实验三 安全性实验及其教学研究
——氢 气 的 制 取 与 性 质 实 验
一、氢气的制取
1.相关知识：置换反应，氢气的物理性质与化学性质，气体的收集方法。
①置换反应：无机化学反应的基本类型之一，指一种单质和一种化合物生成另一种单质和另一种
化合物的反应。置换原则为活动性强的金属置换活动性弱的金属溶液。本实验利用活泼金属Zn置换稀H2SO4中的H+制备H2，原理：Zn+H2SO4=H2↑+ZnSO4
②氢气物理性质：无色无味无毒，密度比空气小的气体（在各种气体中，氢气的密度最小）；温
度-252.87℃时，转变成无色的液体，-259.1℃时，变成雪状固体。
③氢气化学性质：可燃性：纯氢的引燃温度为400℃，氢气可作为燃料，应用与航天、焊接、军
事等方面；还原性：可用于冶炼某些金属材料等。
④气体收集方法：排水法：氢气难溶于水；向下排空气法：氢气密度比空气小。
2.实验用品：（请画实验装置图，并标明各药品和仪器名称）
①实验仪器：启普发生器、烧杯、集气瓶、毛玻片、导管、水槽；
②实验药品：锌粒、浓硫酸溶液、去离子水、硫酸铜溶液、凡士林。
启普发生器
锌粒 集气瓶
氢气
水槽
3.实验步骤（用简洁明了的方法比如流程图表示）：
稀硫酸
4.实验改进：
⑴在反应前加入少许硫酸铜的晶体或溶液可加快反应速率。请问为什么？
Zn+Cu2+=Zn2++Cu
少量Cu附在Zn表面与Zn形成原电池。电化学腐蚀速度>化学腐蚀速度。若加入大量硫酸铜，
Cu把Zn覆盖了，Zn与稀硫酸溶液接触面小，反应速率反而下降。
⑵你还有其他的改进方法吗？
改进原因：
启普发生器存在这样一个问题：在硫酸与锌粒的反应过程中，锌粒不断变小，变小的锌粒会掉到
启普发生器的底部。这样，即使关闭排气阀，掉到底部的锌粒仍然会和留在底部的硫酸发生反应而继续生成氢气．从而导致启普发生器中的化学反应失去控制。正因为如此，在实验过程中，经常出现启普发生器爆裂的现象，甚至导致安全事故的发生。
改进的方法
①用铜片制作一个铜环，铜环的外径以稍微变形能够放入启．普发生器反应室为宜；铜环的内径
以启普发生器长颈漏斗的长颈刚好插入且铜环紧紧箍住长颈为宜。先将铜环放人启普发生器的反应室内，再把长颈漏斗的长颈插入铜环内。（资料来源：《启普发生器的改进》——刘栋字，湖南省宁乡县白马桥中学）
②用适宜的薄圆柱形橡胶塞制作一个圆环，圆环的外径以稍微变形就能够较顺利地放入启普发生器的反应室为宜；圆环的内径以启普发生器的长颈漏斗的长颈刚好插入且圆环紧紧地箍紧长颈为宜，圆环的厚度不宜太厚。然后将橡胶圆环放入启普发生器的反应室之内，再把球形长颈漏斗的长颈插入圆环之内即可。
5.实验安全提示：
⑴稀硫酸如何配制（包括用量、浓度、温度的控制）？
①用量：根据启普发生器大小决定，液体的量以反应时刚刚浸没固体，不高过导气管活塞为宜。 可先用水测量用量。
②浓度：1:4（酸：水）
②配制：将浓硫酸慢慢倒入水中，不断搅拌。稀硫酸稀释时，放出大量热，若把水倒入浓硫酸，
水会像油花似的浮在浓硫酸上面，产生的高热会使水沸腾起来，使酸液飞溅，造成事故。配制好后，可将其放入冷水中加快降温。
⑵如何防止反应过程中锌粒掉入球形漏斗底部？
加锌粒前，在容器球体中加入一定量玻璃棉（较扎手）或放入橡胶片（由橡胶手套剪出橡胶皮，再剪成圈形，橡胶片放入启普发生器中注意放平）。
⑶该反应是吸热还是放热反应？如何防止反应体系温度过高？ 放热。反应过程中多用手触摸容器壁，若感觉温度过高，用湿布冷却。
6.实验教学内容探究：
⑴检查实验装置的气密性有哪些方法？
①如下图所示装置，要检查装置是否漏气，应先把导气管的一端浸入烧杯或水槽的水中，用手紧
握试管或用手掌紧贴烧瓶的外壁。如果装置不漏气，试管或烧瓶里的空气受热膨胀，导管口就有气泡冒出。然后把手移开，过一会儿，待试管或烧瓶冷却后，水就从烧杯或水槽中升到导气管里，形成一
段水柱，则表明装置不漏气。
②右图装置的气密性检查启普发生器的气密性检查类似。首
先，夹紧弹簧夹，向长颈漏斗中加入一定量的水，一会儿，长颈
漏斗中液面不下降，表明装置不漏气。因为只要装置不漏气，原
来存在于锥形瓶中的空气就不可能消失，始终具有一定的气压，
导致所加入的水不能不停地进入瓶中，所以，一会儿，长颈漏斗
中的液面将不再下降。
③采用推拉注射器活塞检查下图装置的气密性：当缓慢拉活塞时，如果装置气密性良好，可观察
到长颈漏斗下端口产生气泡。当缓慢推活塞时，如果装置气密性良好，可观察到长颈漏斗内有液面上升，形成一段水柱。
④下图装置中，夹紧弹簧夹后，上下移动左侧玻璃管，如果两侧玻璃管液面仍保持水平，说明装
置漏气，只有当移动左侧玻璃管后，左右两边液面出现一定的高度差，才能表明装置不漏气。
⑤检查右图中装置的气密性时，首先，向分液漏斗中加入一定量的水，
再用弹簧夹夹紧橡皮管后，打开分液漏斗的旋塞，一会儿，分液漏斗中的
水不再往下滴，表明装置不漏气。
⑵生活中的哪些用品或废弃物品可以用来制取氢气？
①如下图1所示，利用破底试管制取氢气.还可以进行下图2所示的操作，制取气体时，正放试管
到盛有酸液的烧杯中，不需要气体时，将试管取出，放到空烧杯中；还可以使用下图3所示的装置制取氢气。
图1 图2 图3
②利用废旧矿泉水瓶、自制白色塑料小网兜、废铜丝等材料制作启普发生器的简易装置，依据启
普发生器的原理对装置进行设计，通过铜丝的下放、提拉来控制反应的发生和停止，达到和启普发生器一样的效果。
③将容积为2L的空塑料汽水瓶[沿弧形部分按小瓶粗细截去上部，将容积为1．25L的空塑料汽水瓶底部钻上几个小孔，组装成右图所示装置即可。贮存气体时，
容器内先装满水(水面要高于小瓶颈处)，打开活塞(止水夹)，气体
由导管通人，利用气压把小瓶中水从瓶底开孔处压人大瓶中(即小瓶
上升)，贮满后关闭止水夹。使用气体时可打开止水夹，大瓶中水由
小瓶底开孔处入小瓶内，即可自行把气体排出(若使需气流大时，可
用手轻轻下按小瓶)。实验时携带方便，操作简单易行。
⑶请设计一个可以控制反应速率的制备氢气的简易装置，画出装置图：
该反应不需加热, 只要锌粒与稀硫酸接触。要随时控制反应的进行, 就要使锌粒与稀硫酸能根据
需要随时接触或不接触, 于是可有两条设计思路。 第一个思路是移动锌粒如下图1, 可将锌粒放人有孔塑料小瓶
, 用硬质金属丝索住小瓶
,
通过推
拉金属丝使锌粒与稀硫酸接触或不接触达到控制反应的目的。
第二个思路是使稀硫酸的流动如下图2, 装只需使试管倾斜, 就能使锌与稀硫酸接触反应。下图
3、4、5装置中, 夹上弹簧夹或关闭活塞, 产生的氢气不能排出, 压强增大, 使稀硫酸液面下降与锌粒不接触停止反应
图1 图2 图3 图4 图5
二、氢气的物理性质——氢气流吹肥皂泡（选做）
1.操作要求：
在导管口蘸洗涤液，控制氢气流速，当气泡足够大时，轻抖手腕，用火柴或松香点燃气泡。
现象：肥皂泡脱离玻璃管上升，点燃，发出黄色火焰。
2.实验探究：寻找制取又大又轻氢气泡的最佳方法。
实验失败常见原因：
①玻璃管太光滑，
所蘸肥皂液较少，不易连续吹出多个肥皂泡，而且易使吹出的肥皂泡偏离管口，“结”在玻璃管上不易脱离；
②吹出中的肥皂泡易带上小水滴，使质量增加而不易飞升，体现不出氢气比空气轻的性质。
根据失败原因，总结氢气流吹肥皂泡的实验要求注意四点：
①肥皂液的黏度要适度；②要用干燥的氢气，且不带有酸雾；③氢气流不可太急或太缓；④蘸肥皂液的管子要选用适当。
根据注意事项，采取如下措施：
①肥皂液用发泡较多的洗衣粉来代替，这样较为容易形成气泡；
②让氢气通过干燥管，以使其干噪。为减少酸雾，制取氢气时弃用盐酸而改用稀硫酸，干燥剂用氢氧化钠和生石灰的混合物；
③为使提供的氢气既能保证纯度，又能自如地控制氢气流，制取氢气的装置改用启普发生器或与启普发生器原理相同的简易装置。
④吹肥皂泡的管子改用平口细竹管（可用一段长约5cm的普通毛笔杆）来代替玻璃管，以防止肥皂泡的滑动而影响其形成。
采用平口细竹管优点：
①所蘸肥皂水较多，蘸一次即可连续吹出多个肥皂泡；
②增大了肥皂泡与管的磨擦，不易偏离而“结”在管上，因此易脱离；
③木制管有吸水作用，可防止肥皂泡下面带小水滴，因此易飞升。
增加实验趣味性措施：
在肥皂液中滴加有色墨水或颜料料，可吹出有色肥皂泡，增加趣味性。
改进的简易实验装置（不用干燥管）：
将胶头滴管胶帽去掉，尖端伸入胶皮导管中，然后制取氢气（注意气流不能过大），吹肥皂跑，轻轻抖动。该实验不需使用干燥管，操作简便，利用人气口小，出气口是平滑喇叭口，气流平稳，从而使氢气肥皂泡缓缓增大，轻轻抖动，气泡便可脱口上升
三、氢气与氧气的反应
㈠氢气的验纯和燃烧
1.培养技能：启普发生器的使用技能；用试管收集氢气并验纯的方法；
学习通过演示实验进行元素化合物知识的教学技能（引导学生观察现象、思考并得出结论） 2.相关知识：爆炸及燃烧的概念；氢气与氧气的反应
①爆炸：在极短时间内，释放出大量能量，产生高温，并放出大量气体，在周围介质中造成高压的化
学反应或状态变化。
②燃烧：
燃烧是一种发光、发热、剧烈的化学反应。
③氢气与氧气的反应： 在点燃条件下，生成水，放出热量。
3.实验步骤：
⑴验纯操作及实验现象（结合图形）：
操作：收集一试管氢气，用拇指堵住试管口，使试管口稍向下或水平
靠近酒精灯火焰，移开拇指。（注意：若用排水法收集氢气，应
先让试管口竖直向下，让试管中水流尽后再实验）
现象：听到很小的噗的声音（收集的氢气较纯净）；
看到黄色火焰（由于点燃时使用玻璃导管, 燃烧时的淡蓝色火
焰受钠元素黄色火焰的干扰）；
试管发热（放热反应）。
操作：在尖嘴导气管口点燃，观察火焰颜色；再罩上一干净而且冷
却的烧杯，观察现象。
现象：火焰颜色为淡蓝色；烧杯底有水珠。
4.实验安全提示：
当氢气不纯时需重新验纯，
但如果用排空气法收集氢气，则在再次收集前必须先用手指堵住试管口
一段时间。其原因是验纯时可能有未燃尽的氢气在试管中继续燃烧，上述操作能熄灭试管中火焰，防 ⑵点燃
准备纸杯，纸杯底挖一圆孔，孔的大小要便于堵住，同时比火柴头稍大，便于点燃。
3.实验安全提示：（实验本身并无危险，操作时要胆大心细、沉着稳定。） 实验步骤：①用手指堵住纸杯底孔，将纸杯倒置，以向下排空气法收集氢气（收集时间与氢气流量有关）；②一段时间后，关闭启普发生器活塞（避免点燃氢气时，氢气沿导管一直燃烧，导致启普发生器爆炸）；③引燃木条，用燃着的木条在小孔处点火。
实验现象：①发出尖锐爆鸣声，纸杯高高弹起，纸杯中有一团黄色火焰。
4.实验改进：
例如，用矿泉水瓶做也可做此实验（剪掉瓶的下半部，用铁架台固定，把氢气从下部通入，一段
时间后，打开瓶盖，在瓶口处点燃，可以听见爆破声）。请问你的改进方法是？
①选用一个无孔的小塑料袋, 使袋内约盛半袋空气后, 再与氢气发生装置的导气管相连, 收集
氢气,随着氢气的通人, 塑料袋渐渐鼓起, 然后停止通入氢气移开导气管, 用线扎紧塑料袋口放置在实验台上并远离氢气发生装置, 用针戳个小孔并用燃着的木条在小孔处点燃, 顿时, 便发出一声巨响。实验所用塑料袋随手可得, 操作简便安全。
②取一个矿泉水瓶, 截去底部, 配上一个橡皮塞, 制成电解水器, 固定在铁架台上。在矿泉水瓶
内加人占其容积2/3的氢氧化钠溶液,。接通直流电源进行电解, 当观察到电解过程产生稳定的气体时, 再向矿泉水瓶中加人2 mL洗涤剂, 立即有气泡产生。用火柴点燃气泡, 产生尖锐的爆鸣声。此实验的
物生成热时，就可以把金属还原出来。氧化铜的生成热远小于水的生成热，所以氧化铜易被氢气还原。
该反应在室温时速度极慢，几乎不反应。在250℃以上温度，反应顺利进行。
3.相关知识：氢气的制备与干燥；氧化—还原反应；氢气的验纯；爆炸极限
4.实验技能：
⑴普发生器的安装、检漏及使用；固体药品的取用及加热；氢气的验纯；实验仪器的安装；
⑵此实验的操作程序与演示技能；并学会如何通过此实验进行适时的提问、启发、观察、思考等教与学的双边活动进行启发式教学的技能。
5.实验步骤：（略）
6.实验安全提示：
⑴试管口要向下倾斜，
原因：防止生成的水倒流回热的试管底部使试管破裂。。
⑵通入氢气前要先验纯，并且导管口要插入至试管底部，然后先通氢气后加热，反应后先
（口诀：氢气早出晚归）
8.实验探究：怎样又快又好地完成氢气还原氧化铜演示实验？
氢气还原氧化铜的最佳效果是反应后能在试管底部附着一层光亮的铜镜。要使演示实验又快又好， 可以从以下几方面着手：
① 锌粒的选择：
选用纯度不高、形状不规则的锌粒加快氢气的产生速度；
② 稀硫酸的浓度：
稀硫酸的浓度以1:4配制，有利于氢气的产生；
③ 氢气的净化：
锌和稀硫酸作用后，锌中所含的微量的硫化锌和砷会与稀硫酸作用生成硫化氢和砷化氢。这些有毒气体既会污染环境，也会影响实验效果，应除去。所以，应将制得的氢气通过铬酸洗液或连续通过高锰酸钾溶液、氢氧化钠和浓硫酸，便可得到较纯净的氢气。
④ 氧化铜的用量和使用方法：
实验表明，氧化铜用量以 0.2 克左右为宜。太少，产生的铜镜面积太小；太多，产生铜镜需要的时间太长，不宜在课堂上演示。实验过程中，将约 0.2 克氧化铜粉末平铺在试管底部，将验纯后的氢气用导管通到试管底部、氧化铜粉末的上方。氢气流要足够大，在排尽空气的同时，要用氢气将氧化铜粉末吹开、吹散，并薄薄地、均匀地附着在试管底部，加热试管底部，4 分钟后试管底部出现铜镜。此法在短时间可得到铜镜，但用氢气流将氧化铜粉末吹开，使其在试管底部均匀分布，难以掌握。 也可以对实验装置进行改进如下：
将一根约7 cm 长的细铜丝绕在笔杆上卷成螺旋状(长约2cm ),
将光亮的铜丝在酒精灯上加热至变黑, 将加热变黑的铜丝迅速
伸入球形干燥管的中上部, 可观察到变黑的铜丝立即又变成
光亮的红色。
五、学习本次实验的体会
①作为一名老师，在课堂上进行演示实验之前，自己先要熟悉这个实验，清楚实验流程、药品用量、各个细节，以及如何防止意外的产生，做到胸有成竹。
②做实验要胆大心细，沉着稳定，防止因手忙脚乱造成意外。
③多看文献，了解实验装置、操作过程如何改进，借鉴前人经验，促进实验又快又好。
六、参考文献
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