有关氢气的创新性微型实验设计

2009级本科生：曾晓丹 陈燕杉

指导教师：衷明华

微型实验具有实验试剂用量少、费用低、实验过程简单化的特点；同时，微型仪器成本低，不仅符合绝大多数学校对实验操作的需要，且对于部分中学化学实验条件不足，难以开展学生实验的学校也是容易接受的。本实验正是利用微型仪器的这一特点，将氢气的制备与性质实验进行微型化处理。改进后的实验装置更适合学生在课堂上进行实验，真正将微型实验落实到课堂中。

一 实验原理

实验室制取氢气的方法有很多种，常见的有电解水制取氢气、制取水煤气、利用金属和酸反应等方法。本实验利用锌与稀硫酸以1∶4的比例进行反应，反应方程式为：

Zn+H2SO4═══ZnSO4+H2↑

二 原实验装置存在的缺点

一方面，由于锌粒与稀硫酸反应较快，在常规实验中氢气的制备难以随时控制反应的开始与停止；另一方面，在实验反应过程中产生较多的氢气，这也使得在验纯时较为危险。常规实验中一般难以对产生的氢气进行干燥处理，故会对氢气还原氧化铜实验产生的水造成干扰，难以解释在还原实验中使无水硫酸铜变色的水是由通入的氢气携带的还是由还原反应所产生的。除此之外，分步进行氢气的性质实验，操作较为烦琐，过程中氢气损失多，易造成药品损耗，且用时长。

三 实验的改进

1.实验用品

（1）仪器：具支U形管1支、内套管1个、注射器1支、具支试管1支、V形侧泡反应管1支、酒精灯1盏、尖嘴管1根、玻璃导管1根、橡胶塞2个、橡胶管3段。

（2）试剂：稀硫酸、浓硫酸、锌粒、氧化铜丝、无水硫酸铜、肥皂水。

2.实验装置图（图中略去铁架台）

3.实验步骤与现象

（1）连接好装置，检验装置的气密性。如上图所示，在U形管里加入适量的自来水，右端用一橡胶塞塞住，左端连接一带橡胶塞的注射器，拉动注射器，观察U形管中水的高度变化，如果装置气密性良好，U形管中的水会随着注射器的拉动而产生左右液面高度差。

（2）将3～4颗锌粒加入U形管的内套管中，右端口塞上橡胶塞，向注射器中吸入稀硫酸，插入橡胶塞中，塞在左端口处。在U形侧管用橡胶管连接一装有浓硫酸的干燥装置；随后在V形侧泡反应管中的2个凹面依次加入氧化铜丝、无水硫酸铜（浓硫酸用于吸收氢气中携带的水分，无水硫酸铜用于检验反应生成的水），反应管V形处加入肥皂水（用于吹出氢气泡），最后在V形侧泡反应管末端连一根尖嘴管。

（3）实验开始，压下注射器，往U形管中注入稀硫酸，反应快速进行，当观察到浓硫酸中气泡均匀冒出时，点燃尖嘴管处冒出的气泡，当听到“噗”的一声，说明装置中的空气已排尽，可以通过点燃酒精灯加热氧化铜丝进行氢气还原氧化铜实验。观察到黑色的氧化铜变为红色的铜，同时无水硫酸铜由白色变为蓝色，说明氢气还原氧化铜的氧化产物是水。

四 改进后的优点

（1）采用微型实验进行操作，不仅节省药品，也使实验更加安全。

（2）利用微型仪器反应空间小的优点，通过在U形管的一端连接一个注射器控制反应体系的压强，使锌粒与稀硫酸脱离，从而控制反应的进行与停止，且便于对实验现象的观察。

（3）在V形侧泡反应管中加入无水硫酸铜，可验证氢气还原氧化铜实验有水生成。

（4）在氢气通入氧化铜丝前加一个盛装浓硫酸的干燥装置，以免加热时氢气附带水蒸气使反应管发生爆裂，既可排除对后续实验中验证氢气还原氧化铜实验生成的水的干扰，又可以通过气泡冒出的速度观察氢气生成的速率。

（5）在反应管中预先加入肥皂水，使得生成的氢气经过肥皂水后可直接连续吹出气泡，进行氢气爆鸣实验的验证，这样可避免因不断蘸取肥皂水吹出气泡而造成氢气的浪费。

五 注意事项

在进行氢气还原氧化铜实验时，需注意氧化铜加入的量应多一些，确保生成的水能使无水硫酸铜变色明显，提高实验的成功率。