实验三--安全性实验及其教学研究(中学化学实验报告)

-1-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）置换反应是单质与化合物反应生成另外的单质和化合物的化学反应，是化学中四大基本反应类型之一，包括金属与金属盐的反应，金属与酸的反应等。（2）氢气的性质物理性质：1.通常情况下，无色无味气体；2.密度比空气小；3.难溶于。化学性质：1.可燃性2H2+O2=2H2O2.还原性H2+CuO=Cu+H2(3)气体的收集方法：2.实验用品：（请画实验装置图，并标明各药品和仪器名称）药品：锌粒、稀硫酸、硫酸铜溶液、氧化铜仪器：导气管、试管，酒精灯，水槽，启普发生器日期2014年4月2日；六周周三，下午；姓名学号2成绩-2-启普发生器由三部分组成。上面一部分是球形漏斗，下面一部分是玻璃球和玻璃半球所组成的容器，第三部分是带旋钮的导气管。它是固液不加热的反应装置，使用启普发生器制取氢气十分方便，可以及时控制反应的发生或停止。锌粒由容器上的气体出口加入，稀硫酸从长颈漏斗口注入，固体的量不得超过球体容积的1/3。因此，锌粒是放在启普发生器的玻璃球中，而稀硫酸会在玻璃球和玻璃半球的容器中。3.实验步骤（用简洁明了的方法比如流程图表示）：稀释浓硫酸检查装置气密性装入锌粒和稀硫酸开启导气管活塞，收集H2验纯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？答：锌跟稀硫酸反应的制取氢气，加入少量硫酸铜溶液后，金属锌可以置换金属铜Zn+CuSO4=ZnSO4+Cu，形成铜锌原电池，原电池能加速负极金属和电极质的反应速率。⑵你还有其他的改进方法吗？答：还可以选用纯度不高、形状不规则、比较粗糙的锌粒。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）？答：（1）浓硫酸的稀释：将浓硫酸沿着容器内壁（或沿着玻璃棒）缓慢地注入水中，并用玻璃棒不断搅拌，使产生的热量迅速扩散。（2）稀硫酸的用量：加入稀硫酸可事先往启普发生器中加水至将金属锌全部淹没处，倒出水后量水的体积，即为稀硫酸的体积。（3）稀硫酸的浓度：V浓H2SO4∶VH2O=1∶4或者1:5也可。（4）稀释时温度的控制：在稀释浓硫酸时，为了迅速扩散热量，可以在装了水的水槽内稀释并不断地搅拌。-3-⑵如何防止反应过程中锌粒掉入球形漏斗底部？答：可以在球形漏斗颈适当位置套上化学橡胶圈，以阻止锌粒下落。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？答：制取氢气的实验是放热反应。为了防止反应体系温度过高可以用湿毛巾盖住玻璃半球。6.实验教学内容探幽：⑴检查实验装置的气密性有哪些方法？答：在化学实验的过程中，凡涉及气体制备、收集和气体反应的仪器装置，都要进行气密性的检验这一操作。气密性检验一般应在仪器连接完之后，添加药品之前进行。气密性检查的方法虽然多种多样，但总的原则是：堵死一头（即通过气体发生器和附设的液体构成密封体系），采取一定的措施（如升温、降温、减压、加压等），使之产生一定的压强差，出现对应的现象（如气泡的产生、水柱的形成、液面的升降等），再分析现象得出结论，从而判断仪器装置的气密性是否良好。但由于不同实验仪器装置的差异，检验所采用的操作与方法也有所区别。1．采用微热（手捂或热毛巾捂）法操作程序：将导气管末端插入水中――用手握住或利用热毛巾捂容器对该仪器装置微热——观察导管末端是否有气泡逸出——松开手后—－观察导管末端是否形成一段水柱，若是，则气密性好。如上图装置气密性的检查。2．采用直接加热法当装置构成的密封体系较大时，用手捂或热毛巾捂不易引起空气体积的变化时，采用酒精灯直接对装置加热，若观察到导管末端有气泡逸出——松开手或移走热源后—－导管末端形成一段水柱，则装置的气密性好。3．采用液差法——启普发生器或其简易装置气密性的检查操作程序：关闭导气管上的活塞――往体系即球形漏斗中注入水——使漏斗中的水面高于容-4-器中的水面――静置片刻水面位置不变即形成稳定的液差，说明装置的气密性良好。如图四装置气密性的检查。⑵生活中的哪些用品或废弃物品可以用来制取氢气？答：生活中可以用铝制的易拉罐、废电池的锌皮、铁片和家用的食醋等物品来制取氢气。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：答：分液漏斗是可控制速率的装置，分液漏斗可以控制滴加酸的速度，加的酸慢，（酸的量少），反应就慢，加的快，反应就快。反应装置见下图。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。实验现象：随着“噗”的一声，伴有黄色火球出现。2.实验探究：寻找制取又大又轻氢气泡的最佳方法。答：制取又大又轻氢气气泡的方法：（1）可以用橡皮管，H2吹肥皂泡因玻璃管表面光滑，沾不住皂液，难以吹成，故用橡皮管。此外还可用竹管来代替。（2）待泡泡蚕豆大小，将管口迅速反转朝上。（3）大到一定程度，平移振动，使泡泡脱离。注：在做这个实验过程中，要注意组员之间的配合与合作。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；-5-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3.实验步骤：⑴验纯操作及实验现象（结合图形）：氢气的纯度检验：收集一试管氢气，集满氢气的试管用拇指堵住管口，管口朝下，立即移近酒精灯火焰，点燃试管里的氢气。点火后，根据声音判断氢气是否纯净，如果听到的是尖锐的爆鸣声，则表示氢气不纯，必须重新收集进行检验，直至听到“噗”的声音，才表明收集的氢气已经纯净，可以使用。重新收集氢气检验时，应另换一支试管进行操作，若仍使用原试管，要先用拇指堵住试管口一会儿，然后再去收集氢气进行点火验纯。见下图。实验现象：点火后，听到很小“噗”的声音，表明制备的氢气纯净。⑵点燃：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。实验现象：可明显看到氢气在空气中安静地燃烧，发出黄色火焰（尖嘴玻璃管中含钠导致）。在火焰上方罩一干燥的烧杯片刻烧杯内壁就有小水珠，摸烧杯外壁，感到微微发热。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。其原因是刚试验过的试管内，火焰可能没有完全熄灭，如果立即用此试管去收集氢气，可能会把氢气发生器内的氢气引燃，造成爆炸。所以，应先用拇指堵住管口一会儿，使火熄灭。㈡氢氧爆鸣实验1.相关知识：爆炸极限的范围空气中混有氢气的体积占总体积的4%～74.2%。2.实验装置图（注意对教材中插图的修正）：-6-3.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：取一小纸杯，在底部凿一火柴梗粗细小孔，食指堵住小孔，排水法集满H2后，倒放于桌面上，口部垫上石棉网以保证空气通畅。点燃火柴，放开手指，用火柴梗捅透小孔，点燃H2。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？答：可以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装置，用针戳个小孔并用燃着的木条在小孔处点燃，顿时，便会发出一声巨响。因为该实验用塑料袋随手可得，操作简便、安全。四、氢气还原氧化铜1.实验目的：认识氢气的还原性；掌握置换反应的概念教学。2.实验原理：H2+CuO=Cu+H2O3.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：取一干燥的硬质试管，底部铺薄薄一层氧化铜并倾斜安装于铁架台上，管口略低于底部，先通一会儿H2，然后加热，当管口有液滴出现时，CuO加热部位由黑色变为红热，再慢慢变为紫红色。撤掉酒精灯，继续通H2至试管冷却。6.实验安全提示：⑴试管口要向下倾斜，原因：防止生成的水倒流于热的试管底部时而使试管破裂。⑵通入氢气前要先验纯，并且导管口要插入至试管底部，然后先通入氢气后加热，反应后先撤灯再停止通入氢气。（口诀：氢气早出晚归）7.实验装置图：-7-实验现象：当管口有液滴出现时，CuO加热部位由黑色变为红热，再慢慢变为紫红色。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？答：影响氢气还原氧化铜实验的因素有锌粒的选择、稀硫酸的浓度、氢气的净化、氧化铜的用量和使用方法、加热的温度等。1、锌粒的选择：不宜用纯锌，因为纯锌与酸的反应速度较慢，相同质量的锌粒，圆粒的锌跟酸接触的面积要小于不规则形状的锌粒。所以最好选用纯度不高、形状不规则的锌粒。2、稀硫酸的浓度：氢气还原氧化铜实验中，若用稀硫酸制备氢气，硫酸的浓度以20%或3mol·L-1为宜。低于这个浓度，反应速度太慢；高于这个浓度，锌粒会钝化，反应速度也慢。3、氢气的净化：氢气要纯净，要得到较纯净的氢气并且量要充足4、氧化铜的用量及使用方法：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。氧化铜可选用市售的氧化铜粉末。氧化铜放入试管中要铺成斜面，这是为了增大氧化铜的受热面积和增大氧化铜与氢气的接触面，使反应更加充分。5、加热用的酒精灯焰应稍大一些或用三芯酒精灯，这样可使全部反应物得到加热且迅速达到较高的温度，以便反应能很好的剧烈进行。五、学习本次实验的体会（1）这次实验是非常有趣刺激的，会令人印象深刻。其实中学很多实验都是很吸引学生眼球的，学生的积极性会非常高的，老师引导好了可大大激发学生学习化学的兴趣，实验是化学教学一种非常有效的方法，作为化学教师应在平时日常教学中多多应用实验教学。比如在课上，可以给学生设计一些简单有趣的化学实验，如“鸡蛋跳舞”、“清水写红字”、“纸花变色”、“清水点鞭炮”等都是一些很好的实验题材，目的在于激发学生学习化学的兴趣。（2）在氢气爆鸣的实验中，会听到尖锐的爆鸣声，很刺耳。但是，发现有部分同学的爆鸣实验的声音不是很尖锐，比较小声。通过查找资料，爆炸极限的范围为空气中混有氢气的体积占总体积的4%～74.2%，也就是说当氢气占空气的体积比不同的时候，爆炸的声音也会不同。恰好完全反应时根据2H2+O2=2H2O，当氢气和氧气按照体积比是2：1混合点燃时爆鸣声最大，比例为H2：O2=2：1，O2空气中占20%（要求准确就取21%），1VH2要氧气要0.5V空气要2.5V，所以氢气与空气比例为2：5时声音最大。（3）在这次的爆鸣实验是用了纸杯来做，实际上爆鸣实验的方法有很多种。1、矿泉水瓶法2、用表面皿来做-8-（4）制备O2与制备H2的比较：气体装置图反应药品反应原理(反应方程式)收集方法（依据）O2高锰酸钾KMnO4（固体加热型）排水法(O2不易溶于水)向上排空气法(O2密度大于空气密度)氯酸钾KClO3二氧化锰MnO2（固体加热型）2KClO3催化剂△2KCl+3O2↑双氧水H2O二氧化锰MnO2（固体加液体不加热）H2O2催化剂H2O+O2↑H2锌粒Zn稀硫酸H2SO4（固体加液体不加热）Zn+H2SO4=ZnSO4+H2↑排水法(H2难溶于水)向下排空气法(H2密度小于空气密度)参考文献[1]肖常磊，钱扬义.中学化学实验教学论[M].化学工业出版社，2008:40-43[2]解大方，熊言林.氢气爆鸣实验集锦.中学化学参考[J].2005(8):67[3]曹治淮，郑永信.中学化学气体爆鸣实验探究.化学教学[J].2009(12)：6-7[4]北京师范大学无机化学教研室等编.无机化学实验[M].高等教育出版社.