有關氫氣的創新性微型實驗設計

2009級本科生：曾曉丹 陳燕杉

指導教師：衷明華

微型實驗具有實驗試劑用量少、費用低、實驗過程簡單化的特點；同時，微型儀器成本低，不僅符合絕大多數學校對實驗操作的需要，且對于部分中學化學實驗條件不足，難以開展學生實驗的學校也是容易接受的。本實驗正是利用微型儀器的這一特點，將氫氣的制備與性質實驗進行微型化處理。改進后的實驗裝置更適合學生在課堂上進行實驗，真正將微型實驗落實到課堂中。

一 實驗原理

實驗室制取氫氣的方法有很多種，常見的有電解水制取氫氣、制取水煤氣、利用金屬和酸反應等方法。本實驗利用鋅與稀硫酸以1∶4的比例進行反應，反應方程式為：

Zn+H2SO4═══ZnSO4+H2↑

二 原實驗裝置存在的缺點

一方面，由于鋅粒與稀硫酸反應較快，在常規實驗中氫氣的制備難以隨時控制反應的開始與停止；另一方面，在實驗反應過程中產生較多的氫氣，這也使得在驗純時較為危險。常規實驗中一般難以對產生的氫氣進行干燥處理，故會對氫氣還原氧化銅實驗產生的水造成干擾，難以解釋在還原實驗中使無水硫酸銅變色的水是由通入的氫氣攜帶的還是由還原反應所產生的。除此之外，分步進行氫氣的性質實驗，操作較為煩瑣，過程中氫氣損失多，易造成藥品損耗，且用時長。

三 實驗的改進

1.實驗用品

（1）儀器：具支U形管1支、內套管1個、注射器1支、具支試管1支、V形側泡反應管1支、酒精燈1盞、尖嘴管1根、玻璃導管1根、橡膠塞2個、橡膠管3段。

（2）試劑：稀硫酸、濃硫酸、鋅粒、氧化銅絲、無水硫酸銅、肥皂水。

2.實驗裝置圖（圖中略去鐵架臺）

3.實驗步驟與現象

（1）連接好裝置，檢驗裝置的氣密性。如上圖所示，在U形管里加入適量的自來水，右端用一橡膠塞塞住，左端連接一帶橡膠塞的注射器，拉動注射器，觀察U形管中水的高度變化，如果裝置氣密性良好，U形管中的水會隨著注射器的拉動而產生左右液面高度差。

（2）將3～4顆鋅粒加入U形管的內套管中，右端口塞上橡膠塞，向注射器中吸入稀硫酸，插入橡膠塞中，塞在左端口處。在U形側管用橡膠管連接一裝有濃硫酸的干燥裝置；隨后在V形側泡反應管中的2個凹面依次加入氧化銅絲、無水硫酸銅（濃硫酸用于吸收氫氣中攜帶的水分，無水硫酸銅用于檢驗反應生成的水），反應管V形處加入肥皂水（用于吹出氫氣泡），最后在V形側泡反應管末端連一根尖嘴管。

（3）實驗開始，壓下注射器，往U形管中注入稀硫酸，反應快速進行，當觀察到濃硫酸中氣泡均勻冒出時，點燃尖嘴管處冒出的氣泡，當聽到“噗”的一聲，說明裝置中的空氣已排盡，可以通過點燃酒精燈加熱氧化銅絲進行氫氣還原氧化銅實驗。觀察到黑色的氧化銅變為紅色的銅，同時無水硫酸銅由白色變為藍色，說明氫氣還原氧化銅的氧化產物是水。

四 改進后的優點

（1）采用微型實驗進行操作，不僅節省藥品，也使實驗更加安全。

（2）利用微型儀器反應空間小的優點，通過在U形管的一端連接一個注射器控制反應體系的壓強，使鋅粒與稀硫酸脫離，從而控制反應的進行與停止，且便于對實驗現象的觀察。

（3）在V形側泡反應管中加入無水硫酸銅，可驗證氫氣還原氧化銅實驗有水生成。

（4）在氫氣通入氧化銅絲前加一個盛裝濃硫酸的干燥裝置，以免加熱時氫氣附帶水蒸氣使反應管發生爆裂，既可排除對后續實驗中驗證氫氣還原氧化銅實驗生成的水的干擾，又可以通過氣泡冒出的速度觀察氫氣生成的速率。

（5）在反應管中預先加入肥皂水，使得生成的氫氣經過肥皂水后可直接連續吹出氣泡，進行氫氣爆鳴實驗的驗證，這樣可避免因不斷蘸取肥皂水吹出氣泡而造成氫氣的浪費。

五 注意事項

在進行氫氣還原氧化銅實驗時，需注意氧化銅加入的量應多一些，確保生成的水能使無水硫酸銅變色明顯，提高實驗的成功率。