“氢气的制取与性质”系列实验的新设计

吴旖旎　吴永才

摘要：针对不同版本教材中氢气的知识点编排相对零散，实验孤立等问题，在分析一线教师已有研究的基础上，找到实验新设计的发展空间。介绍了利用塑料注射器自制随制随停的气体发生装置，并完成氢气制取和性质的系列实验。分析了实验设计的创新之处，以期拓展一线教师实验改进的视角。

关键词：氢气系列化;实验改进;注射器;V型玻璃管

文章编号：1008-0546（2022）06x-0087-03   中图分类号：G632.41   文献标识码： B

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

“氢气的制取和性质”实验是初中化学三种常见气体（氧气、二氧化碳、氢气）的制取与性质实验之一，是学生认知和巩固固液不加热型气体发生装置、了解气体性质的重要途径。

一、系列实验设计的缘起

1.教材中氢气的相关内容与实验

氢气的有关知识与实验在人教版、沪教版和鲁教版等版本的教材中都有所涉及，归纳整理如下（见表1）[1][2][3][4][5]。

从表1中可以看出，不同版本教材中涉及氢气的知识内容编排相对分散，跨度较大，书本上的相关实验相对孤立。因此，设计一个氢气的制取和性质的系列化实验，既有助于学生形成系统化的知识结构，又有助于拓展学生对固液不加热型气体发生装置的认知。

2.一线教师的已有研究

一线教师对“氢气的制取和性质”实验进行了不断的探究与改进，主要集中在利用常规仪器对实验改进（见图1）[6]、利用自制装置对实验改进（见图2、图3）[7]以及微型化实验（见图4）[8]。

一线教师对实验改进的研究丰富了课堂实验的形式，促进了学生对知识的理解，同时也存在一些不足：

（1）利用常规仪器对实验改进，氢气还原氧化铜的实验现象要2min左右才能观察到，耗时较长。

（2）利用自制教具（长柄 U 形玻璃管）对实验的改进，没有将氢气的制备进行整合，同时在管径为12 mm 长柄U形玻璃管右端点燃氢气持续燃烧，对药品的需求量相当大。

（3）利用 W 型管的微型实验，尖嘴导管处点燃氢气，现象不明显，不利于学生观察;W型管做氢气的性质反应装置，实验后很难清洗净，不利于重复使用。

3.实验新设计的发展空间

（1）自制装置。可以自制简便轻巧、可控制反应开始和结束的发生装置，方便教师连堂教学。

（2）系统整合。可以通过实验过程的系列化设计将氢气的制备及相关物理性质、化学性质进行系统整合。

（3）拓展视野。可以从氢气还原氧化铜，拓展到氢气还原氧化铁。从实验过程中固体颜色变化形成对比，增强学生对原理的理解，也为之后学习工业炼铁做好铺垫。

二、新设计的装置与实验步骤

1.新设计的装置

（1）气体发生装置

取一支150 mL（可根据实际需要选择不同规格）的塑料注射器，将注射器活塞上的橡皮圈取下剪出若干豁口（豁口用于反应开始时固液接触，橡皮圈用于反应结束时固液分离），在橡皮圈反面系上一根铜丝，方便实验后将橡皮圈取出（见图5）。另取相同大小的塑料注射器，先塞上图5特制的橡皮圈，再塞上活塞（如图6）。

（2）氢气还原金属氧化物的实验装置

取一根内径为6 mm 的玻璃管，固定在铁架台上，两端分别用乳胶管连接两根内径为6 mm 的石英V型玻璃管，具体如图7所示。

2.实验用品

仪器：铁架台（含铁夹）、一次性医用塑料注射器（150 mL）2支、止水夹1个、铜丝（一截）、石英V型玻璃管（内径6 mm）2根、玻璃管（内径6 mm，长度8-10 cm）1根、酒精灯2个、点火枪1个、乳胶管若干、烧杯1个、导管1根、尖嘴玻璃管1根、电蚊拍、药匙2个、纸槽。

药品及试剂：锌粒、30%盐酸、肥皂水、微米氧化铜（粒径10 um）、微米氧化铁（粒径10 um）、水。

3.实验过程

（1）检查装置气密性

连接好仪器，打开止水夹，推动注射器活塞，观察烧杯中导管口有无气泡产生。

（2）制取并储存氢气

取出注射器活塞和特制橡皮塞，向前端连有乳胶管的注射器中加入10 g 左右锌粒，塞上特制橡皮塞，再塞上注射器活塞，抽取适量30%的盐酸，将注射器口朝上，推动注射器活塞排出装置中空气后，用弹簧夹夹住乳胶管，倒置注射器。此时，锌粒与盐酸接触发生反应生成氢气并储存于注射器内。

（3）氢气的密度比较、氢气的验纯与燃烧

翻转注射器，锌粒与盐酸分离反应停止。打开弹簧夹，用乳胶管蘸取少量肥皂水，推动注射器活塞排出氢气，在乳胶管口形成一个肥皂泡，用嘴吹走肥皂泡，验证氢气的密度比空气小。启动电蚊拍，用手挥动，捕捉在空气中飘动的肥皂泡，根据发出声音的大小验证氢气的纯度。在乳胶管口插入带尖嘴的玻璃导管，继续推动注射器活塞，在尖嘴导管口点燃氢气，并在火焰上方罩一个干冷的小烧杯，观察火焰和烧杯内壁。

（4）氢气还原氧化铜和氧化铁

向石英V 型玻璃管中分别加入微量氧化铜粉末和氧化铁粉末。重新倒置注射器，再收集适量氢气，将收集好氢气的注射器与还原反应装置连接，如图8所示。10 s左右能观察到固体颜色发生改变。熄灭酒精灯，将注射器活塞推到底部锌粒再一次与盐酸接触，持续产生氢气至固体冷却。

（5）检验生成的产物

继续推动注射器活塞，將反应后的余酸注入石英 V型玻璃管，观察两个V型玻璃管中有无气泡产生。

三、实验设计的创新之处

1.整合性强

“氢气的制取与性质”实验的新设计将氢气的制备、氢气的密度比较、氢气的验纯、氢气的燃烧以及氢气还原氧化铜和氧化铁等实验进行了系统地整合，有助于学生整体建构知识体系。

2.节约药品

自制的氢气发生装置，通过上下颠倒注射器可控制反应的开始和停止，从而节约药品。还原反应在内径6 mm 的石英玻璃管中进行，反应物药品用量较少，产物可以回收使用。

3.安全性高

通过观察注射器的刻度，可以较准确地控制产生氢气的量。使用的氧化铜和氧化铁粉末粒径较小，都是微米级的，普通酒精灯就可满足反应条件，安全性高。

4.适宜推广

自制的气体发生装置制作简单、不易破碎且成本低，实验操作过程也简便安全，适宜将教师演示实验推广为学生分组实验。

5.装置多用

该自制发生装置不仅适用于实验室制取氢气，也适用于初中阶段实验室制取二氧化碳、氧气等固液不加热型的实验。

参考文献

[1]人民教育出版社，课程教材研究所，化学课程教材研究开发中心.义务教育教科书（化学九年级上册）[M].北京：人民教育出版社，2012.

[2]王祖浩.义务教育教科书·化学（九年级上册）[M].上海：上海教育出版社，2012.

[3]王祖浩.义务教育教科书·化学（九年级下册）[M].上海：上海教育出版社，2012.

[4]毕华林.义务教育教科书·化学（九年级上册）[M].山东：山东教育出版社，2012.

[5]毕华林.义务教育教科书·化学（九年级下册）[M].山东：山东教育出版社，2012.

[6]潘国荣，李文勇.氢气制取和性质实验的改进与建议[J].化学教学，2016（11）：67-70.

[7]李德前，魏海.借助长柄 U 形玻璃管改进氢气性质实验[J].化学教学，2019（9）：75-79.

[8]周洁.氢气制取与性质一体化微型实验研究报告[J].化学教与学，2019（6）：78-79.896B24FD-4613-405E-AB77-C755AE2E895D