鞠東勝+王金龍

摘要：為了豐富實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法，使用飲用水瓶、電蚊拍、廚房電子脈沖點(diǎn)火器、保鮮袋等生活物品，對(duì)氫氣制備及其性質(zhì)系列實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了設(shè)計(jì)，可使實(shí)驗(yàn)?zāi)茉诎踩煽氐臈l件下進(jìn)行，深化學(xué)生對(duì)啟普發(fā)生器工作原理的理解，便于學(xué)生觀察某些明顯和震撼的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，以及豐富了氫氣還原氧化銅的教學(xué)內(nèi)容。實(shí)踐表明，新設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)?zāi)軌蛟鰪?qiáng)學(xué)生對(duì)科學(xué)原理的感性認(rèn)識(shí)，培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新意識(shí)，營(yíng)造良好的教學(xué)氛圍。

關(guān)鍵詞：氫氣；制備與性質(zhì)；實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)；實(shí)驗(yàn)探究

文章編號(hào)：1005–6629（2015）6–0060–03 中圖分類號(hào)：G633.8 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

1 提出問(wèn)題

在人民教育出版社出版的九年級(jí)化學(xué)教材“自然界的水——最輕的氣體”一節(jié)中[1]，點(diǎn)燃不純凈氫氣實(shí)驗(yàn)較難把控。筆者以“氫氣制備與性質(zhì)實(shí)驗(yàn)”為題，在互聯(lián)網(wǎng)上檢索到數(shù)千篇學(xué)術(shù)論文。這些豐富的研究成果大致可分為兩類，一是對(duì)化學(xué)反應(yīng)的研究，如鋅與3 mol·L-1硫酸溶液反應(yīng)時(shí)氫氣的制備速率與制備量較佳[2]；二是對(duì)實(shí)驗(yàn)裝置的改進(jìn)，如《氫氣制備與性質(zhì)實(shí)驗(yàn)一體化微型實(shí)驗(yàn)改進(jìn)》[3]。以學(xué)科、實(shí)驗(yàn)為中心的研究固然重要，但基于學(xué)生認(rèn)識(shí)視角的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)應(yīng)是新課程教學(xué)改革的方向。種種現(xiàn)象引起我們反思：如何利用身邊的生活資源，開發(fā)出實(shí)用性、時(shí)代性較強(qiáng)的實(shí)驗(yàn)方案？如何優(yōu)化實(shí)驗(yàn)方案，將知識(shí)學(xué)習(xí)與科學(xué)方法及創(chuàng)新能力的培養(yǎng)教育有機(jī)地融為一體？為此，筆者使用某些生活物品對(duì)氫氣制備及其性質(zhì)系列實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了重新設(shè)計(jì)，與大家交流和探討。

2 氫氣制備及其性質(zhì)系列實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)

在教學(xué)過(guò)程中，學(xué)生對(duì)啟普發(fā)生器中酸液高度變化充滿興趣，但只能被動(dòng)觀看（由教師演示），動(dòng)手體驗(yàn)的機(jī)會(huì)不多；用火柴點(diǎn)燃?xì)錃馀莸膶?shí)驗(yàn)成功率較低；氫氣還原氧化銅實(shí)驗(yàn)耗時(shí)較長(zhǎng)；在用塑料筒收集氫氣并點(diǎn)燃實(shí)驗(yàn)中，是否已引燃?xì)錃廨^難判斷，后續(xù)爆炸的聲響和塑料筒被爆炸氣浪高高掀起的結(jié)果略有失控之嫌，等等。這些問(wèn)題說(shuō)明，目前圍繞氫氣性質(zhì)的系列實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)尚存偏頗，缺乏整體性和安全性，有進(jìn)一步優(yōu)化的可能。

2.1 制作簡(jiǎn)易啟普發(fā)生器

如圖1所示，在550mL飲用天然水瓶高7cm處將底部剪下，將剪下的瓶底倒過(guò)來(lái)插回瓶中，瓶底外壁的凹槽與瓶身內(nèi)壁的凸槽相吻合，使兩者較牢固地連為一體；接著使用酒精燈加熱過(guò)的鑷子將底部打孔成網(wǎng)狀；加入適量的金屬鋅，在瓶口安裝上帶有導(dǎo)管的膠塞后，將飲用水瓶放入一只盛有適量稀硫酸的燒杯（φ7cm）中，即可用來(lái)制備氫氣。需要停止反應(yīng)時(shí)，將止水夾關(guān)閉，瓶?jī)?nèi)氣體壓強(qiáng)增大，金屬鋅與酸液便自動(dòng)脫離接觸。與啟普發(fā)生器的適用范圍一樣，只要固態(tài)與液態(tài)物質(zhì)反應(yīng)產(chǎn)生氣體，且不需要加熱，均可使用上述裝置，如制備二氧化碳、乙炔等。

從觀察到制作，從抽象到具體，將普通的飲用水瓶巧妙地設(shè)計(jì)成具有控制功能的實(shí)驗(yàn)裝置，這對(duì)于學(xué)生積累實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)、拓展創(chuàng)新思路、深化對(duì)科學(xué)原理的理解，無(wú)疑起著較好的幫助和促進(jìn)作用。

2.2 吹氫氣泡與引燃

按照水溶性膠水（文具店有售）、水和洗潔精體積比為1：4：4的比例，將其混合均勻配制成泡泡水，備用。

在燒杯中加入3 mol·L-1稀硫酸溶液150mL，滴入幾滴硫酸銅溶液，攪拌混勻；在上述飲用水瓶中加入約10g鋅粒。當(dāng)把飲用水瓶置于燒杯中時(shí)，金屬鋅與稀硫酸反應(yīng)便不斷產(chǎn)生氫氣。通過(guò)乳膠管將干燥管的細(xì)口端與飲用水瓶口的導(dǎo)管相連，用干燥管的粗口端蘸取少量泡泡水，將其豎立；待氫氣泡慢慢變大到大拇指大小時(shí)，用嘴輕輕吹氣使之脫離，氫氣泡便緩緩飄向空中。此時(shí)，就像生活中拍打蒼蠅、蚊子一樣，用電蚊拍（可充電式）去接觸氫氣泡，可聽到“啪”的聲響，同時(shí)觀察到氣體燃燒時(shí)形成的一團(tuán)黃色火球。說(shuō)明氫氣的密度比空氣小，它在空氣中能燃燒。與使用明火器具（蠟燭、火柴、打火機(jī)等）相比較，電蚊拍沒(méi)有熱氣流產(chǎn)生，且接觸面積較大，命中引燃?xì)錃馀莸男蕰?huì)提高許多。氫氣泡燃燒時(shí)出現(xiàn)的黃色火球，比較醒目和震撼。

使用某些生活物品對(duì)化學(xué)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行改進(jìn)，不僅提高了實(shí)驗(yàn)效率，而且能訓(xùn)練學(xué)生遷移、轉(zhuǎn)換與類化的創(chuàng)新思維，增加其對(duì)科學(xué)研究的認(rèn)同感。

2.3 氫氣還原氧化銅

如圖2所示，將螺旋狀的φ0.13cm銅絲在酒精燈上加熱至呈現(xiàn)黑色，從粗口端緩緩伸入干燥管至球型處，觀察到銅絲變?yōu)榧t色。其間，當(dāng)熱銅絲剛伸到管口部位時(shí)，會(huì)聽到輕微的爆嗚聲（氫氧爆炸），表明銅絲已具備較高的溫度；接著，把銅絲移出干燥管，觀察到銅絲又變成黑色。模仿演奏二胡的動(dòng)作，“推拉”銅絲2～3次可觀察到其顏色的多次變化。說(shuō)明氫氣可將熱的氧化銅（黑色）還原成銅（紅色），氧氣卻起著相反的氧化作用。筆者曾使用粗細(xì)不一的銅絲進(jìn)行多次嘗試，發(fā)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象變化明顯的關(guān)鍵是保持其較高的溫度。除了前面提及的管口爆鳴外，在加熱的過(guò)程中，可將銅絲緩慢伸入酒精燈火焰內(nèi)焰，如觀察到由黑變紅（乙醇蒸氣還原氧化銅生成銅）的現(xiàn)象，說(shuō)明銅絲溫度已超過(guò)322.5℃[4]，符合乙醇還原氧化銅反應(yīng)的溫度要求；反之，則需要繼續(xù)加熱。重復(fù)實(shí)驗(yàn)操作2次后銅絲溫度已下降，再次將它伸入干燥管內(nèi)，則很難觀察到由黑變紅的現(xiàn)象。

按照“通氫氣-加熱-再通氫氣”傳統(tǒng)方法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，時(shí)間花費(fèi)較長(zhǎng)，且物質(zhì)顏色的變化只有1次。改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)大膽地變換實(shí)驗(yàn)藥品、操作和流程，依據(jù)實(shí)驗(yàn)屬性最大限度地提供化學(xué)反應(yīng)所需的條件，借用、活用實(shí)驗(yàn)儀器，揭示實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象背后隱藏的化學(xué)原理或化學(xué)規(guī)律。這樣的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)不僅提高了實(shí)驗(yàn)效率，豐富了化學(xué)變化內(nèi)容，更重要的是能夠營(yíng)造一種輕松、愉快的學(xué)習(xí)氛圍，寓教于樂(lè)。

2.4 引爆氫氧混合氣體

向冰箱保鮮袋（7×12cm）中鼓入空氣，袋口朝下再通入氫氣約12s時(shí)間。將廚房電子脈沖點(diǎn)火器（俗稱點(diǎn)火槍，淘寶有售）的前端插入其中，接口處用膠帶纏繞封閉。按下點(diǎn)火器按紐，袋中的混合氣體發(fā)生爆炸，形成黃色火團(tuán)，發(fā)出“嘭”的聲響，觀察到保鮮袋已部分熔化變形。說(shuō)明引燃?xì)溲趸旌蠚怏w會(huì)發(fā)生爆炸，同時(shí)放出大量的熱。與金屬或塑料容器相比，使用保鮮袋進(jìn)行爆炸實(shí)驗(yàn)比較安全，不會(huì)造成容器亂竄，聲響也會(huì)降低許多。

將氫氧混合氣體設(shè)計(jì)為“氣體爆竹”，與學(xué)生的生活經(jīng)驗(yàn)發(fā)生關(guān)聯(lián)，減少程序化的預(yù)設(shè)成分，學(xué)生動(dòng)手實(shí)驗(yàn)的機(jī)會(huì)自然增多，將不斷積累直接經(jīng)驗(yàn)，促進(jìn)學(xué)生形成一定的實(shí)驗(yàn)技能、方法和科學(xué)思想。

上述4種實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，運(yùn)用了簡(jiǎn)易手工制作、拍蚊子、演奏旋樂(lè)、點(diǎn)爆竹等技法，與學(xué)生生活經(jīng)歷吻合，使其樂(lè)于探究現(xiàn)象背后的化學(xué)原理。它們既可用于課堂教學(xué)，也可用于課后的科技活動(dòng)。

3 實(shí)驗(yàn)說(shuō)明及注意事項(xiàng)

（1）可利用廢舊干電池的金屬外殼代替金屬鋅，且不用加硫酸銅溶液。

（2）實(shí)驗(yàn)表明，制造氫氣泡時(shí)，使用融邊的玻璃管口吹出的氣泡較大且方便與其脫離。

（3）電蚊拍瞬間輸出脈沖電壓高達(dá)2500V，因此即便是使用后其仍具有較高的電壓，請(qǐng)勿用手接觸金屬網(wǎng)面。雖然這不會(huì)對(duì)人體造成傷害，但會(huì)使人產(chǎn)生強(qiáng)烈的觸電感，受到驚嚇。

4 結(jié)束語(yǔ)

中學(xué)教材中傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)等教學(xué)資源，并非“圣經(jīng)”典籍，應(yīng)當(dāng)可以被教師在課堂教學(xué)中進(jìn)行重新組合、改進(jìn)，即“再度”創(chuàng)作。引導(dǎo)學(xué)生重新審視和創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)，探索和完善科學(xué)知識(shí)體系，有利于啟迪學(xué)生的科學(xué)思維，對(duì)全面提高學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)和創(chuàng)新能力具有極為重要的作用。從生活資源中選擇恰當(dāng)?shù)奈锲穪?lái)充實(shí)和發(fā)展實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)計(jì)，無(wú)疑是一種值得嘗試的途徑。

參考文獻(xiàn)：

[1]課程教材研究所，化學(xué)課程教材研究開發(fā)中心.義務(wù)教育課程標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)教科書·化學(xué)（九年級(jí)上冊(cè)）（第2版）[M].北京：人民教育出版社，2006：65～67.

[2]王新，唐亞文.“氫氣的制備”實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容探討[J].化學(xué)教與學(xué)，2010，（5）：73～74.

[3]陳靜瓊，倪曉添.氫氣制備與性質(zhì)實(shí)驗(yàn)一體化微型實(shí)驗(yàn)改進(jìn)[J].化學(xué)教與學(xué)，2014，（3）：30，34.

[4]丁愛(ài)軍，王金龍.乙醇脫氫制備乙醛適宜溫度的選擇[J].化學(xué)教育，2011，32（7）：64～65.