曾德琨 王秋亮

摘要： 用Y型管、香瓜瓜體、塑料滴管等設(shè)計(jì)裝置進(jìn)行爆鳴氣體實(shí)驗(yàn)。用塑料滴管做電解反應(yīng)的容器，大頭針做電極，9V電池做直流電源電解氯化鈉、氫氧化鈉水溶液得到爆鳴氣體;電解得到的氣體在爆炸極限范圍內(nèi)，在塑料滴管尖端外點(diǎn)火，爆鳴實(shí)驗(yàn)效果明顯，容易成功，且可避免在爆炸實(shí)驗(yàn)中玻璃儀器的破裂。與傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)相比，新設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象更明顯，還能觀察電解氯化鈉溶液時(shí)陽極的腐蝕及產(chǎn)生氫氧化亞鐵沉淀等現(xiàn)象。

關(guān)鍵詞： 氣體爆鳴實(shí)驗(yàn); 氫氯爆鳴; 氫氧爆鳴; 乙炔爆鳴; 微量化實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

文章編號(hào)： 10056629（2018）12007303中圖分類號(hào)： G633.8文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： B

“氫氣在氯氣中安靜地燃燒，產(chǎn)生蒼白色火焰”，這是工業(yè)制取氯化氫氣體合成塔中的反應(yīng)。“氫氣可在氧氣中安靜地燃燒，也可以和氧氣混合后發(fā)生爆炸反應(yīng)，是一種爆炸極限很寬泛的氣體”?；旌先紵ㄓ址Q預(yù)混燃燒）是指可燃?xì)怏w與空氣（氧）在燃燒前混合，并形成一定濃度的可燃混合氣體，被火源點(diǎn)燃所引起的燃燒?；旌先紵潜ㄊ降娜紵?，通常所說的氣體爆炸就屬混合燃燒[1]?；瘜W(xué)課堂通過實(shí)驗(yàn)來落實(shí)氫氣、氯氣或氧氣的性質(zhì)，并強(qiáng)調(diào)安靜燃燒、混合爆炸的條件控制和對(duì)化學(xué)反應(yīng)條件的變量控制。教師應(yīng)引導(dǎo)學(xué)生注重追求化學(xué)實(shí)驗(yàn)的簡易、安全、綠色、趣味等特點(diǎn)。

氣體的爆鳴實(shí)驗(yàn)，通過聲音的刺激，讓學(xué)生感受化學(xué)爆炸的劇烈程度，從而加強(qiáng)學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)安全操作的重視。課堂演示實(shí)驗(yàn)或?qū)W生分組實(shí)驗(yàn)要求效果鮮明，使爆炸反應(yīng)有足夠的威力，又必須做到絕對(duì)安全，不允許發(fā)生任何事故，因此很多化學(xué)教師做了不少實(shí)驗(yàn)探究。我們結(jié)合教學(xué)實(shí)踐歸納列舉三種方案如下。

1?在Y型管中發(fā)生氫氣和氯氣混合光照反應(yīng)實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示，實(shí)驗(yàn)步驟如下：

（1） 在Y型管兩側(cè)分別加入1克高錳酸鉀和2克鋅粒;

（2） 用膠頭滴管先向裝有高錳酸鉀的管內(nèi)注入適量（約1mL）濃鹽酸;

（3） 再向有鋅粒的管內(nèi)加入適量（約2mL）濃鹽酸;

（4） 在Y型管的管口輕輕地塞一個(gè)橡皮塞或一團(tuán)棉花;

（5） 在Y型管外10cm處點(diǎn)燃鎂條或開閃光燈，就會(huì)發(fā)生爆鳴現(xiàn)象，橡皮塞或棉花被沖起來，管口有大量白霧（見圖1）。

該實(shí)驗(yàn)的優(yōu)點(diǎn)是當(dāng)場制取兩種氣體，量小，爆鳴時(shí)卻能發(fā)出尖銳的聲音，效果明顯。但缺點(diǎn)是，可能控制不好加酸的時(shí)機(jī)，高錳酸鉀和鹽酸反應(yīng)生成氯氣速度過快，不好控制產(chǎn)生氣體的比例，有時(shí)只出現(xiàn)“噗”的一聲。一次兩次不成功，師生心理方面會(huì)產(chǎn)生懼怕進(jìn)而放棄。

氫氣在氯氣中的爆炸極限是9.8%～52.8%。孟憲慧[2]老師曾做了兩百多次平行實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)VH2∶VCl2=1∶2時(shí)，爆鳴成功率最高。若用大小不一的集氣瓶事先收好體積比1∶2的氫氣和氯氣，實(shí)驗(yàn)時(shí)混合兩瓶氣體，用鎂條燃燒的強(qiáng)烈白光引爆，實(shí)驗(yàn)成功率達(dá)90%。

2?在香瓜、柑橘等殼中發(fā)生乙炔和空氣混合氣體的爆鳴實(shí)驗(yàn)

在全國第十二屆化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)創(chuàng)新大賽[3]的比賽現(xiàn)場，江西南康市教育局教研室施明林老師設(shè)計(jì)的“小鋼炮”足有半米長，直徑8cm（見圖2），小鋼炮管身下部有個(gè)小孔用于點(diǎn)火，一端封閉，一端敞口用于加反應(yīng)物和噴出火焰。施老師用乙炔和空氣的混合氣發(fā)生爆鳴，現(xiàn)場效果很震撼。

該設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)是： （1）氣體當(dāng)場制取，易得;（2）因?yàn)橛玫氖遣讳P鋼材料的設(shè)備，堅(jiān)硬牢固，避免了師生擔(dān)心用試管、集氣瓶做此類爆炸實(shí)驗(yàn)引起玻璃破碎炸裂飛濺的事故;（3）鋼管牢固安全，可以加大實(shí)驗(yàn)藥品用量，效果更震撼。（4）乙炔在空氣中爆炸極限是2.5%～81.0%，在容積較大的鋼管中混合易形成爆鳴氣體。

鑒于鋼炮并不常見，需特意定做。筆者建議可以利用生活中的香瓜、西瓜、柑橘等殼體做反應(yīng)容器（見圖3）。

一個(gè)直徑大約10cm的香瓜，把有蒂的一端割下當(dāng)蓋子，用電動(dòng)攪拌器將瓜瓤攪碎倒出，注意不要將瓜壁攪穿，形成一個(gè)殼體，殼體中央鉆一小孔用以點(diǎn)火。這個(gè)香瓜殼體容量500毫升左右，里面有少量水，加碳化鈣3克左右，立即蓋上蓋子。大約20秒后，點(diǎn)火，殼內(nèi)氣體爆鳴，將蓋子掀掉，聲音響亮，并且殼內(nèi)有熊熊烈焰，好像“憤怒的水果”。若電石質(zhì)量大，可以蓋上蓋子，讓火熄滅，過一會(huì)兒再點(diǎn)火，仍然可以爆鳴。

即便反應(yīng)劇烈，卻不用擔(dān)心玻璃炸裂的安全問題，對(duì)學(xué)生、教師來講都是安全可靠的，又能將生活中常見的廢棄物進(jìn)行有效利用。比較不同大小的水果，如柑橘、西瓜等，體積越大越易形成爆鳴氣，因?yàn)槔锩婵諝舛唷ｓw積小的柑橘，建議早點(diǎn)點(diǎn)火，否則空氣被排出后形成較純氣體不易爆鳴。如果把香瓜鏤空成不同形狀，爆鳴時(shí)火焰噴出的景象就有不同的理解，豐富了實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)感。

3?電解氫氧化鈉水溶液制氫氧混合氣體并發(fā)生爆鳴實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)裝置如圖4所示，實(shí)驗(yàn)步驟如下[4]：

（1） 取多用途塑料滴管吸入氫氧化鈉溶液;

（2） 將兩根大頭針從滴管插入溶液中，并連接9伏的電池（見圖4），開始通電;

（3） 將肥皂泡涂在尖嘴端，可看到有氣泡吹大，用火去點(diǎn)，并沒有什么現(xiàn)象。說明剛開始排出的是管內(nèi)本身的空氣，不是爆鳴氣;

（4） 再在管口涂抹肥皂液，繼續(xù)用火去點(diǎn)氣泡，當(dāng)發(fā)現(xiàn)有輕微爆鳴聲后，說明已產(chǎn)生爆鳴氣了，但是是弱爆炸;接下去的一個(gè)氣泡，往往就會(huì)發(fā)生尖銳的爆鳴，并且管口產(chǎn)生火焰（見圖4）;

（5） 繼續(xù)通電，涂抹肥皂液，又會(huì)出現(xiàn)氣泡，但這種氣泡點(diǎn)不著，持續(xù)幾個(gè)氣泡后，又出現(xiàn)尖銳爆鳴。說明一次爆鳴后，有空氣進(jìn)入滴管。

（6） 可反復(fù)多次進(jìn)行爆鳴實(shí)驗(yàn)。

該實(shí)驗(yàn)的優(yōu)點(diǎn)是： 用塑料滴管進(jìn)行微量混合氣體的爆鳴，所耗試劑微量化，不用擔(dān)心炸裂;氫氣在空氣中的爆炸極限為4.0%～74.2%，換算成氫氣在氧氣中的爆炸極限為16.6%～93.2%，最高限和最低限都是弱爆炸，超出這個(gè)范圍氫氣就不會(huì)發(fā)生爆炸。爆炸最強(qiáng)烈是VH2∶VO2=2∶1時(shí)，即H2%=67%，因?yàn)殡娊馑玫降膬煞N氣體體積比正好是2∶1，所以不用擔(dān)心氣體的比例問題。學(xué)生可以拿在手上完成這個(gè)實(shí)驗(yàn)，且可以反復(fù)多次。若將氫氧化鈉的水溶液換成鹽酸溶液，可以做氯氣和氫氣的光照爆鳴實(shí)驗(yàn)[5]。

如果是電解飽和氯化鈉溶液，還會(huì)發(fā)現(xiàn)陽極的大頭針發(fā)生腐蝕，電解了三個(gè)循環(huán)、產(chǎn)生三次爆鳴氣體后，陽極大頭針質(zhì)量由0.0875克變?yōu)?.0564克，溶液中呈現(xiàn)綠色沉淀，應(yīng)該是氫氧化亞鐵轉(zhuǎn)變?yōu)闅溲趸F的中間產(chǎn)物。既然鐵鋅合金的大頭針在陽極發(fā)生了失去電子的氧化反應(yīng)，那為什么又能得到氫氣和氯氣的爆鳴氣體呢？這說明氯離子也在失去電子生成氯氣，即鐵的腐蝕和氯氣的生成是兼容的。但是在電解氫氧化鈉溶液時(shí)大頭針同樣充當(dāng)陰陽兩極，卻沒有發(fā)生明顯的腐蝕現(xiàn)象，這是由于電解飽和氯化鈉溶液時(shí)受到了氯離子效應(yīng)的作用。所謂“氯離子效應(yīng)”是指：“一些化學(xué)反應(yīng)中氯離子對(duì)金屬相所起的某些作用稱為氯離子效應(yīng)，在中學(xué)化學(xué)實(shí)驗(yàn)中涉及到氯離子效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)大致可分為三類，一為金屬相表面發(fā)生的置換反應(yīng);二為金屬相表面發(fā)生的吸氧腐蝕;三為能形成中心為金屬離子（或原子）、氯離子為配離子的配合物的相關(guān)反應(yīng)。[6]”

以上列舉了筆者在一線教學(xué)實(shí)踐中經(jīng)常操作的幾個(gè)爆鳴實(shí)驗(yàn)，認(rèn)為第三個(gè)方案更便捷安全，成功率高。在玻璃、鋼鐵、塑料容器中進(jìn)行實(shí)驗(yàn)并發(fā)生爆鳴，師生對(duì)塑料最為放心，塑料的韌性和柔軟性使得實(shí)驗(yàn)雖然劇烈，但能保證爆鳴實(shí)驗(yàn)成功且安全，讓學(xué)生心理上沒有恐懼感而放心。而且能拿在手上做，這增加了實(shí)驗(yàn)的趣味性，加上該實(shí)驗(yàn)消耗試劑微量化，爆鳴規(guī)模也小，爆鳴成功率又高。建議一線教師可以動(dòng)手一試并指導(dǎo)學(xué)生一起做該實(shí)驗(yàn)，共同感受爆鳴實(shí)驗(yàn)帶來的樂趣和收獲。

參考文獻(xiàn)：

[1]王程杰.燃燒條件“3+1”[J].化學(xué)教學(xué)， 2016，（1）： 49～54.

[2]孟憲慧.氯氣氫氣混合氣體爆鳴演示實(shí)驗(yàn)改進(jìn)與研究[J].新職教， 2000，（1）： 41.

[3]施明林.可燃性氣體爆炸實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新設(shè)計(jì)[R].廈門： 中國教育學(xué)會(huì)化學(xué)教學(xué)專業(yè)委員會(huì)， 2015： 317～318.

[4]杜淑賢主編.動(dòng)手學(xué)化學(xué)[M].上海： 上海教育出版社， 2015： 35.

[5]人民教育出版社編著.普通高中課程標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)教科書·實(shí)驗(yàn)化學(xué)[M].北京： 人民教育出版社， 2005： 8.

[6]王程杰.關(guān)注氯離子效應(yīng)在中學(xué)化學(xué)實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用[J].化學(xué)教學(xué)， 2015，（11）： 53～58.