氢气制备与性质一体化微型实验

徐 宁 罗子雄 徐 晗

湖北省通城县隽水寄宿中学(437400) 湖北省通城县教研室(437400) 湖北省通城县关刀中学(437400)

1 教学现状

氢气是初中化学三大气体之一，氢气的性质穿插在人教版初中化学“水的组成”中。除了“氢气的可燃性”是以演示实验呈现外，氢气的其他性质只是简单提及，有的是以图片形式呈现，如验纯；有的只是轻描淡写的一句话，如不纯氢气燃烧爆炸；有的只是给出了一个化学方程式，如氢气的还原性。而通过电解水研究氢气，实验时间较长，获得的氢气量较少，难以完成氢气系列性质实验。出于安全考虑，有的教师干脆“以讲代做”，这样虽确保了安全，但学生对氢气缺乏体验性认识。而使用课本上的简易装置制取氢气，并进行氢气系列性质实验，所需仪器药品多、携带不方便、过程繁、耗时长、不安全。特别是氢气在空气中燃烧观察颜色的演示实验，一直是初中化学教学中难度较大的实验之一，实验中很难观察到氢气的淡蓝色火焰，得到的多是黄色火焰，老师们往往解释为是玻璃导管中钠的焰色反应所致，要求学生记住是“淡蓝色火焰”，学生看不到火焰的实际颜色而对实验产生怀疑，影响实验教学的可信度。

对于上述问题，很多教师进行了艰难的探索与改进，各种创新实验设计比比皆是。每一个创新实验都独具匠心，然瑕不掩瑜。有的教师设计了一套带有小试管的U型微型试管，集氢气的制取与可燃性、还原性于一体，装置简洁、药品用量少、现象明显，不足之处是在导管口点燃氢气观察不到氢气的淡蓝色火焰；U型微型试管内空气不易排出，还原氧化铜有发生爆炸的危险；没有演示验纯及爆炸实验。有的教师利用常规的氢气发生装置主要对氢气燃烧实验所用的尖嘴玻璃导管做了改进，利用石墨导管观察到氢气燃烧的淡蓝色火焰；用塑料袋收集氢气改进不纯氢气燃烧的爆炸实验，由于无法定量实验，到底收集了多少氢气，教师只能凭经验去判断，收集氢气过少或过多都不会爆炸，点燃的时机不好把握，不能保证实验100%成功。有的教师研制了一套微型装置，实现了氢气的制备、验纯、爆炸、燃烧及还原氧化铜一体化实验，现象明显。不足之处是装置复杂，不简约，而且观察不到氢气的淡蓝色火焰。有的教师利用注射器作为制取氢气的反应容器，洁厕液和废旧电池的锌片作为反应药品，眼药水瓶收集氢气进行纯度检验，粗针头作为燃烧用的尖嘴导管等，但实验效果并不理想。

针对以上问题，笔者从一体化、微型化角度设计了一套氢气的制取、验纯、爆炸、还原氧化铜等一体化的微型实验。

2 实验仪器及药品

注射器、石墨导管、小指试管、酒精灯、压电器、表面覆盖有黑色氧化铜的螺旋状铜丝、玻璃管、稀硫酸(1∶4)、粗锌粒、硫酸铜溶液。

3 实验原理及装置说明图

实验原理：Zn+H2SO4=ZnSO4+H2↑。

实验装置如图1、2所示。

图1 氢气制备装置

图2 氢气验纯、燃烧、爆炸及还原氧化铜器材

4 实验步骤

4.1 制备氢气

推动注射器，使锌粒与稀硫酸接触发生反应。往回拉注射器，锌粒与稀硫酸脱离，反应停止，类似启普发生器。

4.2 验纯

用小指试管收集一试管氢气，用拇指堵住管口，移近火焰，移开拇指点火，如果听到尖锐爆鸣声，表明氢气不纯净，需再收集，再检验，直到响声很小，表明氢气已纯净。

4.3 验证氢气可燃性

在石墨尖嘴导管口点燃氢气，可以观察到管口氢气燃烧发出淡蓝色火焰。罩上干冷的烧杯，明显观察到烧杯壁上有水雾，说明氢气燃烧生成了水。

4.4 氢气爆鸣实验

取下石墨导管，换上注射器针头，插入倒置着的装有2 mL空气与2 mL水的小注射器中，用排水法收集2 mL氢气，得到氢气与氧气各50%的混合气体。套上注射器活塞，按动电子点火器，不纯氢气燃烧发生爆炸，注射器外套飞向远处。这个爆炸装置可以用来精确比较确定可燃性气体的爆炸极限。

4.5 氢气还原氧化铜

把装有表面覆盖有黑色氧化铜的螺旋状铜丝的玻璃管插入氢气发生装置中。先通一会儿氢气(由于玻璃管口径很小，几秒钟即可排尽管中空气)，再点燃酒精灯给氧化铜加热。可以观察到黑色氧化铜逐渐变成光亮红色，玻璃管壁有水珠生成。当黑色氧化铜变成光亮红色时，停止加热，继续通入氢气，直至玻璃管冷却。

5 改进后实验的优点及意义

改进后的实验，装置简单，操作方便，试剂用量少，安全性高，成本低，现象明显，耗时少，制取、验纯、燃烧、爆炸、还原氧化铜，一气呵成，几分钟即可完成实验。符合绿色化学的理念，适合学生分组实验。

6 注意的问题

氢气燃烧之所以会出现黄色火焰，除了与玻璃导管中钠的焰色反应有关外，还与氢气的流速有关。使用纯锌粒和稀硫酸反应，锌粒表面附着有氧化膜、硫酸锌和氢气，物理覆盖和产生的超电压阻碍了反应，产生氢气速率慢。因此，锌粒要事先用硫酸铜(或硫酸亚铁)处理，加入少量硫酸铜，使析出的铜与锌形成“小型原电池”，加速了锌的溶解，使整个反应能持续、快速地进行，利于学生观察到氢气燃烧的淡蓝色火焰。