氫氣爆炸實(shí)驗(yàn)一體化設(shè)計(jì)淺析
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摘要：現(xiàn)行初中化學(xué)（或科學(xué)）教科書中編排的氫氣爆炸實(shí)驗(yàn)存在不足，很多化學(xué)教師對(duì)此進(jìn)行了改進(jìn)。受文獻(xiàn)介紹的啟發(fā)，我們對(duì)該實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步優(yōu)化，利用注射器、三通管、止回閥、遙控點(diǎn)頭器等組成一體化實(shí)驗(yàn)裝置。新設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)具有良好的安全性、直觀性、簡(jiǎn)便性和實(shí)用性等，能提高化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的效果。
關(guān)鍵詞：氫氣爆炸；實(shí)驗(yàn)改進(jìn)；一體化設(shè)計(jì)
為了幫助學(xué)生認(rèn)識(shí)氫氣的可燃性，了解爆炸的條件、感受爆炸的威力，熟悉易燃易爆物的安全常識(shí)，初中化學(xué)（或科學(xué)）教科書中一直編排有氫氣的爆炸實(shí)驗(yàn)（裝置見(jiàn)圖1）。其點(diǎn)火方法無(wú)一例外地都是用燃著的木條直接點(diǎn)燃紙杯內(nèi)的氫氣［1～5］（點(diǎn)火操作是先拿掉堵住小孔的紙團(tuán)，再用燃著的木條在小孔處點(diǎn)火。剛點(diǎn)燃時(shí)氫氣能安靜地燃燒，稍后突然聽(tīng)到“砰”的一聲爆炸）。這種接觸式點(diǎn)火，易使操作者產(chǎn)生膽怯心理，而且實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)沒(méi)有體現(xiàn)定量意識(shí)，難以根據(jù)需要來(lái)控制爆炸的強(qiáng)弱。另外，需要對(duì)氫氣進(jìn)行驗(yàn)純也增加了操作的復(fù)雜性。
1已有實(shí)驗(yàn)改進(jìn)的述評(píng)
查閱多種文獻(xiàn)發(fā)現(xiàn)，諸多化學(xué)教育工作者對(duì)氫氣的爆炸實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了多種有效的改進(jìn)，這些改進(jìn)的思路主要體現(xiàn)在以下三個(gè)方面。
1.1更換爆炸裝置
邵華等老師用食品袋（或保鮮袋）替換紙杯作為爆炸室［6］（裝置見(jiàn)圖2），實(shí)驗(yàn)時(shí)在食品袋中充入一半空氣、一半氫氣，然后扎緊袋口，再用燃著的木條靠近食品袋，隨著“砰”的一聲巨響，食品袋被炸碎，同時(shí)產(chǎn)生一團(tuán)淡藍(lán)色火焰。此改進(jìn)方案的主要優(yōu)點(diǎn)是具有半定量意識(shí)，確保混合氣發(fā)生爆炸。賈同全老師將紙杯更換為盛有肥皂水的蒸發(fā)皿［7］（裝置見(jiàn)圖3），實(shí)驗(yàn)時(shí)先把氫氣通入肥皂水中，然后點(diǎn)燃肥皂泡，就能聽(tīng)到“噼里啪啦”的爆鳴聲；姚亮發(fā)、張賢金、吳新建等老師鼓勵(lì)學(xué)生將充有氫氧混合氣的肥皂泡捧在手中，然后直接在手上點(diǎn)燃［8］。這兩個(gè)改進(jìn)實(shí)驗(yàn)的最大優(yōu)點(diǎn)是操作簡(jiǎn)單、安全有趣，適合于學(xué)生的分組實(shí)驗(yàn)。
1.2改變點(diǎn)火方式
鞠東勝和王金龍老師將氫氣吹出的肥皂泡拋入空中，再用電蚊拍追打漂浮在空氣中的肥皂泡［9］，即刻聽(tīng)到清脆的“啪”“啪”聲，同時(shí)呈現(xiàn)一團(tuán)一團(tuán)的黃色火球。此改進(jìn)方案最大的亮點(diǎn)是引爆手法新穎，實(shí)驗(yàn)的可視性好，也便于學(xué)生操作。陸春曇和白顯圣老師將適量的氫氣收集在礦泉水瓶中，然后把煤氣點(diǎn)火槍（屬于壓電式點(diǎn)火器）伸進(jìn)礦泉水瓶中引爆氫氣［10］（裝置見(jiàn)圖4）。隨著一聲巨響，塑料瓶被炸至遠(yuǎn)處。此改進(jìn)方案的優(yōu)點(diǎn)是引爆方便，爆炸的方向可以控制。彭春艷和張羿老師將廢舊打火機(jī)上的壓電點(diǎn)火器、塑料注射器的針筒及橡皮塞組合在一起，制成氫氣爆炸裝置［11］（見(jiàn)圖5）。此改進(jìn)方案的主要優(yōu)點(diǎn)是裝置固定，并可以演示多種燃?xì)獗▽?shí)驗(yàn)。游建軍和王方舟老師利用廢舊手機(jī)和電路板自制遙控脈沖點(diǎn)火器［12］（裝置見(jiàn)圖6），羅銀平和向丹老師則采購(gòu)市售的遙控脈沖點(diǎn)火器［13］。他們通過(guò)遙控點(diǎn)火方式引爆氫氣，實(shí)驗(yàn)的安全性得到保證，而且脈沖點(diǎn)火器比壓電點(diǎn)火器的性能更加優(yōu)越（如電弧長(zhǎng)、操作簡(jiǎn)單等）。
1.3設(shè)計(jì)一體化裝置
勞慕貞老師利用酒精燈的燈帽和大小合適的鐵蓋子將氫氣發(fā)生室與爆炸室融為一體［14］（裝置見(jiàn)圖7）。實(shí)驗(yàn)時(shí)先向燈帽里加入鋅粒，再倒入足量濃鹽酸，蓋上鐵蓋，6～7s后將燃著的木條靠近鐵蓋上的小孔處點(diǎn)火，鐵蓋立即被炸飛。該一體化裝置最大的優(yōu)點(diǎn)是，一次裝藥可以多次引爆。魏振華老師將塑料瓶與小氣球組合［15］（裝置見(jiàn)圖8），其中塑料瓶是氫氣發(fā)生裝置，小氣球是氫氣爆炸裝置。實(shí)驗(yàn)時(shí)待氫氣球膨脹到成人拳頭大小時(shí)取下來(lái)，然后一手舉起氫氣球，一手用打火機(jī)去點(diǎn)燃，立刻聽(tīng)到巨大的爆鳴聲，同時(shí)氣球被炸碎。這個(gè)一體化裝置的主要優(yōu)點(diǎn)是取材方便、現(xiàn)象明顯。
2實(shí)驗(yàn)的再改進(jìn)
上述實(shí)驗(yàn)改進(jìn)雖然還有不足之處，但其創(chuàng)造性對(duì)我們后續(xù)的研究具有很大的啟發(fā)，尤其是實(shí)驗(yàn)定量化、裝置一體化和點(diǎn)火遙控化等創(chuàng)新元素，為我們進(jìn)一步優(yōu)化氫氣爆炸實(shí)驗(yàn)提供了良好的借鑒。
2.1實(shí)驗(yàn)用品
主要是200mL塑料注射器（吸入口內(nèi)壁帶有螺紋），配套的醫(yī)用三通管（接入口外壁有螺紋），遙控式脈沖點(diǎn)火裝置（網(wǎng)購(gòu)），550mL透明塑料筒（厚度約1.5mm、PP材質(zhì)，取自堅(jiān)果包裝盒），8mm止回閥（也叫單向閥，其結(jié)構(gòu)如圖9所示），直角玻璃管，乳膠管等；稀硫酸，鋅片等。
2.2實(shí)驗(yàn)裝置
制作好的氫氣爆炸裝置如圖10所示（需固定注射器A、B，夾持儀器略）。
2.3裝置制作
（1）準(zhǔn)備2個(gè)200mL的塑料注射器（分別標(biāo)注為A、B）、1個(gè)配套的醫(yī)用三通管（三個(gè)接入口分別標(biāo)注為a、b、c）、1個(gè)550mL的透明塑料筒、1個(gè)遙控脈沖點(diǎn)火裝置、1個(gè)8mm止回閥、1根直角玻璃管以及若干軟膠管，備用。（2）按圖10左半部分（氫氣發(fā)生裝置）所示，將注射器A、B的吸入口分別與三通管的a、b接口相連接（旋轉(zhuǎn)接入），再將一根長(zhǎng)短合適的軟膠管與三通管的接口c連接起來(lái)。（3）按圖10右半部分（氫氣爆炸裝置）所示，連好止回閥（注意氣流方向是“→”），并在水平桌面上放好進(jìn)氣管和遙控點(diǎn)火裝置。然后將透明塑料筒倒扣在水平桌面上，并罩住進(jìn)氣管和點(diǎn)火極點(diǎn)。至此，整個(gè)氫氣爆炸裝置準(zhǔn)備就緒。
2.4進(jìn)行實(shí)驗(yàn)
（1）旋轉(zhuǎn)三通管的控制閥使其三通，再后拉注射器A的活塞一小段距離，如果注射器B的活塞隨之向下移動(dòng)相同的距離，則氫氣發(fā)生裝置的氣密性良好［16］。（2）取下注射器A，將其活塞推至針筒的最前端（以排出針筒里的空氣），然后吸入約100mL稀硫酸，再將注射器A與三通管的a接口相連接。抽出注射器B的活塞（不要斷開(kāi)注射器B與三通管b的連接），向其針筒里加入5～6片金屬鋅，再將活塞塞回針筒里，并將活塞推至針筒的最前端（最大限度地排出針筒里的空氣）。（3）調(diào)節(jié)三通管的控制閥，使a、b相通（同時(shí)關(guān)閉c通道），然后將注射器A中的稀硫酸全部推入注射器B的針筒里，此時(shí)金屬鋅與稀硫酸接觸，兩者立即反應(yīng)，產(chǎn)生氫氣（有關(guān)的化學(xué)方程式是Zn＋H2SO4==ZnSO4＋H2↑）。（4）當(dāng)產(chǎn)生的氫氣約100mL時(shí)（此時(shí)注射器B的活塞約在200mL刻度處），將稀硫酸全部推回注射器A中，反應(yīng)停止；然后調(diào)節(jié)三通管的控制閥使b、c相通（同時(shí)關(guān)閉a通道），再將注射器B中100mL氫氣快速推入透明塑料筒中，此時(shí)塑料筒中氫氣的體積分?jǐn)?shù)約是100mL／550mL×100％＝18.2％（達(dá)到了氫氣的爆炸極限）。（5）按下遙控器電源開(kāi)關(guān)，兩個(gè)點(diǎn)火極點(diǎn)之間瞬間產(chǎn)生高壓電火花，氫氧混合氣立即被引爆（有關(guān)的化學(xué)方程式是2H2＋O2點(diǎn)燃==2H2O），伴隨著“嘭”的一聲巨響，塑料筒被炸飛，并撞到天花板，再?gòu)椣蜻h(yuǎn)處。若要讓學(xué)生觀察到氫氣燃燒的火焰，可以在室內(nèi)光線較暗的情況下引爆氫氣。（6）如果進(jìn)行第二次爆炸實(shí)驗(yàn)，重復(fù)上述操作即可。（7）實(shí)驗(yàn)結(jié)束，整理實(shí)驗(yàn)用品。
2.5幾點(diǎn)說(shuō)明
（1）在連接止回閥時(shí)，一定要先檢查其單向流通功能是否正常，還要注意氣流方向不能接錯(cuò)。（2）如果化學(xué)實(shí)驗(yàn)室存有鋅粒而沒(méi)有鋅片，可以用錘子將鋅粒砸成片狀，再用于制氫。（3）如果爆炸室內(nèi)氫氣的體積在157mL時(shí)，其中氫氣與氧氣的體積比正好是2∶1，此混合氣發(fā)生的爆炸最劇烈，而過(guò)于劇烈的爆炸會(huì)超出學(xué)生的心理承受能力，因此充入爆炸室內(nèi)的氫氣體積以少于157mL為宜。（4）根據(jù)氫氣的爆炸極限（4％～74.2％）可知，實(shí)驗(yàn)中爆炸室內(nèi)氫氣的體積在22～408mL范圍，點(diǎn)火均能發(fā)生爆炸。多次試驗(yàn)表明，充入氫氣的體積在100mL左右時(shí)，所發(fā)生的爆炸不僅強(qiáng)度適中，而且節(jié)約氫氣。（5）實(shí)驗(yàn)裝置不要放在裝有日光燈的天花板下方，爆炸現(xiàn)場(chǎng)要遠(yuǎn)離易燃易爆物和電教設(shè)備；準(zhǔn)備點(diǎn)火時(shí)，師生要后退到距離實(shí)驗(yàn)裝置3～5m遠(yuǎn)的位置，并提醒學(xué)生做好“有驚無(wú)險(xiǎn)”的心理準(zhǔn)備，然后才能點(diǎn)火。（6）遙控點(diǎn)火時(shí)，按下開(kāi)關(guān)即松手，瞬間放電即可（不能長(zhǎng)時(shí)間放電）。點(diǎn)火器多次使用后，尖端放電部分的導(dǎo)線會(huì)氧化，再次使用時(shí)需要稍微打磨一下。兩個(gè)點(diǎn)火極點(diǎn)之間的距離以5～7mm為宜。
2.6裝置優(yōu)點(diǎn)
（1）整個(gè)裝置的制作材料容易得到，研制過(guò)程相對(duì)簡(jiǎn)單。實(shí)驗(yàn)裝置比較固定，可以長(zhǎng)期反復(fù)使用，有利于連續(xù)進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)教學(xué)。（2）利用注射器與三通管組成氫氣發(fā)生裝置，可以隨時(shí)控制反應(yīng)的發(fā)生與停止，并且制得的氫氣純度很高（幾乎不含空氣）。（3）通過(guò)遙控點(diǎn)火，使操作非常安全。借助定量設(shè)計(jì)，使爆炸的劇烈程度可控。（4）導(dǎo)氣管中接入止回閥，氫氣不會(huì)回流，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中不會(huì)出現(xiàn)回火現(xiàn)象，確保實(shí)驗(yàn)過(guò)程不會(huì)發(fā)生意外爆炸。（5）該裝置也可以用來(lái)引爆煤氣、天然氣、氫氯混合氣等，具有可推廣價(jià)值。（6）本實(shí)驗(yàn)裝置的研制蘊(yùn)含了組合法、定量法、類比法、替換法和移植法等多種技法［17］，有利于培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新精神。
3結(jié)語(yǔ)
雖然教育裝備技術(shù)快速發(fā)展，但是低成本實(shí)驗(yàn)的研制仍是中小學(xué)化學(xué)或科學(xué)實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新的重要途徑。我們一線教師要潛心進(jìn)行實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新研究，力爭(zhēng)為基礎(chǔ)教育開(kāi)發(fā)出更多安全、綠色、簡(jiǎn)約的教學(xué)實(shí)驗(yàn)，從而有效地促進(jìn)中學(xué)課堂開(kāi)齊、開(kāi)足、開(kāi)好化學(xué)實(shí)驗(yàn)。
作者:李德前 龔皓 魏海 單位:徐州市西苑中學(xué) 徐州市李德前化學(xué)名師工作室