实验，要有检查督促机制；其次，就是要有目的、有计划地开展家庭实验。一要拟好计划。家庭实验作为化学实验课的内容之一，必须按照教学计划执行实施，教师在开学前一定要吃透教材，对涉及的内容非常熟悉，根据教材中的内容，对家庭实验的开展拟定详细的研究计划，结合教材内容及当地情况对家庭实验进行适当增减，动员和组织培训学生，激发学生的热情。二要精选家庭实验。这个过程要考虑家庭实验的“时间性”，有些可以在所授课程内容之前布置，有些实验可以放在课程内容完成后才布置给学生做；要考虑“趣味性”，如上述实验学生兴趣会很浓的；要考虑“生活性”，学生用生活中的物品来完成实验，一方面便于学生取材，节约实验室的仪器和药品，另一方面让学生感受到生活中处处有化学，化学贴近生活。三要加强指导、督促和交流。特别是在交流过程中，学生参观、比较、评价他人“实验成果”的同时，会主动对照自己的实验结果，发现成功和不足，分析原因；再次，要取得家长配合。做家庭实验，用到一些实验物品、器材，需要有一定的经济基础作后盾，家长对家庭小实验的支持与否，是影响实验顺利进行的因素，教师应通过多种渠道与家长沟通交流，使家长了解家庭实验对学习化学的重要作用，力争得到家长的配合。除了物质支持外，家长还可以对实验的安全进行、学生完成实验的过程起到一定的督促作用。

通过实践，我们体会到家庭实验能弥补课堂教学的不足，是化学课堂教学很好的补充，它培养了学生的独立思维能力、独立实验技能和独立解决问题的能力，培养了学生善思、严肃、认真、务实的好习惯，提高了学生学习化学的积极性和主动性。更为重要的是培养了学生的创新思维能力和创造能力。虽然我们在学生家庭实验方面的实践还在路上，但我们已经尝到了甜头，在大力开展家庭实验后，我校学生学习化学的热情空前高涨，学生不仅在化学课堂上津津乐学，甚至课后谈论的话题也经常是实验，其直接体现就是化学成绩快速提升，我校化学抽测成绩已经跃居全市前列。

参考文献：

[1]中华人民共和国教育部制定.义务教育化学课程标准（2011年版）[S].北京：北京师范大学，2011.

[2]祭彦加等.中学实验室管理与实验技术[M].南京：南京师范大学出版社，2007：229～244.

[3]杨加根，杨小祥.“常见气体的制取”复习课教学的实践和思考[J].中学化学教学参考，2013，（6）：10～12.