“氫氣的制取與性質”系列實驗的新設計

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“氫氣的制取與性質”系列實驗的新設計

摘要：針對不同版本教材中氫氣的知識點編排相對零散，實驗孤立等問題，在分析一線教師已有研究的基礎上，找到實驗新設計的發(fā)展空間。介紹了利用塑料注射器自制隨制隨停的氣體發(fā)生裝置，并完成氫氣制取和性質的系列實驗。分析了實驗設計的創(chuàng)新之處，以期拓展一線教師實驗改進的視角。

關鍵詞：氫氣系列化;實驗改進;注射器;V型玻璃管

文章編號：1008-0546（2022）06x-0087-03中圖分類號：G632.41文獻標識碼：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2022.06x.023

“氫氣的制取和性質”實驗是初中化學三種常見氣體（氧氣、二氧化碳、氫氣）的制取與性質實驗之一，是學生認知和鞏固固液不加熱型氣體發(fā)生裝置、了解氣體性質的重要途徑。

一、系列實驗設計的緣起

1.教材中氫氣的相關內容與實驗

氫氣的有關知識與實驗在人教版、滬教版和魯教版等版本的教材中都有所涉及，歸納整理如下（見表1）[1][2][3][4][5]。

從表1中可以看出，不同版本教材中涉及氫氣的知識內容編排相對分散，跨度較大，書本上的相關實驗相對孤立。因此，設計一個氫氣的制取和性質的系列化實驗，既有助于學生形成系統(tǒng)化的知識結構，又有助于拓展學生對固液不加熱型氣體發(fā)生裝置的認知。

2.一線教師的已有研究

一線教師對“氫氣的制取和性質”實驗進行了不斷的探究與改進，主要集中在利用常規(guī)儀器對實驗改進（見圖1）[6]、利用自制裝置對實驗改進（見圖2、圖3）[7]以及微型化實驗（見圖4）[8]。

一線教師對實驗改進的研究豐富了課堂實驗的形式，促進了學生對知識的理解，同時也存在一些不足：

（1）利用常規(guī)儀器對實驗改進，氫氣還原氧化銅的實驗現(xiàn)象要2min左右才能觀察到，耗時較長。

（2）利用自制教具（長柄U形玻璃管）對實驗的改進，沒有將氫氣的制備進行整合，同時在管徑為12mm長柄U形玻璃管右端點燃氫氣持續(xù)燃燒，對藥品的需求量相當大。

（3）利用W型管的微型實驗，尖嘴導管處點燃氫氣，現(xiàn)象不明顯，不利于學生觀察;W型管做氫氣的性質反應裝置，實驗后很難清洗凈，不利于重復使用。

3.實驗新設計的發(fā)展空間

（1）自制裝置。可以自制簡便輕巧、可控制反應開始和結束的發(fā)生裝置，方便教師連堂教學。

（2）系統(tǒng)整合?？梢酝ㄟ^實驗過程的系列化設計將氫氣的制備及相關物理性質、化學性質進行系統(tǒng)整合。

（3）拓展視野。可以從氫氣還原氧化銅，拓展到氫氣還原氧化鐵。從實驗過程中固體顏色變化形成對比，增強學生對原理的理解，也為之后學習工業(yè)煉鐵做好鋪墊。

二、新設計的裝置與實驗步驟

1.新設計的裝置

（1）氣體發(fā)生裝置

取一支150mL（可根據(jù)實際需要選擇不同規(guī)格）的塑料注射器，將注射器活塞上的橡皮圈取下剪出若干豁口（豁口用于反應開始時固液接觸，橡皮圈用于反應結束時固液分離），在橡皮圈反面系上一根銅絲，方便實驗后將橡皮圈取出（見圖5）。另取相同大小的塑料注射器，先塞上圖5特制的橡皮圈，再塞上活塞（如圖6）。

（2）氫氣還原金屬氧化物的實驗裝置

取一根內徑為6mm的玻璃管，固定在鐵架臺上，兩端分別用乳膠管連接兩根內徑為6mm的石英V型玻璃管，具體如圖7所示。

2.實驗用品

儀器：鐵架臺（含鐵夾）、一次性醫(yī)用塑料注射器（150mL）2支、止水夾1個、銅絲（一截）、石英V型玻璃管（內徑6mm）2根、玻璃管（內徑6mm，長度8-10cm）1根、酒精燈2個、點火槍1個、乳膠管若干、燒杯1個、導管1根、尖嘴玻璃管1根、電蚊拍、藥匙2個、紙槽。

藥品及試劑：鋅粒、30%鹽酸、肥皂水、微米氧化銅（粒徑10um）、微米氧化鐵（粒徑10um）、水。

3.實驗過程

（1）檢查裝置氣密性

連接好儀器，打開止水夾，推動注射器活塞，觀察燒杯中導管口有無氣泡產生。

（2）制取并儲存氫氣

取出注射器活塞和特制橡皮塞，向前端連有乳膠管的注射器中加入10g左右鋅粒，塞上特制橡皮塞，再塞上注射器活塞，抽取適量30%的鹽酸，將注射器口朝上，推動注射器活塞排出裝置中空氣后，用彈簧夾夾住乳膠管，倒置注射器。此時，鋅粒與鹽酸接觸發(fā)生反應生成氫氣并儲存于注射器內。

（3）氫氣的密度比較、氫氣的驗純與燃燒

翻轉注射器，鋅粒與鹽酸分離反應停止。打開彈簧夾，用乳膠管蘸取少量肥皂水，推動注射器活塞排出氫氣，在乳膠管口形成一個肥皂泡，用嘴吹走肥皂泡，驗證氫氣的密度比空氣小。啟動電蚊拍，用手揮動，捕捉在空氣中飄動的肥皂泡，根據(jù)發(fā)出聲音的大小驗證氫氣的純度。在乳膠管口插入帶尖嘴的玻璃導管，繼續(xù)推動注射器活塞，在尖嘴導管口點燃氫氣，并在火焰上方罩一個干冷的小燒杯，觀察火焰和燒杯內壁。

（4）氫氣還原氧化銅和氧化鐵

向石英V型玻璃管中分別加入微量氧化銅粉末和氧化鐵粉末。重新倒置注射器，再收集適量氫氣，將收集好氫氣的注射器與還原反應裝置連接，如圖8所示。10s左右能觀察到固體顏色發(fā)生改變。熄滅酒精燈，將注射器活塞推到底部鋅粒再一次與鹽酸接觸，持續(xù)產生氫氣至固體冷卻。

（5）檢驗生成的產物

繼續(xù)推動注射器活塞，將反應后的余酸注入石英V型玻璃管，觀察兩個V型玻璃管中有無氣泡產生。

三、實驗設計的創(chuàng)新之處

1.整合性強

“氫氣的制取與性質”實驗的新設計將氫氣的制備、氫氣的密度比較、氫氣的驗純、氫氣的燃燒以及氫氣還原氧化銅和氧化鐵等實驗進行了系統(tǒng)地整合，有助于學生整體建構知識體系。

2.節(jié)約藥品

自制的氫氣發(fā)生裝置，通過上下顛倒注射器可控制反應的開始和停止，從而節(jié)約藥品。還原反應在內徑6mm的石英玻璃管中進行，反應物藥品用量較少，產物可以回收使用。

3.安全性高

通過觀察注射器的刻度，可以較準確地控制產生氫氣的量。使用的氧化銅和氧化鐵粉末粒徑較小，都是微米級的，普通酒精燈就可滿足反應條件，安全性高。

4.適宜推廣

自制的氣體發(fā)生裝置制作簡單、不易破碎且成本低，實驗操作過程也簡便安全，適宜將教師演示實驗推廣為學生分組實驗。

5.裝置多用

該自制發(fā)生裝置不僅適用于實驗室制取氫氣，也適用于初中階段實驗室制取二氧化碳、氧氣等固液不加熱型的實驗。

參考文獻

[1]人民教育出版社，課程教材研究所，化學課程教材研究開發(fā)中心.義務教育教科書（化學九年級上冊）[M].北京：人民教育出版社，2022.

[2]王祖浩.義務教育教科書·化學（九年級上冊）[M].上海：上海教育出版社，2022.

[3]王祖浩.義務教育教科書·化學（九年級下冊）[M].上海：上海教育出版社，2022.

[4]畢華林.義務教育教科書·化學（九年級上冊）[M].山東：山東教育出版社，2022.

[5]畢華林.義務教育教科書·化學（九年級下冊）[M].山東：山東教育出版社，2022.

[6]潘國榮，李文勇.氫氣制取和性質實驗的改進與建議[J].化學教學，2022（