初中化学氢气爆炸实验集成装置开发及应用探索

2024-02-19吕宁琳

考试周刊 2024年51期

摘要：氢气爆炸实验是涉及氢气制取、氢气收集、点燃引爆等若干环节的系统实验，而目前的研究成果大多是针对某一具体环节的创新改进，并没有考虑到各环节之间的顺利衔接和相互匹配。为此，文章对包括氢气发生装置、点火装置和爆炸装置为一体的氢气爆炸实验集成装置进行了探究，详细阐述了集成装置的制作安装、操作方法和注意事项，并深入分析了教学实践效果。

关键词：化学实验；氢气爆炸；实验装置改进；教学效果

中图分类号：G633.8"" 文献标识码：A"" 文章编号：1673-8918（2024）51-0115-04

创新改进化学实验装置及方法，不仅有利于培养学生的探究精神和科学素养，也能够提高教师的教学水平和课堂教学效果，以及推动化学实验教学方法的改变和教学模式的革新。近年来，氢气爆炸实验的创新改进一直是研究的热点，取得了许多较为有价值的研究成果，也不断推动着化学实验教学更好地向纵深发展。然而，对创新改进后的新型氢气爆炸实验来说，虽然装置制作材料更易获取、操作方法更为简单、实验效果更为明显、学生体会更为深刻，但在趣味性、安全性、先进性、探究性等方面还有可以深度挖掘的空间。

一、氢气爆炸实验集成装置

氢气爆炸实验涉及的仪器装置较多，实验开展过程中的运行操作也较为繁复。所以，氢气爆炸实验集成装置的开发，可免除材料加工、装置制作、安装调试等烦琐的准备工作，也能够有效减轻任课教师的非教学性负担。文章探究设计的氢气爆炸实验集成装置是一体化装置，主要包括氢气发生装置、点火装置和爆炸装置，如图1所示。

氢气发生装置由1个烧杯和2个废旧塑料瓶组合而成。装置制作过程如下：取2个尺寸相当的废旧塑料瓶，分别切掉瓶底，并要保证切口完好平整，塑料瓶A预留的瓶身要稍长，塑料瓶B预留的瓶身要稍短。将塑料瓶B倒置后插入塑料瓶A中，并利用胶水进行固定。在塑料瓶A的瓶盖上均匀开设直径较小的孔洞，将颗粒较大的锌粒放置在开孔的瓶盖内。在塑料瓶A的瓶盖上开设通气圆孔，将导气管插入圆孔中并进行密封固定。选取直径与塑料瓶相当的烧杯，放入适量的稀硫酸溶液，然后将组合装置插入其中，通过插拔烧杯内的废旧塑料瓶A和B组合而成的装置，能够控制锌粒与酸液的接触和脱离，进而控制氢气发生反应。已有的文献资料中也有利用废旧注射器制作氢气发生简易装置的相关介绍。在具体操作该装置时，预先将锌片放入注射器空筒内，需要制取氢气时只需拉动活塞吸入酸液就能开始实验，实验结束时将酸液推出，即可让氢气发生反应停止。此种形式的氢气发生装置成本较低，制作简单，即开即停，但是该装置在反复操作使用过程中的安全性不足，特别是在废旧注射器气密性不好或对其操作使用不当时，在推拉活塞过程中容易漏出酸液。用废旧玻璃瓶制成的氢气发生装置也在氢气爆炸实验教学中得到了广泛应用。典型应用案例是在实验设备差、反应药品缺乏的条件下，以较为容易获取的玻璃输液瓶作为氢气发生装置。具体做法如下：预先将锌粒添加到玻璃瓶中，再把一个注射器插入玻璃输液瓶口的橡皮塞上作为分液漏斗，通过分液漏斗向瓶中添加稀硫酸来控制反应。将废旧玻璃瓶用于氢气发生装置，具有取材方便、使用成本低、实验用时短、药品用量少、方便灵活、易于操作等特点，但氢气制取反应的发生和停止不好控制，而且所选取的废旧玻璃瓶体积大小会对实验效果有很大影响，体积太小时实验现象不明显，体积太大又会增加反应时间和药品用量。而文章设计的氢气发生简易装置，制作材料环保且成本较低，反应药品的添加和回收容易，固液分离的实现也能够节约反应药品用量。

点火装置采用远程控制理念设计而成，主要包括脉冲电源、漆包线和点火针等部件。组装点火装置时，将压电陶瓷点火器等类似形式的脉冲电源的正负极分别与两根铜芯漆包线的一端相连，漆包线的另一端与点火针相连，点火针被固定在爆炸装置内部最靠近顶端的位置，各部件如此连接完成后，按压点火器的供电按钮，点火针处就会有火星产生，进而实现装置内氢气与空气混合气体的引燃爆炸。总结目前相关研究成果发现，氢气引爆实验中经常采用的新型点火方式还有电热丝引燃点火。电热丝引燃点火通常是使用低压直流电源，使得电热丝逐渐变热，进而引燃事先固定于爆炸装置出口处的可燃物的一种点火方式，该方式的缺点是，每次实验开始时都要确保电热丝是处于冷却状态的，否则通入氢气后会提前发生爆炸，影响实验效果。而文章采用的脉冲电流点火方式，因为具有加工制作原理较为简单、点火成功率较高、使用操作趣味性较强、科技创新气息较为浓厚、可实现远程点火控制等优点，所以其在初中化学氢气爆炸实验教学中得到广泛应用，也在很大程度上提升了实验操作的安全性，而且通过自行制作的点火装置所产生的一点点火星，就能够引发威力巨大且明显的爆炸，这有助于更好地引导学生树立起对易燃易爆物品的安全防范意识。

爆炸装置的主体是一个玻璃管，并被固定在铁架台上。该玻璃管的下端塞入双孔橡胶塞进行密封，双孔橡胶塞的一个圆孔通过导气管和橡胶管与氢气发生装置相连，双孔橡胶塞的另一个圆孔通过导气管和橡胶管与集水管相连，集水管的主要作用是收纳爆炸装置内排出的水。作为爆炸装置主体的玻璃管，在其上端用单孔橡胶塞密封，将一个不锈钢短管插入单孔橡胶塞的圆孔内并进行密封固定，用小木塞封堵不锈钢短管管头。近年来，对氢气爆炸实验集成装置的改进研究案例丰富，具有代表性的就是膨胀式爆炸装置。现有文献介绍了该装置的两种形式：氢气流吹肥皂泡、氢气充胀塑料袋。在氢气流吹肥皂泡实验中，先是取一段较长的橡皮管套装在氢气发生装置集气管的末端，然后在橡皮管的末端插上一个注射器针头，再将针头蘸上肥皂液，随着氢气的不断产生，针头上有肥皂泡生成，轻轻晃动针头能够让肥皂泡脱离，最后点燃漂浮于空中的氢气泡，就会在爆鸣声中看到燃烧的火团；也可以选择同时用两套设备分别制造氢气和氧气后将之混合，再将与集气管相连的导管通入装有肥皂水的容器内，当气泡生成并被点燃后，可以听到尖锐的爆鸣声。开展氢气充胀塑料袋实验时，将氢气发生装置连接的导管插入塑料袋内，待塑料袋完全鼓胀后用燃着的木条捅触，就可以见到塑料袋被炸得粉碎，并同时伴有火光；也可以分别向装有不同体积空气的塑料袋内通入氢气至完全鼓胀，然后点燃观察实验现象，开展爆炸极限概念的实验探究。膨胀式爆炸装置取材方便、经济适用，利用其开展的氢气爆炸实验成功率髙、趣味性强、形象直观，但这需要使用较多的反应药品，并且操作和防护不当会有灼伤风险。

二、操作方法及注意事项

（一）操作方法

第一，将氢气发生装置、爆炸装置、集水管用橡胶管顺次相连，将铜芯漆包线分别与脉冲电源和点火针相连，然后测试整套装置的气密性和点火装置通路的形成情况。

第二，无底塑料瓶A和无底塑料瓶B，两个无底部分相连接，拧开废旧塑料瓶A的瓶盖，将大颗粒锌粒放入，这样锌粒直接流入倒置的塑料瓶B后，拧紧旧塑料瓶A的瓶盖，向烧杯内充入适量稀硫酸，然后将塑料瓶A和B组合而成的装置插入烧杯中备用。

第三，拔掉爆炸装置顶部不锈钢短管内的小木塞后，向集水管内注入适量清水，注水量取决于实验选择的氢气与空气混合气体中氢气所占的比例，然后将小木塞插进不锈钢短管内进行封堵。

第四，将烧杯内的塑料瓶A和B组合而成的装置插入适当深度，并令塑料瓶A瓶盖内装有的锌粒与稀硫酸充分接触，装置内开始有氢气生成。

第五，松开各橡胶管上的胶管夹，氢气从发生装置内经橡胶管进入爆炸装置，随着氢气的持续挤压，爆炸装置玻璃管内的清水逐渐通过橡胶管流入集水管中，而进入爆炸装置内的氢气会与预留在内部的空气充分混合。

第六，待爆炸装置中的清水完全排掉时，将氢气发生装置与爆炸装置、爆炸装置与集水管之间的橡胶管用胶管夹夹紧，同时将塑料瓶A和B组合而成的装置拔出至锌粒与酸液脱离的位置处。

第七，拔出爆炸装置顶部不锈钢短管内的小木塞，同时将脉冲电源的供电按钮按下，爆炸瞬间产生，并伴随明显的火光和爆鸣声。

（二）注意事项

第一，实验准备过程中要将所使用的锌粒彻底清洗干净，并将其表面的杂物去除掉，否则会影响氢气生成质量和速度。

第二，氢气爆炸实验开始之前，要对烧杯进行固定，防止因爆炸产生振动使烧杯内的酸液泼洒造成的安全隐患。

第三，对塑料瓶A和B组合而成的装置与烧杯相接处的位置处要采用适当措施进行密封，否则会因为气密性不够而影响用排水法收集氢气的速度。

第四，实验过程中爆炸装置内的水面不能没过点火针，也不能让点火针沾水或被弄湿，否则会影响点火装置的打火质量，影响实验结果。

第五，爆炸装置玻璃管两端的橡胶塞要塞紧，防止因爆炸冲击引起橡胶塞脱落而导致的实验失败。

三、教学效果分析

首先，氢气发生装置取材于日常生活中的废弃物品，材料成本较低且易于获取和加工，装置的制作安装简单，可重复使用。对氢气生成的发生和停止可随时控制，实现了固液分离，也能够减少反应药品用量，但需要注意操作安全。

其次，点火装置原理简单、制作容易、可远程操控，点火成功率高、趣味性强、技术含量高，也极大程度上提高了实验的安全性，而且通过点火装置所产生的一点点火星就引发威力巨大的爆炸，能够使学生树立起对易燃易爆物品的安全防范意识，但操作不当和爆炸冲击也容易破坏焊点造成漆包线脱落，而且环境潮湿或点火针沾水都会导致点火失败。

最后，爆炸装置构造简单、容易操控、可重复使用，通过排水集气法收集氢气，能够确保混合气体中氢气所占比例在爆炸极限内，从而保证了实验成功率。另外，通过开展关于混合气体中氢气的不同占比对爆炸效果影响规律的探究性实验，较好地培养了学生分析解决问题的能力、科学素养和创新思维。

四、结论

文章对集趣味性、安全性、先进性、探究性为一体的氢气爆炸集成装置进行了探究。该装置的创新设计理念、友好操控模式等有助于其在实验教学中得到广泛应用。未来，可以在此基础上结合传感技术、自动控制技术等先进技术，开发可批量生产、适于广泛应用的成套智能型实验集成装置。

参考文献：

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