氢气检纯及其爆炸极限测定实验方法的教学思考

田博文 刘怀乐

关键词：氢气验纯;爆炸极限范围;测定方法;教学思考

最近从《化学教学》2019年第7期第72页上读到一篇题为“氢气爆炸极限测定演示实验装置的新设计”的文章，很受启发，收益良多。仔细研读之后，产生了以此为题的教学思考，供初中化学教学同仁们参酌。

1检验氢气纯度的传统方法

现行初中化学教材简化了检验氢气纯度的方法。不过，几乎所有的教师都还在沿用原来初中化学教材（和教学参考书）所陈述的一些细节和方法。

第一种“用排水集气法收集一试管氢气……，如果听到尖锐的爆鸣声，就表明氢气不纯，需要再收集，再检验，直到响声很小，才表明氢气已经纯净”。

第二种“如果用向下排空气法收集氢气，经检验不纯而需要再检验时……”。

对于第一种检验方法，在叙述上还不够确切。学生对“听到尖锐的爆鸣声”的语句，理解上似乎不成问题，可是一做实验就缺乏具体的辨别能力了。为了加强对这种尖锐的“爆鸣声”的印象，拟把这句话改述为“听到尖锐的吹口哨似的爆鸣声”为好。其次，教材在“发现氢气已纯净”的叙述中，学生对这“响声很小”，小到什么程度，很缺乏实感。而且纯净的氢气除了点燃“响声很小”之外，还有什么特征在叙述上还欠具体。最好将原文改为“……再检验，直至轻微发出‘噗的响声之后，还能安静地燃烧，才表明氢气已经纯净”。这点在检验氢气的纯度时很重要。凡是能够安静燃烧的氢，就可以视为较纯氢（不在爆炸极限范围内），除了点燃时发出轻微的“噗”的响声之外，那就是还能安静地燃烧，或者说，凡是能够安静燃烧的氢，就可以视為纯氢（准确地说是不在爆炸极限内）。这样的氢气在集气瓶口点燃时，同样能安静地燃烧，不会有爆炸的危险。总之，在现象上是否发出轻微的“噗”的响声和能持续安静地燃烧，这是纯净氢气的两个特征。当学生掌握了这样的特征以后，就一定能增强他们实践的主动性和自信心，提高他们的实验能力。

对于第二种检验方法，我们认为是不恰当的。大家知道，对于任何可燃性气体，在点燃之前都应当先检验它的纯度。而检验任何可燃性气体的纯度，都不宜采用排空气法收集气体来检验，何况氢气是所有气体中密度最小的。如果用向下排空气法集气，集气试管即使充满了，启普发生器中的氢气也不一定纯净，很可能在启普发生器内空气还未排尽，而集气试管中已可能获得纯净的氢气。这样的集气方法只凭估计是否充满，甚至不具有气密性的氢气发生器，也能在集气小试管中集满“纯氢”。因此，用向下排空气法收集氢气来检验其纯度，是一种很不严谨的错误的操作方法。

2氢气纯度的正确检验方法

为准确判定氢气发生装置排出的氢气已十分纯净，可用排水法集满三支试管氢气。当分别使试管水平、管口向上、管口向下的三种方式接近灯焰时，会依次发出弱的口哨声、较强的口哨声和“噗”的响声。

可见，通过点燃氢气发出的爆鸣声来判断氢气的纯度还跟实验操作的方法有关。这是因为：当试管口从水平方向移近火焰点燃，会有少部分氢气逸出，少部分空气扩散进管内，形成少量爆呜气，会出现弱的爆呜声;当试管口向上移近火焰点燃，管内氢气逸出的量与扩散进入管内空气的量都会增多，会形成了较多的爆鸣气，所以点燃时会发出较强的爆鸣声;只有当试管口向下移近火焰点燃，由于氢气轻，管内的氢气很难外逸，管外的空气也很难进入，这时才能正确地观察到点燃纯净的氢气在发出轻微的“噗”的响声之后，还能呈现安静燃烧的现象。这后者才是检验氢气纯度的正确方法。

3氢气“爆炸极限”的测定

教学中容易给学生留下一个认识上的误区，即认为点燃氢气时只要能发出轻微的“噗”的响声，且能持续燃烧，这种氢气就一定是纯的。事实并不完全如此。这里有一个可燃性气体“爆炸极限”的问题值得研究。

将七个大小相同的试管都划上十等分刻度线，分别装入水的体积数为9、8、7、5、3、1、0.5，然后盖上玻片迅速倒扣插入水槽中。分别用排水法小心地缓缓通入氢气至试管的水刚好排尽，将得到氢气与空气的混合气体作爆鸣实验。实验记录见表1。

可见，表中所列的氢气都是不纯的，但是，只有当氢气在空气中的体积百分比高于70%时，氢气才可以持续安静地燃烧而不发生爆炸。

当氢气的体积百分比下降到5%以下燃点时，不能发生爆鸣和燃烧。而氢气的体积约在10%～70%之间燃点时，则有爆炸的危险。特别是表内序号5，氢气的体积含量在30%时，H2与空气中02的体积关系恰好为2：1，H2、02恰好能反应完全，因而点燃时有猛烈爆炸的危险（发出最尖锐的爆呜声）。这就从实验证实了原来九年级化学课本第55页所陈述的结论：“空气里如果混入氢气的体积达到总体积的4%～74.2%这个范围，点燃时就会爆炸。这个范围叫做爆炸极限”（注：目前一些书中所列出的氢气爆炸极限的数值有较大出入。例如由戴安邦教授编著的《无机化学教程》上册第116页所述：“氢与空气的混合气体只要含有9.5%～65%体积的氢，点燃时即发生爆炸”）。由于纯度在74.2%以上的氢气可以安静燃烧。从这个意义上讲，在普通的化学实验中，凡是高于爆炸极限上限的氢气，一般可视为纯净的氢气。

4教学思考

第一，可燃性气体（比如H2、CH4、c2H2）在空气中的爆炸极限与在氧气中的爆炸极限，是两个完全不同的概念，有着完全不同的两种数值。前者有普遍的实用意义，后者多有研究上的理论价值。教学上，主要要求的是理解H2在空气中的爆炸极限，如表2所示。

第二，无论初中化学还是高中化学都是属于启蒙化学范畴，学生的所见所闻都仅仅是学习化学的开始。在演示实验操作装置上使用酸式滴定管、碱式滴定管、三角漏斗，Mn02催化H202分解制02，且精确度都要求精确到0.01 mL。测得的是氢气在氧气中的爆炸极限为14.89%～97.33%。这些是启蒙阶段学习化学的初三学生所能理解与接受的么？这难道不是一种跨越式的教学形态？这些很值得反思。

第三，可燃性气体爆炸极限的测定，是在一定的大气压、水蒸气压等特殊条件下测定的化学常数。而演示实验装置新设计文章所得结果提供的H2在02中的爆炸极限数值是14.89%～97.33%，这不具有可信度。因为实际测定数据跟权威文献所提供的数据（4.5%～95%）相距甚远，很难有引用的价值。