PDF《可观察到氢气燃烧呈淡蓝色火焰的实验设计》

可观察到氢气燃烧呈淡蓝色火焰的实验设计 * 叶永谦1 * * 张贤金2 ( 1.

福建省南安市侨光中学 福建南安

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2. 福建教育学院化学教育研究所 福建福州

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2 5 ) 摘要 现行高中化学教科书中钠与水的反应实验未提供验证反应所产生气体的实验装置.为 使学生通过观察实验现象,直观地认识和理解钠与水反应产生的气体是氢气,在已设计 钠与水 反应的实验装置 的基础上,从普通玻璃尖嘴导管焰色反应的干扰、煤油蒸气的干扰2个维度进行 分析,最终设计出可以观察到氢气燃烧呈淡蓝色火焰的实验. 关键词 氢气燃烧 火焰颜色 实验设计 D O I :1

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1 问题的提出 高中化学教学中,金属钠作为 活泼金属的代表,是教学的重点.苏教版高中化学教科书 《 化学

1 》 ( 必修)中钠与水反应实验设计方案[ 1] 虽然简 单,但有2点不足: ( 1)由于实验在小烧杯中完 成,演示 实验的可见性很差, 效果并不太理想;

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2 )无法让学生通过实验现象的观察对产生的气体 究竟是什么做出直观的判断. 为了弥补该实验的不足,在钠与水反应的性质 教学中设计了钠与水反应的实验装置,取得了较好 的教学效果[ 2] .实验的基本操作步骤为:先往矿泉 水瓶 (

5 5 0m L左右)中装5 0m L左右的煤油,再 加入3块金属钠 ( 边长为0 . 5c m 左右的立方体) , 再往漏斗中加滴有酚酞的水溶液至瓶塞处.关闭活 塞,可以看到美丽的喷泉,还可以看到钠在煤油和 水层上下跳动.打开活塞,点燃气体,产生的气体 可以燃烧,如图1所示. F i g .

1 E x p e r i m e n t d e v i c e f o r r e a c t i o n o f s o d i u m a n d w a t e r 图1 钠与水反应的实验装置 在课堂教学过程中,学生都对 该实验充满兴趣,观察和学习的热情很高.有细心的学生提出, 氢气的燃烧火焰不是淡蓝色的吗?怎么看到的是明 显的黄色呢?这是实验仪器的问题还是其他原因所 致呢?

2 基于焰色反应干扰的实验设计 鉴于钠与水反应产生的气体燃烧是在尖嘴玻璃 导管口进行的,而普通玻璃中含有的钠元素焰色反 应呈黄色,实验中的火焰呈黄色有可能是玻璃材质 引起的.市面上很难买到石英玻璃材质的尖嘴导 管,考虑到医用针筒上的针头属于无锈铁质材料, 燃烧时没有明显的焰色,可以排除焰色反应的干 扰,因此采用针筒上的针头代替普通玻璃尖嘴导管 进行实验.实验的结果显示,气体在针头处燃烧, 火焰还是黄色的.根据以上实验结果,可以发现玻 璃材质焰色反应不是导致火焰呈黄色的主要原因.

3 基于煤油蒸气干扰的实验设计 采用设计的钠与水反应的实验装置进行实验过 程中,氢气是从煤油中冒出的,触摸矿泉水瓶煤油 外部时温度较高,燃烧时火焰会出现少量黑烟,以 上均说明有可能是煤油蒸气的干扰导致火焰为黄 色.如何除去氢气中混有的煤油蒸气?采用吸附 法、冷却法和洗气法等3种方法进行设计.

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1 吸附法 借鉴海面漏油使用棉被进行吸附的原理,以及 活性炭吸附性强的性质,分别采用棉花吸附法、活 性炭吸附法进行设计.实验时,即便棉花塞满 U 型管 ( 图2 ) ,或者活性炭填满干燥管 ( 图3) ,气 体均可以较轻易通过吸附装置,吸附效果不理想, 导致燃烧时火焰均为黄色.

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2 空气冷却法 由于反应放热导致煤油蒸气挥发出来,可以用 ・

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1 6年第3 7卷第7期***福建省教育厅2

0 1 5年福建省中青年教师教育科研项目 ( 项目编号:J A S

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5 3 )( 福建教育学院资助) 通信联系人,E-m a i l :1

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2 F l a m e s h o w e d y e l l o w w h e n U - t u b e w a s f i l l e d w i t h c o t t o n 图2 U型管中充满棉花,火焰为黄色 F i g .

3 F l a m e s h o w e d y e l l o w w h e n d r y i n g t u b e w a s f i l l e d w i t h a c t i v a t e d c a r b o n p o w d e r 图3 干燥管中填充活性炭粉,火焰为黄色 冷却的方法使煤油蒸气冷凝为液态.参考苏教版高 中化学教科书 《 有机化学基础》中硝基苯等的制法 中长导管冷凝回流原理[ 3] ,使用长导管对产生的气 体进行冷却,并进行燃烧实验,观察到的火焰仍呈 黄色,见图4.导致火焰依旧为黄色的原因可能由 于反 应产生的气流较大, 无法在短时间内冷却下来. F i g .

4 F l a m e s h o w e d y e l l o w w h e n g a s w a s c o o l e d t h r o u g h l o n g t u b e 图4 使用长导管冷却火焰依旧为黄色

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3 冰水冷却法 空气冷却法效果不佳,可以考虑利用冰水进行 冷却.将产生的气体直接通过冰水,并进行燃烧实 验,观察到的火焰存在3种情况,分别是黄色、黄 色中略见蓝色、蓝色,见图5.火焰为黄色可能和 反应产生的气流较大,煤油蒸气无法全部得到冷凝 有关.火焰黄色中略见蓝色应该是气流比较适中, 但瓶体煤油外部温度较高,冷却效果不够好.火焰 颜色呈蓝色,是在同一药品和装置中多次实验后才 观察到的.由于本装置在氢气燃烧一次后,通过关 闭止水夹可以再次收集气体,多次实验后,瓶体基 本已恢复常温,金属钠已经从原来的小拇指大小变 成了绿豆大小,产生的气体少,气体缓慢.与吸附 法相比,气体通过冰水速率较为缓慢,由于接触的 时间较长,冷却的效果较为理想,才有可能产生淡 蓝色火焰. F i g .

5 G a s w a s c o o l e d b y i c e w a t e r 图5 使用冰水冷却气体

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4 有机溶剂洗气法 除了冷却法,洗气法也是一种排除煤油蒸气干 扰的方法.选择的除杂溶剂必须能溶解煤油,又不 能燃烧.四氯化碳是不错的选择,煤油易溶于四氯 化碳,而且四氯化碳本身不燃烧,即便部分混入氢 气中也不会影响火焰颜色.通过控制气流缓慢洗 气,出现的实验现象与冰水冷却法类似,反应前期 燃烧时的火焰是 黄色的,甚至伴有少量黑烟(图6).在同一药品和装置多次实验后要出现淡蓝色火 焰,必须是在温度比较低的条件下,如该实验冬天 做的成功率比夏天做成功率要高.该实验成功的关 键在于冬天外界室温比较低,煤油冷却速度比较 快,控制好气流的速度,煤油蒸气可以被四氯化碳 吸收得较为完全.与冰水冷却法相似,气体通过四 氯化碳速度较缓慢,洗气效果较好,才有可能观察 到淡蓝色火焰. F i g .

6 F l a m e s h o w e d y e l l o w w i t h b l a c k s m o k e w h e n g a s w a s w a s h e d b y c a r b o n t e t r a c h l o r i d e a t h i g h e r r o o m t e m p e r a t u r e 图6 室温较高时使用四氯化碳洗气火焰为黄色且伴有少量黑烟

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5 洗气装置的选择 虽然用冰水冷却法或者四氯化碳洗气法都可以 在一定条件下观察到氢气燃烧的蓝色火焰,但是2 者共同的使用装置― ― ―洗气瓶,其选择的合理性是 ・

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1 6年第3 7卷第7期化学教育( h t t p : / / www . h x j y . o r g ) 否直接影响到实验的安全性问题,这也是实验改进 过程中意外的发现.如图5和图6中所使用的洗气 瓶是由配有长进短出2支玻璃导管的双孔橡皮塞和 集气瓶构成,可以顺利地完成实验.如果将其换成 实验室现成的洗气瓶 ( 如图7) ,不管是装冰水还 是装四氯化碳,都有可能因其容量大,出气的管口 浸入液面太深,气体产生的压强不够大,导致无法 将氢气压到洗气瓶中,最终液体从漏斗口溢出,煤 油直接燃烧起来,存在安全隐患. F i g .

7 L i q u i d l e v e l i n t h e f u n n e l d i d n '

t f a l l w h e n w a t e r s t o p p e r w a s o p e n e d c o m p l e t e l y 图7 止水夹已全部打开漏斗中液面却无法下降

4 结语 在钠与水反应的实验装置设计中,氢气燃烧出 现黄色火焰的原因在于煤油蒸气的干扰.要排除其 干扰,设计的关键是控制温度和气流大小,在温度 较低、气流较小、接触时间足够长的情况下,使用 冰水冷却法或者四氯化碳洗气法均可以出现蓝色火 焰,其中冰水冷却法效果较好.在课堂上演示完所 设计的钠与水反应实验之后,将学生关于火焰颜色 的疑惑作为课后作业,引导学生从不同维度进行改 进,可以激发学生的学习兴趣,提高学生的动手能 力,有利于培养学生实事求是的科学态度和锲而不 舍的钻研精神. 参考文献[1]王祖浩.普通 高中课程标准实验教科书:化学1(必修) . 南京:江苏教育出版社,2

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2 ] 叶永谦.福建教育学院学报,2

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2 ) :4 7-4

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3 ] 王祖浩. 普通高中课程标准实验教科书: 有机化学基础(选修) .南京:江苏教育出版社,2

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4 ] 陈云生,赖辉煌.化学教育,1

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5 ] 刘建国,谢文亭.教学仪器与实验,2

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6 ] 张娟,鲍正荣,黄治香.实验教学与仪器,2

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7 ] 贾瑞枫.化学教育,1

9 8 6,7 (

2 ) :3 6-3

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8 ] 王祖浩.普通 高中课程标准实验教科书:化学2(必修) . 南京:江苏教育出版社,2

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2 E x p e r i m e n t D e s i g n f o r S h o w i n g L i g h t B l u e F l a m e o f H y d r o g e n C o m b u s t i o n Y E Y o n g -Q i a n 1* * Z HANG X i a n - J i n

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