创新设计“氢气的化学性质”多合一实验装置

摘要

利用T形导管、不锈钢尖嘴、废旧木料等材料，自制多合一实验装置，从而将氢气的检验与燃烧、氢气还原氧化铜等实验整合到一起。其优点表现为：采用加大氢气流量的方法，使氢气燃烧时的火焰呈现淡蓝色；改进氢气还原氧化铜实验，不仅实验耗时短，而且安全性高、可观察性强。

Graphical abstract

关键词

氢气 / 燃烧 / 氧化铜 / 多合一实验装置

在浙教版初中科学教材中，涉及“氢气的化学性质”的实验包括氢气的检验和燃烧、氢气还原氧化铜等。在教学实践中，往往会遇到现象与理论不符、不便操作、耗时较长等“疑难问题”。针对上述问题，笔者设计并制作了一套多合一实验装置，有效解决了上述实验问题。

1 教材实验存在的问题及分析

1.1 氢气燃烧火焰呈黄色且火焰偏小

（1） 在浙教版科学八年级上册“水的电解”实验中，学生第一次接触到氢气燃烧，该内容后续在九年级化学学习中会再次学到。理论上：纯净的氢气可以在空气中安静地燃烧，产生淡蓝色火焰。实际上：在教学实践中，氢气燃烧时的火焰呈黄色，与理论不符，教师往往要加以解释。主要原因：受到燃烧生成的高温水蒸气、钠元素的焰色反应、氢气中混入水蒸气等因素的影响。对此，已有同行进行了深入研究^［1-2］。

（2） 常规实验操作获得的氢气流量较小，燃烧时的火焰一般只有黄豆粒大小，不便于观察。为此，笔者将燃烧实验装置整合为多合一装置，采用增大氢气流量的方法，遂使火焰变大且呈现蓝色。

1.2 氢气还原氧化铜可操作性不强且时间成本高

（1） 如图1所示，该实验装置为教材给出的氢气还原氧化铜实验装置，玻璃导管和试管都要用铁架台夹持，组装及移动不方便。

（2） 教材实验所用药品为氧化铜粉末，且用量较多，实验结束后的含铜固体难以回收并再利用，试管清洗难度大。

（3） 若按教材实验方案，则出现“黑色粉末变成光亮的红色物质”现象所需时间较长，导致学生需要等待一段时间才能观察到实验现象。

该实验在课前会耗费教师不少时间和精力，在课堂上会消耗学生不少“等待时间”，操作不简便、时间成本高。为解决问题，笔者将该实验装置整合到多合一装置中，实现了进一步的优化改进。

2 多合一实验装置的创新设计与实验分析

2.1 多合一实验装置的创新设计

（1） 用废旧木料制作一张小板凳；预先在木板上开两个孔，孔径略小于单孔橡皮塞，使橡皮塞刚好可以塞入孔中；再用单孔橡皮塞固定A、B两处玻璃导管。

（2） 用橡皮导管将“T”形玻璃导管、直角导管、直导管连接成如图2-a所示的气体通道，其中K₁、K₂为止水夹。

（3） 在A处导管口用耐热玻璃胶粘一个直径为2 mm的不锈钢尖嘴（小板凳的“凳脚”未画出）。

A处导管的不锈钢尖嘴，可完成氢气的燃烧、氢气还原氧化铜等实验；B处玻璃导管可完成氢气收集、验纯等实验，同时也作为预留的拓展口，左侧氢气入口处与氢气发生装置启普发生器相连。实验装置实物如图2-b所示。

2.2 基于多合一实验装置的实验改进与创新

（1） 氢气燃烧实验分析与改进。

氢气燃烧实验分析：在教学实践中，许多同行都无法呈现氢气燃烧实验的“淡蓝色火焰”，理论与现象不符。因此，教师需要加以解释，学生只能被动接受。

刘畅等^［1］分析认为，当氢气流量较小时，因燃烧时火焰温度偏低而使火焰呈黄色，采用了将燃烧产生的水蒸气液化的方法以减少能量散失，从而提高火焰温度，使火焰呈淡蓝色。设计的实验装置是为了减少散热。李敬亮等^［2］分析认为，燃烧越剧烈，温度越高，黄色火焰越明显，采用降低氢气流速的方法使燃烧温度降低，则火焰呈淡蓝色。设计的实验装置是为了加快水蒸气扩散和散热。

前者设计思路是为了减少散热，后者设计思路是为了加快散热，尽管解决路径不同，但他们的实验装置存在的共性问题是火焰太小，不便于观察。

氢气燃烧实验的改进：保留启普发生器作为氢气发生装置，利用多合一实验装置的不锈钢尖嘴点燃氢气。氢气燃烧实验的药品用量及实验现象如表1所示。

经实验测试发现：在制取氢气时，若增加稀硫酸浓度并加入少量铜片，则可使反应速率明显增大；随着氢气流量的增大，火焰变大、颜色呈淡蓝色。当硫酸稀释比例（V_硫酸∶V_水）达到1∶2并加入少量铜片时，氢气燃烧火焰达到蚕豆大小，火焰颜色呈明显的淡蓝色，尤其是火焰中部及以下区域，但火焰的上部依然能看到黄色。笔者认为火焰上部的焰色偏黄色主要是受到水蒸气以及其他杂质的干扰。

气流增大后火焰变大，可观察性强。教师在课堂演示中能够呈现出符合理论描述的“淡蓝色火焰”，这一直观现象为学生理解“氢气燃烧产生淡蓝色火焰”的化学性质提供了有力的实证支持，有助于学生基于观察事实建立正确的科学认知。

（2） 氢气还原氧化铜实验分析与改进。

氢气还原氧化铜实验分析：氢气还原氧化铜实验是浙教版科学九年级上册的重点实验，实验装置如图1所示。在实际应用中，该实验存在以下不足：夹持该实验装置的铁架台需两个（图中夹持玻璃导管的铁架台未画出），组装及移动不方便；操作流程较为烦琐，加热前后均需持续通入氢气一段时间，且现象出现缓慢，导致整个实验耗时过长，影响课堂教学效率。

对于该实验，同行亦有许多改进，其中有针对“微型化”设计的改进思路^［3-4］。一方面，微型化设计虽然减少了药品用量，但实验现象的可观察性不强，不利于课堂演示；另一方面，实验所用仪器往往结构特殊或复杂，非实验室常规配备的仪器，于同行而言可复制性不强。忻章伟等^［5］采用将氧化铜粉末预先涂覆在玻璃管内壁，在加热条件下往玻璃管中通入氢气的方法还原氧化铜。其设计思路与教材实验一致：在持续加热条件下，氧化铜在氢气氛围中被还原。然而，上述改进方案及原教材实验均存在一个共性问题——在还原过程中需点燃酒精灯持续加热，存在一定的安全隐患。

氢气还原氧化铜实验的改进：如图3所示，该装置结构为图2中A处不锈钢尖嘴部分，可在不锈钢尖嘴上完成氢气还原氧化铜实验。

实验步骤：①将一根长约20 cm、截面积约2.5 mm²的铜丝绕成螺旋状（直径与铅笔直径相当），备用。②将“多合一”实验装置与启普发生器相连，关闭止水夹K₂，打开止水夹K₁。③打开启普发生器活塞，往装置中通入氢气，用向下排空气法在A处（不锈钢尖嘴）收集一试管氢气进行验纯操作；确认氢气纯净后，关闭止水夹K₁。④预先在试管底部卡一枚回形针，使试管与板凳面之间留有缝隙，确保后续步骤中试管内气体能够排出。⑤用坩埚钳夹取步骤①中制备的螺旋状铜丝，将其置于酒精灯火焰中灼烧约30 s，熄灭酒精灯，同时将灼热的螺旋状铜丝套在不锈钢尖嘴上，立即用试管罩住（试管直径30 mm，长度100 mm），如图3所示。⑥立即打开止水夹K₁，通入氢气，可立即观察到铜丝表面黑色的氧化铜迅速被还原成红色的铜，同时试管内壁会出现明显的水雾。

上述步骤可归纳为“灼烧铜丝→转移铜丝→试管罩住→通入氢气”4个环节。氢气还原氧化铜的反应温度为300~500 ℃，而酒精灯灼烧后的铜丝温度可达500 ℃。离开酒精灯火焰后的铜丝（表面已覆盖氧化铜）虽然会逐渐冷却，但短时间内温度仍然高于还原温度，故在冷却前应向不锈钢尖嘴通入氢气，利用冷却的“时间窗口”可将氧化铜还原。

将铜丝绕成螺旋状可减少热量的散失，使实验成功率更高，现象更明显。通氢气前已熄灭酒精灯，无明火和火花，并且铜丝温度早已低于500 ℃，不会引起氢气爆燃或爆炸。

3 多合一实验装置的优点

3.1 整合多个实验，体现一器多用

利用实验室常规器材与废旧木料，设计并制作了一套多合一实验装置，成功地将氢气的检验和燃烧、氢气还原氧化铜等化学实验整合到同一套装置中，并且该装置预留了可拓展的导管口，可供教师演示其他实验。装置结构简洁、制作简便，且制作好后，可重复使用，适于常规教学环境中。

3.2 突破疑难问题，增加可观察性

在氢气燃烧实验中，增大氢气流量可使火焰显著增大并呈现理论预期的淡蓝色；在氢气还原氧化铜实验中，采用“无明火还原”方法，有效缩短了反应等待时间且实验现象更加明显。改进后，将实验中的难点巧妙化解，实验的可观察性增加。

4 结语

本研究提供了一套用于探究氢气化学性质的多合一实验装置，有效解决了传统教学中氢气燃烧无法观察到淡蓝色火焰的疑难问题，同时对浙教版科学教材中氢气还原氧化铜实验进行了较大的改进。基于多合一实验装置本身和实验为教学助力的考虑，作为一种有价值的教学资源，在保留传统验纯方法的同时，将启普发生器作为氢气发生装置，既符合教学传统，又确保了实验的规范性。

该装置具有结构简单、制作简便、可重复使用的特点，经教学实践证明，上述解决方案和实验装置安全可靠，实验现象直观明显，操作流程简单易行，成功率高，实验效果良好。因此，于同行而言，具备可复制性和一定的推广价值，可为氢气化学性质的相关实验教学提供有力支持。

参考文献

[1] 刘畅，黄勇，钱胜.观察氢气燃烧现象的巧妙方法［J］.中学化学教学参考，2024（08）：54-56.

[2] 李敬亮，李江军.氢气燃烧火焰呈黄色的原因探究及实验改进［J］.中学化学教学参考，2024（10）：45-46.

[3] 杨晓纯，陈润珊，衷明华.氢气制备与性质验证的实验改进［J］.中学化学教学参考，2017（10）：60.

[4] 郑明贤，林丽璇，洪兹田.“氢气的制取和性质”实验创新设计和资源整合［J］.中小学实验与装备，2023，33（04）：24-26.

[5] 忻章伟，童晓平，陆增友.“氢气还原氧化铜”系列实验的改进与分析［J］.中学化学教学参考，2024（09）：53-55.