初中化学氢气爆炸实验创新改进研究进展

氢气爆炸是初中化学实验教学最为重要的内容之一，但由于传统实验装置及方法存在较难的操控性和一定的危险性，故任课教师很少在课堂教学过程中给学生演示，让学生分组进行实验操作的机会就更少，致使学生不能通过氢气燃烧爆炸的探究性实验去理解爆炸产生的原理、条件及现象。为了能够简洁、安全、经济、高效、可重复地进行实验探究和演示，国内很多学者改进了氢气爆炸实验装置和方法，不仅保证了实验的安全性，也增强了相关知识点的趣味性，能够在学生体验爆炸现象的同时培养其细微观察能力和探究创新能力。但是，目前关于氢气爆炸实验创新改进的研究成果众多、研究重点各异、适用条件不同，如何依据教学实际正确选择实验装置和方法，是课堂教学不得不直接面对的棘手问题。本文从氢气爆炸实验的原理入手，分析了影响实验效果的主要因素，并通过综合对比研究近年来相关文献资料中的研究成果，从氢气发生装置、反应药品、点火方式、爆炸装置等四个方面系统总结了氢气爆炸实验开展过程中的注意事项与可借鉴方法，也对未来的创新改进研究提出了设想和建议。

一、实验原理

化学爆炸都是在燃烧的基础上形成的，氢气的爆炸过程应当是在某一密闭空间内部，如某一容器内，氢气体积占到总体积的4.0%～74.2%时，容器内所含的氢气浓度达到了爆炸极限，遇到明火后首先从局部开始着火，并且释放出大量的热量，使得氢气燃烧生成的水蒸气的体积快速膨胀，容器内部压力也迅速增大，促使局部的氢气燃烧过程在极短的时间内完成，局部燃烧也会引燃其周围的混合气体，并使其剧烈燃烧，导致容器内的压力急剧增大，从而形成了爆炸。

二、影响要素

氢气爆炸实验成套系统主要是由氢气发生装置、反应药品、点火方式、爆炸装置等四个基本单元组成的完整体系（如图1所示），而每个组成单元都会对实验有较大影响。为了增强问题分析的细致性和行文论述的条理性，本文接下来将会以组成氢气爆炸实验成套系统的四个基本单元为影响要素，深入分析近年来关于各影响要素创新改进研究成果中的注意事项与可借鉴方法。

三、要素分析

（一）氢气发生装置

氢气爆炸实验中氢气的制取通常采用启普发生器、锥形瓶、广口瓶、大试管等规制器具。但是，规制器具的获取及使用易受实验条件影响，而且在制取后输出氢气时需要排净空气，不仅所需的反应药品数量较大，也会造成时间上的浪费。因此，很多研究都针对规制器具的不适用性对制取氢气的装置进行创新改进。

利用废旧塑料瓶制作而成的氢气发生简易装置形式最多，在氢气爆炸实验中的应用也最为广泛。其中一种形式如图2（a）所示，是从瓶口向瓶底方向留取瓶身，在适合长度处切掉瓶底，并利用铜丝绑扎绷紧的废旧塑料网封住切口，然后将若干锌粒从瓶口投入瓶中，锌粒会滞留在塑料网上，再选取内径略大于塑料瓶直径的烧杯，烧杯内加入适量稀硫酸，将塑料网所在一端插入烧杯内形成密闭的反应容器，插拔塑料瓶能够实现锌粒与稀硫酸的接触或脱离，可以随时进行和终止氢气发生实验。

另一种形式如图2（b）所示，将废旧塑料瓶上部2/3瓶身截取留用，将剪掉的下部瓶身的瓶底均匀地打上小孔，再将剪掉的下部瓶身倒置，并从切口处朝内插入至截取的上部瓶身中形成隔离网，然后用插有导气管的单孔塞封住塑料瓶瓶口，再将塑料瓶放置于盛有稀硫酸的烧杯中，就制成了随开随停的简易氢气发生器。

还有一种形式如图2（c）所示，将废旧塑料瓶插入至口径略大的盛放酸液的烧杯中，废旧塑料瓶瓶底处开设一圆孔，将装有颗粒较大锌粒的干燥管插入圆孔内即可发生反应，如需停止生成氢气反应，只需将干燥管拔出后搁置在塑料瓶瓶底上即可。利用废旧塑料瓶制作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，但通过插拔装有酸液的烧杯内的塑料瓶来控制化学反应的实验操作具有一定的安全隐患。

已有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报道，如图2（d）所示。在具体操作时，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，即可停止氢气发生反应，插上导管后可通过排水法完成氢气的收集，插上针头还可以进行氢气纯度的检验。经过反复的实验操作发现，注射器容量大小要依据氢气爆炸实验所需的氢气供应量及供气速度来选定。该种形式的氢气发生装置成本较低，制作简单，即开即停，可反复使用，既能节约反应药品，又可有效控制反应速度，但该装置在操作使用过程中的安全性不高，当废旧注射器气密性不好或操作使用不当时，酸液容易在活塞推拉过程中漏出。

（二）反应药品

氢气爆炸实验中制取氢气最经常采用的反应药品主要为锌片、锌粒、镁条、稀盐酸、稀硫酸等。对比分析相关文献中反应药品的使用情况能够发现，实验过程中无论是使用锌粒和1∶1的稀盐酸溶液反应，长条锌片和常温下密度为1.20 g/mL的稀硫酸溶液反应，还是使用镁条和6 mol/L的稀盐酸溶液反应，锌粒和10%的稀盐酸溶液反应，均能取得较好的实验效果。

由此可见，每次采用创新改进后的新型实验装置开展的氢气制取实验，其所使用药品的种类、形状和浓度的最终选定，也都经过实验过程中多次反复的尝试，并没有统一的选择标准和参考依据，这样会增加实验步骤、延长实验时间，极大地影响了实验教学效率。为此，文献中已有关于氢气爆炸实验中锌粒大小和酸液浓度影响氢气制取速度的针对性研究，但大部分研究是定性的描述，定量研究成果较少。

定性研究结果表明，锌粒大小和酸液浓度通常都会对化学反应的平稳性有较大的影响，所使用的锌粒纯度过高时与酸性溶液反应的速度较慢，在锌粒与硫酸溶液中加入铜丝，铜丝就可以与锌粒在酸性溶液中形成铜锌原电池，能够有效加快化学反应速度。

定量研究认为，在实验中用注射器抽取体积相等的少量稀硫酸溶液，分别加入装有足量锌粒、镁条、锌条的试管中，相同时间内镁条生成的氢气体积最大，其次是锌粒，锌条反应最慢，但充分反应后所得氢气体积相同。如果将质量相等的少量锌粒、镁条、锌条放入到盛有过量稀硫酸溶液的试管中，所得结论与上述相同，但充分反应后应用镁条所产生的气体体积最大，锌粒与锌条产生的气体体积次之。

氢气爆炸实验中除了最经常采用的反应药品外，也有过利用类似洁厕灵的日化用品作为酸液并将之与废旧电池的锌片反应来制取氢气的尝试。由于所采用的反应药品较为常见、易于获取，故适合在反复多次的探究性实验中应用，使用成本较低，可操控性较好，安全性有保障，教学实践也证明了能够实现较好的应用效果，非常值得参考和借鉴。此外，还有利用电解反应药品混合溶液来制备氢气爆炸实验所需氢气的相关研究及应用。电解反应药品混合溶液方法，不仅能够快速获得氢气、氧气混合气体，而且混合气体中氢气的占比约为11%，恰好在爆炸极限内，使得实验成功率高、所耗时间少，但由于氢气密度较氧气小，故实验过程中收集气体的时间对实验效果的影响比较大。

（三）点火方式

氢气爆炸实验过程中最常用的是与手持燃烧小木条点燃并引爆混合气体类似的传统点火方式，但当周围空气对流太快时就会造成点火困难，点火动作过慢时还存在遭受飞起的爆炸装置伤害的风险，较小点火距离所导致的较大爆炸声音也容易引发操作者的紧张感、压迫感和恐慌情绪，如若换成较长木条，则会由于抖动失准等因素干扰而难以成功。针对如上弊端，近年来有许多氢气爆炸实验都对传统点火方式进行了创新改进。系统总结目前文献中的相关研究成果发现，氢气爆炸实验中经常采用的新型点火方式主要有脉冲电流点火、电热丝引燃点火等。

脉冲电流点火方式是将类似于日常生活中经常使用的一次性电子打火机的压电陶瓷点火器等的脉冲电源上的两个电极分别用铜丝焊接加长到安全距离，再令铜丝穿过爆炸装置边壁后延伸到爆炸装置内部，然后再与点火针相连，而后形成的完整点火系统，如图3（a）所示。具体应用时只需按下放置在远处的打火按钮，点火针处就能够产生肉眼可见的电火花，从而引燃混合气体，并使其发生爆炸。脉冲电流点火方式因具有原理简单、成功率高、趣味性强、科技创新气息浓厚、可远程操控点火等优点，而频繁在氢气爆炸实验中得到应用，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，能够使学生形成对易燃易爆物品的安全防范意识。但点火装置的制作安装均较为烦琐，操作不当也容易破坏焊点使导线脱落，而且环境潮湿或点火针沾水都会导致点火失败。电热丝引燃点火是利用低压直流电热丝来引燃预先固定在爆炸装置氢气出口处的火柴等可燃物，如图3（b）所示。该点火方式原理简单，操作方便，可远程控制，安全性好，成功率高，主要缺点就是每次实验前都需要等电热丝冷却后才能放置可燃物和通入氢气。

（四）爆炸装置

现行的大多数教材中关于氢气爆炸的示范实验都是传统的纸筒实验，使用纸筒作为爆炸装置进行氢气爆炸实验的效果一般，不易操控，成功率不高，趣味性较弱，安全性也差。将纸筒替换成塑料罐、金属罐等爆炸装置的尝试性实验中，除了爆炸声音较以前大、实验现象较以前明显外，其他方面的缺陷与纸筒实验无异。近年来，文献中对于氢气爆炸实验装置的探究性改进较多，在教学实践中这些改进装置均值得直接使用或借鉴参考。

固定式爆炸装置是以纸筒实验为参照而对其进行改进的产物，如图4（a）所示。通常是从塑料瓶瓶口向瓶底方向选取适合长度的瓶身后切掉瓶底，再将其固定在铁架台上，塑料瓶盖子上开设圆孔，然后在所开设的圆孔处插上一根带橡胶塞的细短金属管，再利用向下排空气法将验纯合格的氢气由瓶口通入瓶内，使得瓶内部分空气被排出，然后拔去细短金属管管口处的橡胶塞，并迅速用燃烧的木条点燃金属管口的氢气，即可观察到爆炸现象。该爆炸装置虽然克服了以纸筒为代表的传统装置的绝大多数缺陷，而取得了较好的实验效果，但由于无法精确判断通入塑料瓶内的氢气量，所以实验的成功率和可重复性较以前没有明显提高。

喷射式爆炸装置是对传统装置进行的最具趣味性的创新改进的结果，如图4（b）所示。典型的实验应用是将作为爆炸装置的注射器的活塞柄固定在实验台上，然后密封住注射器针口，并在注射器活塞顶面上固定一个微型打火装置，再向注射器空筒内通入氢气，按动打火按钮产生电火花后，氢气便开始剧烈燃烧，瞬间产生的热量无法在有限空间内消散，会使得气体体积快速膨胀而发生爆炸，注射器空筒在爆炸声和火光中被高高弹起。另一种喷射式爆炸装置更为简单实用，将单孔橡皮塞套装在液化气点火枪的圆形金属管上，再选取一合适容积的塑料瓶，并用排水法收集氢气，然后将充满混合气体的塑料瓶套装在单孔橡皮塞上，将塑料瓶朝向没有人的方向后按下点火扳机，就可以观察到塑料瓶向前飞出，同时塑料瓶中有火光和爆鸣声出现。喷射式爆炸装置构造简单，容易操控，可重复利用，能够激发学生的探究兴趣，但为了确保安全需要提前确定装置的合适容积及混合气体的配比。

四、结论与展望

氢气爆炸实验是初中化学教学的重要内容，涉及氢气发生装置、反应药品、点火方式、爆炸装置等众多装置及药品的具体运用。截至目前，关于氢气爆炸实验的研究已趋完善，常规实验教学只需依据自身实验条件，参照已有研究成果，选取合适的装置和药品，进行最优组合即可完成。根据目前已有文献对于氢气爆炸实验的研究现状可以预判，未来值得研究和探索的方向大致有三个：一是综合运用计算机技术、自动控制技术和监测检测传感技术开发成本较低、可批量生产、适于推广应用的成套智能型实验装置，这可免除实验材料准备、实验装置制作等烦琐工作，减轻教师的非教学性负担；二是全面提升实验装置的安全性和可操控性，放手让学生独自开展实验，可极大减少教师在实验中的参与度，培养学生自主学习和动手能力；三是开发集趣味性、探究性、拓展性于一体的实验装置，激发学生感知实验、体会实验、创新实验的积极性。

（作者单位：南通市第二初级中学）

编辑：赵飞飞