李德前 魏海 甘磊 朱玉忠

摘要： 借助長(zhǎng)柄U形玻璃管的特殊結(jié)構(gòu)，改進(jìn)氫氣吹肥皂泡、氫氣驗(yàn)純、燃燒及爆炸、氫氣還原氧化銅等實(shí)驗(yàn)。改進(jìn)后的氫氣性質(zhì)實(shí)驗(yàn)，增加了趣味性和安全性，顯著提高了實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果。

關(guān)鍵詞： 長(zhǎng)柄U形玻璃管; 氫氣性質(zhì)實(shí)驗(yàn); 實(shí)驗(yàn)改進(jìn)

文章編號(hào)： 10056629（2019）9007505? ? ? ? ? ? 中圖分類號(hào)： G633.8? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： B

長(zhǎng)柄U形玻璃管是將玻璃管的一端彎曲成U形（如圖1所示），具體應(yīng)用時(shí)玻璃管的粗細(xì)、長(zhǎng)短及U形管的寬度可以結(jié)合具體實(shí)驗(yàn)而靈活選擇。筆者在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，借助長(zhǎng)柄U形玻璃管對(duì)有關(guān)氫氣的性質(zhì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了一系列優(yōu)化，取得了顯著的實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果。

1? 氫氣吹肥皂泡實(shí)驗(yàn)

原人教版義務(wù)教育初三化學(xué)教科書(shū)及現(xiàn)行粵教版九年級(jí)化學(xué)教科書(shū)中利用氫氣流吹肥皂泡實(shí)驗(yàn)[1～2]（裝置見(jiàn)圖2），其不足之處是氣泡不易吹大，而且容易破裂。我們借助長(zhǎng)柄U形玻璃管吹出的氫氣泡，既大又結(jié)實(shí)。

1.1? 實(shí)驗(yàn)用品

長(zhǎng)柄U形玻璃管（管徑為8mm的普通玻璃管制成，容積約30mL）、單孔橡皮塞、鐵架臺(tái)（含鐵夾）、兒童吹泡器（截取前端）、注射器;氫氣（提前制?。?、吹泡液（自行配制）

1.2? 實(shí)驗(yàn)裝置

新設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)裝置見(jiàn)圖3。

1.3? 實(shí)驗(yàn)步驟及現(xiàn)象

（1） 為了得到較大且不易破裂的氫氣泡，需要提前配制吹泡液，即向10mL蒸餾水中滴入2mL洗潔精、4mL文具膠水與2mL甘油，然后攪拌均勻[3]。

（2） 截取兒童吹泡器前端，將其接到U形管的管口上，然后將足量的吹泡液注入U(xiǎn)形管中。再按圖3所示，連好實(shí)驗(yàn)裝置（確保氣密性良好）。

（3） 輕推注射器活栓，向長(zhǎng)柄U形玻璃管里緩緩?fù)ㄈ霘錃?。由于玻璃管里本?lái)充滿空氣，因此一開(kāi)始形成的是空氣泡，該氣泡離開(kāi)U形管口后會(huì)較快地下沉。

（4） 繼續(xù)向玻璃管里緩緩?fù)迫霘錃?，可以觀察到，在U形管口形成的氣泡不斷增大;當(dāng)氣泡大小合適時(shí)，停止通氣，然后用氣唧（距離氣泡大約10cm左右）對(duì)著氣泡鼓氣，氣泡就會(huì)迅速離開(kāi)U形管口，并快速飛向空中，如果在陽(yáng)光下還能看到氫氣泡上出現(xiàn)七彩條紋。當(dāng)上一個(gè)氫氣泡飛走后，再繼續(xù)通入氫氣，下一個(gè)氫氣泡又立刻出現(xiàn)，并不斷增大，等到氣泡大小合適時(shí)再用氣唧吹走氫氣泡（如此反復(fù)，即可不斷吹出氫氣泡）[4]。引導(dǎo)學(xué)生對(duì)比空氣泡與氫氣泡在空氣中的運(yùn)動(dòng)情況，得出“氫氣密度小于空氣”的結(jié)論。

（5） 也可以使用一個(gè)直流小風(fēng)扇對(duì)著U形管口不停地吹風(fēng)（當(dāng)然氫氣要不間斷地緩緩?fù)迫耄?，這樣就能連續(xù)快速地吹出氫氣泡，只是形成的氫氣泡不夠大。建議不要用嘴去吹氣泡，一來(lái)不雅，二來(lái)氣流不穩(wěn)（吹力過(guò)大則氣泡容易破裂，吹力過(guò)小則氣泡難以飛走）。

（6） 還可以借助于鑷子（先將鑷子尖端在吹泡液中浸濕一下）直接將氫氣泡輕輕夾走（氣泡同樣不會(huì)破裂），然后松開(kāi)鑷子，氫氣泡即刻快速上升。

（7） 此處若要引燃?xì)錃馀?，可以在氫氣泡上升的過(guò)程中，借助于電子打火槍（或電蚊拍）將氫氣泡引燃，并產(chǎn)生爆鳴聲;不停地?fù)舸蛞粋€(gè)一個(gè)的氫氣泡，就會(huì)連續(xù)發(fā)出“啪啪”聲，有如燃放鞭炮，不僅有視覺(jué)效果，還有聽(tīng)覺(jué)刺激。這從化學(xué)性質(zhì)（可燃性）證明，氣泡中的氣體確實(shí)是氫氣。

（8） 實(shí)驗(yàn)結(jié)束，整理實(shí)驗(yàn)藥品。

1.4? 實(shí)驗(yàn)優(yōu)點(diǎn)

（1） 兒童吹泡器前端是帶有濃密紋路的塑料圓圈，可以吸附較多的吹泡液。將大小合適的兒童吹泡器前端套在長(zhǎng)柄U形玻璃管的管口，就能吹出較大的氫氣泡。使用自制的黏性吹泡液，吹出的氫氣泡表面張力較小[5]，能使氣泡穩(wěn)定、不易炸裂。因此，提高了實(shí)驗(yàn)的成功率。

（2） 該實(shí)驗(yàn)通過(guò)推動(dòng)注射器活栓控制氫氣流，可以隨時(shí)掌控氫氣泡的形成速度及大小。另外，氫氣無(wú)需干燥，也簡(jiǎn)化了實(shí)驗(yàn)操作。

（3） 該裝置增強(qiáng)了實(shí)驗(yàn)的趣味性，激發(fā)了學(xué)生學(xué)習(xí)化學(xué)的好奇心。

2? 氫氣的驗(yàn)純、燃燒及爆炸實(shí)驗(yàn)

原人教版義務(wù)教育初三化學(xué)教科書(shū)及現(xiàn)行人教版、粵教版、滬教版（上海地區(qū)使用）、仁愛(ài)版、魯教版九年級(jí)化學(xué)教科書(shū)，浙教版八年級(jí)科學(xué)教科書(shū)中，都編排了氫氣的驗(yàn)純、燃燒與爆炸等實(shí)驗(yàn)[6～12]。

上述各版教科書(shū)有關(guān)檢驗(yàn)氫氣純度的實(shí)驗(yàn)都是利用向下排空氣法將氫氣收集在小試管里，然后進(jìn)行點(diǎn)火、聽(tīng)聲（見(jiàn)圖4）。其實(shí)這樣無(wú)法知曉氫氣是否集滿，接下來(lái)再根據(jù)點(diǎn)火時(shí)產(chǎn)生的爆鳴聲強(qiáng)弱去判斷氫氣是否純凈，其結(jié)論也是不可靠的，甚至存在安全隱患。

另外，氫氣的燃燒實(shí)驗(yàn)，也很難觀察到淡藍(lán)色火焰（多是玻璃管中鈉元素引起的黃色火焰），這勢(shì)必降低了實(shí)驗(yàn)的可信度。

有關(guān)氫氣爆炸的實(shí)驗(yàn)也都是直接用燃著的短木條去點(diǎn)燃容器內(nèi)的氫氣（見(jiàn)圖5），這使不少的操作者心有余悸;如果爆炸聲強(qiáng)烈，又會(huì)給學(xué)生帶來(lái)恐懼感，從而影響學(xué)生后續(xù)的化學(xué)實(shí)驗(yàn)活動(dòng)。

經(jīng)過(guò)改進(jìn)，我們利用石英材質(zhì)的長(zhǎng)柄U形玻璃管，將氫氣的驗(yàn)純、燃燒及爆炸實(shí)驗(yàn)融為一體，現(xiàn)象直觀，爆炸強(qiáng)度適當(dāng)，安全可靠，操作簡(jiǎn)便。

2.1? 實(shí)驗(yàn)用品

長(zhǎng)柄U形玻璃管（管徑為12mm的石英玻璃管制成，容積約35mL）、單孔橡皮塞、鐵架臺(tái)（含鐵夾）、火柴、酒精燈;氫氣、水

2.2? 實(shí)驗(yàn)裝置

新設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)裝置見(jiàn)圖6。

2.3? 實(shí)驗(yàn)操作及現(xiàn)象

（1） 在長(zhǎng)柄U形玻璃管的U形管里倒入適量的水（液面達(dá)到U形管的一半即可），然后按圖6連好實(shí)驗(yàn)裝置（確保氣密性良好）。

（2） 打開(kāi)氫氣發(fā)生裝置（或氫氣儲(chǔ)氣囊）的旋塞，緩緩?fù)ㄈ霘錃?。氫氣通過(guò)水的阻隔從U形管口流出。

（3） 稍后用火柴在U形管口點(diǎn)燃（注意提醒學(xué)生做好有驚無(wú)險(xiǎn)的心理準(zhǔn)備），若產(chǎn)生尖銳的爆鳴聲，說(shuō)明氫氣不純，其體積分?jǐn)?shù)在4%～74.2%的爆炸極限內(nèi)。不過(guò)，由于U形管內(nèi)水的阻隔，爆炸僅會(huì)發(fā)生一次，而且絕不會(huì)引爆氫氣發(fā)生裝置。

（4） 3～5秒后再次在U形管口點(diǎn)燃?xì)錃?，一般都能安靜燃燒，說(shuō)明氫氣較純（其體積分?jǐn)?shù)高于74.2%）。

（5） 在氫氣安靜燃燒時(shí)，可以在火焰后面襯托一個(gè)黑色的紙板，有利于師生清晰觀察到氫氧焰為淡藍(lán)色。再將一個(gè)干冷的小燒杯罩在火焰上，則燒杯內(nèi)壁很快出現(xiàn)大量的水霧。

（6） 實(shí)驗(yàn)結(jié)束，整理實(shí)驗(yàn)用品。

2.4? 實(shí)驗(yàn)優(yōu)點(diǎn)

（1） 實(shí)驗(yàn)將氫氣驗(yàn)純、燃燒及爆炸融為一體，簡(jiǎn)化了實(shí)驗(yàn)操作。該裝置還能用于一氧化碳、甲烷等可燃性氣體的驗(yàn)純、燃燒和爆炸等實(shí)驗(yàn)，因此應(yīng)用范圍較廣。

（2） 該裝置具有防爆作用，因此無(wú)需刻意去檢驗(yàn)氫氣純度[13]。只要通入氫氣后，就可以放心點(diǎn)燃，若發(fā)生爆鳴，就相當(dāng)于演示了氫氣爆炸實(shí)驗(yàn)，同時(shí)驗(yàn)證了氫氣純度;若安靜地燃燒，就相當(dāng)于做了氫氣燃燒實(shí)驗(yàn)，同時(shí)也包含了氫氣的驗(yàn)純操作。

（3） 該實(shí)驗(yàn)既讓學(xué)生感到驚險(xiǎn)、刺激，又能降低他們對(duì)爆炸的恐懼心理，有利于激發(fā)學(xué)生熱愛(ài)化學(xué)、探究科學(xué)的欲望。該實(shí)驗(yàn)的可操作性強(qiáng)，能使更多的化學(xué)教師輕松完成燃?xì)獾尿?yàn)純、燃燒、爆炸等一系列演示實(shí)驗(yàn)。

（4） 此實(shí)驗(yàn)有利于學(xué)生進(jìn)一步認(rèn)識(shí)燃燒和爆炸的條件，體會(huì)到燃燒與爆炸的重要性與可控性，從而提高他們抵御科學(xué)風(fēng)險(xiǎn)的意識(shí)[14]。

（5） 使用石英玻璃管，排除了氫氣燃燒過(guò)程中鈉元素的干擾，真正看到了淡藍(lán)色的氫氧焰，增強(qiáng)了實(shí)驗(yàn)的實(shí)證性。

3? 氫氣還原氧化銅實(shí)驗(yàn)

原人教版義務(wù)教育初三化學(xué)教科書(shū)及現(xiàn)行滬教版（上海地區(qū)使用）九年級(jí)化學(xué)教科書(shū)中，都安排了氫氣還原氧化銅實(shí)驗(yàn)[15， 16]（見(jiàn)圖7）。進(jìn)行該實(shí)驗(yàn)時(shí)，為了確保安全，必須先向玻璃管內(nèi)通一會(huì)兒氫氣以排盡其中的空氣，然后加熱氧化銅，但空氣有沒(méi)有排盡、何時(shí)排盡，則無(wú)法直觀感知。很多教師課堂演示時(shí)為了確保安全，都是較長(zhǎng)時(shí)間地通入氫氣，這又增加了藥品的用量[17]。另外，將較多的沒(méi)有反應(yīng)的氫氣直接排入室內(nèi)，也有安全隱患，畢竟氫氣的爆炸極限很寬泛。

筆者利用長(zhǎng)柄U形玻璃管對(duì)該實(shí)驗(yàn)進(jìn)行定量化設(shè)計(jì)，可以直觀地發(fā)現(xiàn)空氣是否排盡，并將尾氣進(jìn)行收集、處理。

3.1? 實(shí)驗(yàn)用品

長(zhǎng)柄U形玻璃管（管徑約10mm的石英玻璃管制成，容積約30mL）、酒精燈、鐵架臺(tái)（含鐵夾）、100mL注射器（保留金屬針頭）、小氣球、藥匙（或剪成斜口的飲料吸管）;氧化銅粉末、氫氣（貯存在100mL注射器內(nèi)）、無(wú)水硫酸銅

3.2? 實(shí)驗(yàn)裝置

新設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)裝置見(jiàn)圖8。

3.3? 實(shí)驗(yàn)操作及現(xiàn)象

（1） 提前制取氫氣，然后將其吸入100mL注射器內(nèi)（再將注射器針頭扎入橡皮塞中封閉），備用。

（2） 使用剪成斜口的塑料吸管，將少許氧化銅粉末送入U(xiǎn)形玻璃管內(nèi)，并平鋪于管底;借助于藥匙的小匙，將少量白色的無(wú)水硫酸銅粉末送入長(zhǎng)柄U形玻璃管的直管內(nèi)，并平鋪于直管中部，然后將一個(gè)小氣球套在長(zhǎng)柄U形玻璃管直管的出口。

（3） 如圖8所示，連好整個(gè)實(shí)驗(yàn)裝置（確保氣密性良好）。

（4） 緩慢推動(dòng)注射器活栓，向長(zhǎng)柄U形玻璃管里通入氫氣，由于氫氣密度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于空氣，因而氫氣能在U形管的左支管內(nèi)自上而下較為徹底地趕走空氣（空氣會(huì)進(jìn)入小氣球內(nèi)）。當(dāng)推入玻璃管內(nèi)的氫氣達(dá)到30mL時(shí)，說(shuō)明長(zhǎng)柄U形玻璃管內(nèi)的空氣已基本排盡[18]。

（5） 接著點(diǎn)燃酒精燈，利用其外焰預(yù)熱U形管底部，然后對(duì)準(zhǔn)氧化銅粉末加熱，并繼續(xù)緩緩地向玻璃管內(nèi)推入氫氣。當(dāng)加熱到50秒左右時(shí)，氧化銅粉末逐漸由黑變紅;當(dāng)加熱到100秒左右時(shí)，黑色固體全部變?yōu)槊黠@的紅色固體，小氣球也變大了一些，且玻璃管內(nèi)壁附著大量無(wú)色液體，白色無(wú)水硫酸銅也部分變藍(lán)。

（6） 熄滅酒精燈，停止加熱，稍后停止通入氫氣。

（7） 等到玻璃管恢復(fù)到室溫后，取下小氣球，點(diǎn)燃其中的尾氣，能夠聽(tīng)到劇烈的爆鳴聲，說(shuō)明小氣球內(nèi)是混有空氣的氫氣（也再次演示了氫氣爆炸實(shí)驗(yàn)）。

（8） 取少許還原出來(lái)的紅色粉末裝入小試管內(nèi)，倒入足量的稀硫酸，振蕩，如果沒(méi)有明顯的變化，說(shuō)明還原產(chǎn)物全部是銅;如果紅色固體有殘留且出現(xiàn)藍(lán)色溶液，說(shuō)明還原產(chǎn)物中既有銅又有氧化亞銅。

（9） 實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，整理實(shí)驗(yàn)用品。

3.4? 實(shí)驗(yàn)優(yōu)點(diǎn)

（1） 通過(guò)巧妙的定量化設(shè)計(jì)，能及時(shí)發(fā)現(xiàn)長(zhǎng)柄U形玻璃管內(nèi)的空氣是否排完，因此提高了實(shí)驗(yàn)的安全性和可操作性。

（2） 氫氣的用量明顯減少，因此提高了實(shí)驗(yàn)的簡(jiǎn)約性。

（3） 增加了尾氣收集裝置，能強(qiáng)化師生的安全意識(shí)。

（4） 本實(shí)驗(yàn)含有定量操作，有利于培養(yǎng)學(xué)生的定量思維[19]。

4? 結(jié)束語(yǔ)

長(zhǎng)柄U形玻璃管是直管與U形管無(wú)縫組合的微型儀器，其特殊構(gòu)造決定了它具有一器多用的功能，為我們改進(jìn)化學(xué)實(shí)驗(yàn)搭建了很好的思維平臺(tái)，為改變實(shí)驗(yàn)儀器激發(fā)了靈感。實(shí)踐證明，長(zhǎng)柄U形玻璃管具有較強(qiáng)的實(shí)用性和普適性，有良好的推廣價(jià)值。

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