“氫氣的制取與性質(zhì)”系列實(shí)驗(yàn)的新設(shè)計(jì)

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“氫氣的制取與性質(zhì)”系列實(shí)驗(yàn)的新設(shè)計(jì)

摘要：針對(duì)不同版本教材中氫氣的知識(shí)點(diǎn)編排相對(duì)零散，實(shí)驗(yàn)孤立等問題，在分析一線教師已有研究的基礎(chǔ)上，找到實(shí)驗(yàn)新設(shè)計(jì)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(zhì)的系列實(shí)驗(yàn)。分析了實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的創(chuàng)新之處，以期拓展一線教師實(shí)驗(yàn)改進(jìn)的視角。

關(guān)鍵詞：氫氣系列化;實(shí)驗(yàn)改進(jìn);注射器;V型玻璃管

文章編號(hào)：1008-0546（2022）06x-0087-03中圖分類號(hào)：G632.41文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

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

“氫氣的制取和性質(zhì)”實(shí)驗(yàn)是初中化學(xué)三種常見氣體（氧氣、二氧化碳、氫氣）的制取與性質(zhì)實(shí)驗(yàn)之一，是學(xué)生認(rèn)知和鞏固固液不加熱型氣體發(fā)生裝置、了解氣體性質(zhì)的重要途徑。

一、系列實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的緣起

1.教材中氫氣的相關(guān)內(nèi)容與實(shí)驗(yàn)

氫氣的有關(guān)知識(shí)與實(shí)驗(yàn)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(shí)內(nèi)容編排相對(duì)分散，跨度較大，書本上的相關(guān)實(shí)驗(yàn)相對(duì)孤立。因此，設(shè)計(jì)一個(gè)氫氣的制取和性質(zhì)的系列化實(shí)驗(yàn)，既有助于學(xué)生形成系統(tǒng)化的知識(shí)結(jié)構(gòu)，又有助于拓展學(xué)生對(duì)固液不加熱型氣體發(fā)生裝置的認(rèn)知。

2.一線教師的已有研究

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

一線教師對(duì)實(shí)驗(yàn)改進(jìn)的研究豐富了課堂實(shí)驗(yàn)的形式，促進(jìn)了學(xué)生對(duì)知識(shí)的理解，同時(shí)也存在一些不足：

（1）利用常規(guī)儀器對(duì)實(shí)驗(yàn)改進(jìn)，氫氣還原氧化銅的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象要2min左右才能觀察到，耗時(shí)較長。

（2）利用自制教具（長柄U形玻璃管）對(duì)實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)，沒有將氫氣的制備進(jìn)行整合，同時(shí)在管徑為12mm長柄U形玻璃管右端點(diǎn)燃?xì)錃獬掷m(xù)燃燒，對(duì)藥品的需求量相當(dāng)大。

（3）利用W型管的微型實(shí)驗(yàn)，尖嘴導(dǎo)管處點(diǎn)燃?xì)錃?，現(xiàn)象不明顯，不利于學(xué)生觀察;W型管做氫氣的性質(zhì)反應(yīng)裝置，實(shí)驗(yàn)后很難清洗凈，不利于重復(fù)使用。

3.實(shí)驗(yàn)新設(shè)計(jì)的發(fā)展空間

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

（2）系統(tǒng)整合?？梢酝ㄟ^實(shí)驗(yàn)過程的系列化設(shè)計(jì)將氫氣的制備及相關(guān)物理性質(zhì)、化學(xué)性質(zhì)進(jìn)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(shí)驗(yàn)過程中固體顏色變化形成對(duì)比，增強(qiáng)學(xué)生對(duì)原理的理解，也為之后學(xué)習(xí)工業(yè)煉鐵做好鋪墊。

二、新設(shè)計(jì)的裝置與實(shí)驗(yàn)步驟

1.新設(shè)計(jì)的裝置

（1）氣體發(fā)生裝置

取一支150mL（可根據(jù)實(shí)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(yīng)開始時(shí)固液接觸，橡皮圈用于反應(yīng)結(jié)束時(shí)固液分離），在橡皮圈反面系上一根銅絲，方便實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)裝置

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

2.實(shí)驗(yàn)用品

儀器：鐵架臺(tái)（含鐵夾）、一次性醫(yī)用塑料注射器（150mL）2支、止水夾1個(gè)、銅絲（一截）、石英V型玻璃管（內(nèi)徑6mm）2根、玻璃管（內(nèi)徑6mm，長度8-10cm）1根、酒精燈2個(gè)、點(diǎn)火槍1個(gè)、乳膠管若干、燒杯1個(gè)、導(dǎo)管1根、尖嘴玻璃管1根、電蚊拍、藥匙2個(gè)、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(shí)驗(yàn)過程

（1）檢查裝置氣密性

連接好儀器，打開止水夾，推動(dòng)注射器活塞，觀察燒杯中導(dǎo)管口有無氣泡產(chǎn)生。

（2）制取并儲(chǔ)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(dòng)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(shí)，鋅粒與鹽酸接觸發(fā)生反應(yīng)生成氫氣并儲(chǔ)存于注射器內(nèi)。

（3）氫氣的密度比較、氫氣的驗(yàn)純與燃燒

翻轉(zhuǎn)注射器，鋅粒與鹽酸分離反應(yīng)停止。打開彈簧夾，用乳膠管蘸取少量肥皂水，推動(dòng)注射器活塞排出氫氣，在乳膠管口形成一個(gè)肥皂泡，用嘴吹走肥皂泡，驗(yàn)證氫氣的密度比空氣小。啟動(dòng)電蚊拍，用手揮動(dòng)，捕捉在空氣中飄動(dòng)的肥皂泡，根據(jù)發(fā)出聲音的大小驗(yàn)證氫氣的純度。在乳膠管口插入帶尖嘴的玻璃導(dǎo)管，繼續(xù)推動(dòng)注射器活塞，在尖嘴導(dǎo)管口點(diǎn)燃?xì)錃?，并在火焰上方罩一個(gè)干冷的小燒杯，觀察火焰和燒杯內(nèi)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(yīng)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(chǎn)生氫氣至固體冷卻。

（5）檢驗(yàn)生成的產(chǎn)物

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

三、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的創(chuàng)新之處

1.整合性強(qiáng)

“氫氣的制取與性質(zhì)”實(shí)驗(yàn)的新設(shè)計(jì)將氫氣的制備、氫氣的密度比較、氫氣的驗(yàn)純、氫氣的燃燒以及氫氣還原氧化銅和氧化鐵等實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了系統(tǒng)地整合，有助于學(xué)生整體建構(gòu)知識(shí)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(yīng)的開始和停止，從而節(jié)約藥品。還原反應(yīng)在內(nèi)徑6mm的石英玻璃管中進(jìn)行，反應(yīng)物藥品用量較少，產(chǎn)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(zhǔn)確地控制產(chǎn)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(jí)的，普通酒精燈就可滿足反應(yīng)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(shí)驗(yàn)操作過程也簡便安全，適宜將教師演示實(shí)驗(yàn)推廣為學(xué)生分組實(shí)驗(yàn)。

5.裝置多用

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

參考文獻(xiàn)

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

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

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

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

[5]畢華林.義務(wù)教育教科書·化學(xué)（九年級(jí)下冊(cè)）[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(zhì)實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)與建議[J].化學(xué)教學(xué)，2022（