氢气爆炸实验的设计与思考

吕念

［摘要］ 化学新课标要求教师通过经典实验，学习和体会化学家的科学探究的智慧和方法。本文基于教材中氢气和氧气反应生成水的实验，从化学史寻找思路，复制化学家的氢气爆炸实验，并在此过程加入化学史教育，可以帮助学生理解可燃性气体爆炸的本质；同时引入数字化实验，辅助验证氢气爆炸过程中生成了水，使实验结果更具有说服力。

［关键词］ 氢气爆炸实验；化学史教育；数字化实验

化学实验是激发学生化学学习兴趣的重要方法和手段，教师做好演示实验对培养和发展学生的思维能力尤为重要。但考虑到安全问题，很多教师在课堂上通常不会演示氢气的爆炸实验。《义务教育化学课程标准（2022年版）》指出，教师要通过化学科学发展历程中的经典实验，让学生体会化学家进行科学探究的智慧和方法，从而理解科学探究的本质。因此，笔者在讲授氢气和氧气反应生成水的实验时，尝试从化学史入手，复制化学家曾经做过的氢气爆炸实验，同时引入数字化实验，从定量角度验证氢气爆炸过程生成了水，以帮助学生理解可燃性气体爆炸的本质。

一、实验背景分析

人教版九年级化学上册第四单元课题3“水的组成”的资料卡片“水的揭秘”中提到了水的组成这一概念的发展史。普利斯特里第一次做了氢气的爆炸实验，观察到玻璃瓶内壁上有液滴产生；卡文迪许用纯氧代替空气进行实验，并确认所得液滴是水。但是他们都错误地认为生成的水是原来气体中就含有的，因而错过了发现水是由什么物质组成的机会。想要重复科学家的实验，理解可燃气体爆炸的本质，我们需要解决如何才能在氢气爆炸后观察到明显的水雾，并证明生成的水不是原来气体就含有的等问题。

二、实验问题提出

在实验过程中，笔者发现以下问题：（1）实验现象不明显，可燃性气体爆炸的本质是因为可燃性气体在有限的空间内剧烈燃烧，而大多数氢气的爆炸实验仅仅是听到爆炸声，并且无法明显地观察到有水生成。（2）实验存在安全隐患，氢气爆炸实验有的并没有分离发生装置与收集装置，爆炸过程中易造成液滴飞溅。（3）无法贴合化学史教学，很多观察实验无法与课本上的化学史知识相结合，教师亦缺乏对普利斯特里和卡文迪许错误观念的理解，事实上两位科学家是深受“燃素学说”的禁锢。对此，在化学实验课上我们可以设计优化实验来验证氢气爆炸实验中确实有水的生成。

三、实验装置设计

1.定性实验改进

为了解决爆炸方向无法控制的问题，笔者查阅了很多文献资料，最终选择用电子打火枪点火，这样就可以控制爆炸方向，还能通过点火枪管的上下位置移动来控制爆炸威力。实验步骤如下：取一个100mL塑料软瓶（废弃乳酸菌饮料瓶即可），底部用锉刀打一恰好可以用棉签堵住的小洞，再将电子打火器穿过一个橡皮塞并露出橡皮塞少许，最终完成组装（如图1）。（2）选择启普发生器（药品是锌粒和稀硫酸），将棉签堵住的塑料软瓶用向下排空气法收集氢气（如图2），一段时间后，用带有橡皮塞的电子打火器塞住瓶口。（3）进行实验时，只需要拔掉棉签，轻轻挤压瓶身，让空气与瓶内氢气混合，再经点火就可以发生爆炸，瓶口可以观察到火舌，瓶子飞出几米远，爆炸声音响亮。

然而，多次实验均未观察到明显的水雾，仅停留在表面的观察无法让我们得到氢气爆炸生成水这一结论。我们也根据计算证实了水雾难以观察到的原因：假设氢气爆炸的瓶子是100 mL，经过计算实际生成的水在

0.05 mL左右，大约只相当于一滴水，这些水均匀地分散在饮料瓶的空间内其实是很难观察到明显水雾的。为此，我们引入了苏威尔相对湿度传感器（如图3）来测量反应前后瓶内相对湿度的变化，通过数字化实验来验证水的生成。

2.定量实验改进

笔者在定量实验改进的基础上增设了数字化实验辅助验证，采用苏威尔相对湿度传感器测反应前后瓶内的相对湿度的变化。为排除其他因素的影响，我们将塑料瓶固定住，且塑料瓶底部不打孔，以防爆炸过程中瓶内水蒸气出现损失。

通过苏威尔相对湿度传感器数字信息系统辅助呈现的实验数据，我们能够得到氢气爆炸后相对湿度有所增加的结论。为了使实验结果更具普遍性，我们在两周内不断做了多组实验，实验结果如下表所示。数字化实验验证了普利斯特里和卡文迪许“生成的水是原来气体中就含有的”这一错误结论。我们在整个过程中了解了科学探究的一般过程和方法，培养了由定性到定量的实验思维。另外，我们也意识到实验之所以能成功，是因为我们站在了这两位巨人的肩膀上，加之先进的数字化实验仪器为我们测出严谨且真实的实验数据。

四、实验改进反思

1.改进后的实验简单易操作

实验分离了发生装置和收集装置，从收集装置到爆炸装置均采用本是垃圾的塑料软瓶，实验器材容易获取且防止了爆炸过程中液滴的飞溅。实验操作时，我们也选择了生活中常见的电子打火器，只需轻按开关，就能看到明显的实验现象，爆炸的方向受到了控制，这有力保障了实验的安全。这样设计既能培养学生废物利用的意识，又能激发他们的创新意识。

2.改进后的实验成功率高

氢气的爆炸实验中，氢气和空气的混合比例是关键一环。经过多次实验，我们发现空气的浓度应该处于24.4%-96%之间，空气的体积占比为50%左右时实验现象更明显，成功率达到了100%。通过氢气爆炸极限测定实验，不仅能让学生清晰地了解氢气爆炸极限的含义，还能培养他们的科学探究精神，并由此转化为化学学科素养。

3.改进后的实验采用数字化

从普利斯特里的实验出发，以“生成的水是不是原来气体中就含有的”作为探究的起点，复制普利斯特里的实验，也为后续学生理解可燃性气体爆炸的本质埋下了伏笔。在此基础上引导学生应用数字化实验仪器进行探究，论证了探究问题的本质，培养了科学严谨的学科思维。

4.改进后实验装置的不足

以100 mL的塑料软瓶为例，通过多次实验，我们总结出用向上排空气法收集氢气2分钟后再进行爆炸实验操作，此方法效果最为明显，后续测湿度的数据也很直观。但这只是凭借实验经验总结而来，实验还需进一步改进。今后，可以利用更直观、更精准的实验仪器明确收集时氢气的实时体积占比，从而使得实验操作更為简便、实验方案更具实用性。

吕 念   江苏省南京市第十二初级中学。