氢气爆炸极限测定演示实验装置的新设计

氢气等可燃性气体的爆炸可能带来极为严重 的后果，因此，控制爆炸是石油、化工等行业的重 中之重。武丽娜等认为: 在石油、化工等行业 生产过程中，从原料到成品，使用、产生的易燃易 爆物质很多，一旦发生爆炸事故，常会带来非常严 重的后果，造成巨大的经济损失和人员伤亡，譬如 泵房垮塌、油罐爆炸着火、管道爆炸、装置报废、人 员伤亡等。因此，混合燃气爆炸极限的测定就成 为化工设计人员考虑最多的因素之一，也是中学 化学有必要介绍但目前相关演示实验装置还有待 改进的实验之一。

关于可燃性气体爆炸极限演示实验装置的设计，分别有孟宪昌、肖文中、 林建芬等进行研究且取得明显的演示效果。其 共同特点均为使用已制备的氢气、氧气进行混合 点燃，通过不同混合比例进行爆炸极限研究。以 林建芬所介绍的演示装置( 如图 1 所示) 为例， 图 1 林建芬设计的可燃性气体爆炸极限测定器 该装置通过改装的塑料瓶使用排水法实现不同比 例的气体混合，并用电子点火器引爆，演示氢气的 爆炸极限测定过程。该装置原理简单、现象明显， 但氢气氧气必须事先制备，不方便在教室现场演 示; 且气体体积的测定不够精确，在定量研究上还 存在可改进之处。 通过设计氢气氧气简易发生装置、借用碱式 滴定管等设计混合气体燃烧爆炸装置，可以在教 室现场演示氢气在氧气中爆炸极限的测定过程， 且测定的气体体积可精确到 0． 01 mL，有效提高 了数据测定的精确度。

1 装置的组成及使用方法
氢气爆炸极限测定演示实验装置由氢气发生 装置、氧气发生装置（北京中惠普空气发生器）、混合气体爆炸装置等三部分 组成，测定装置如图 2 所示。

1． 1 氢气简易发生装置的设计及使用
氢气 简 易 发 生 装 置 由 150 mL 的 锥 形 瓶、 50 mL 的碱式滴定管及双孔橡皮塞等组成。使用 的药品有长条锌片、常温下密度为 1． 20 g /mL 稀 硫酸。使用时在碱式滴定管的下端套上橡皮套 ( 或橡皮筋) ，橡皮套下方插入用于反应的长条 锌片( 如图 2 左图氢气发生装置) 。往锥形瓶中 加入 120 mL 稀硫酸，插入碱式滴定管并套紧，关 闭玻璃活塞。碱式滴定管下端的锌片接触稀硫 酸后开始反应生成氢气，产生的氢气将反应液压 入碱式滴定管。当反应液的液面下降到与锌片全部脱离后，反应停止。打开玻璃活塞，碱式滴 定管中 液 面 下 降，将 氢 气 压 到 混 合 气 体 爆 炸 装置。

1． 2 氧气简易发生装置的设计及使用
氧气简易发生装置与氢气简易发生装置相 同，使用的药品有用棉花包裹的二氧化锰粉末、常 温下浓度为 5% 的过氧化氢溶液。使用时在碱式 滴定管的下端用橡皮筋固定内部包有二氧化锰粉 末的棉花团( 如图 2 右图氧气发生装置) 。往锥 形瓶中加入 120 mL 5% 的过氧化氢溶液，插入碱 式滴定管并套紧，关闭玻璃活塞。碱式滴定管下 端的二氧化锰接触过氧化氢后开始反应生成氧 气，产生的氧气将反应液压入碱式滴定管。当反 应液的液面下降到与棉花团全部脱离后，反应停 止。打开玻璃活塞，碱式滴定管中液面下降将氧 气压到混合气体爆炸装置。

1． 3 混合气体爆炸装置
混合气体爆炸装置由 150 mL 的磨口锥形瓶、 改装的 50 mL 碱式滴定管、50 mL 的塑料三角漏 斗、气流单向阀及自制辅助装置组成。使用的药 品有溶有蔗糖的洗洁精、水。其中碱式滴定管改 装方法如下: 在碱式滴定管的下端加装玻璃外 管，外管下口处理成标准磨口，可与上述锥形瓶紧 密磨合在一起。外管上装有三个导气管，均带有 玻璃活塞。其中连接活塞 1、活塞 2 的两个导气 管分别用于充入氢气、氧气，第三个导气管用于将 混合气体放出进入气流单向阀生成气泡( 如图 2 中图混合气体爆炸装置) 。 使用时，往锥形瓶中装满水，塑料三角漏斗下 端插入气流单向阀，气流单向阀再套在活塞 3 所 连接的导气管上。三角漏斗中滴入 2 mL 溶有蔗 糖的洗洁精。将改装后的碱式滴定管插入集气瓶 ( 图 2 中图锥形瓶) ，剩余两个导管分别用橡皮管 连接氢气和氧气发生装置。控制氢气氧气发生装 置的玻璃活塞，可以将一定体积的氢气和氧气分 别导入集气瓶中进行充分混合。导入的气体将锥 形瓶中的水压入碱式滴定管中，通过碱式滴定管 上液面的上升读数可以判断导入的气体体积。打 开并控制三角漏斗下方玻璃活塞 3，碱式滴定管 中液面下降，将混合气体缓慢通过气流单向阀进 入三角漏斗中的洗洁精形成混合气体的肥皂泡。 由于溶解有蔗糖，使水分子间氢键明显增强，可以 得到大而稳定的肥皂泡。点燃该肥皂泡，通过 肥皂泡的不燃烧、安静燃烧、爆炸等现象判断爆炸 极限。由于该爆炸仅限于气体肥皂泡的爆炸，并有 气流单向阀阻断，爆炸产生的火焰不会被引到气体 发生装置中，确保安全。

2 氢气爆炸极限测定的实验步骤
国家标准《空气中可燃气体爆炸极限测定方 法》中给出了可燃气体与空气混合物爆炸极限的 具体测定方法［7］。该标准规定，用渐进法通过测 试确定极限值，测定爆炸下( 上) 限时，如果在某 浓度下未发生爆炸现象，则增大( 减少) 可燃气体 浓度直至测得能发生爆炸的最小( 大) 浓度; 如果 在某浓度下发生爆炸现象，则减少( 增大) 可燃气 体浓度直至测得不能发生爆炸的最小( 大) 浓度。 同一试验装置测得的重复试验结果，误差不应大 于 5% 。并且要求该测试要具有重复性，即同一 个测试人员测得的重复试验结果误差不应大于 5% ; 要具有再现性，不同实验室测得的重复试验 结果的平均值误差不应大于 10% 。按照该标准， 设计了以下实验步骤。

3 装置设计及使用的意义
中学生学习化学的时间和 动手实验的机会减少，学生学习化学的兴趣在消 退。解决这一问题的对策包括统筹兼顾演示实 验、分组实验、探究实验和家庭实验，提高师生研 究性学习能力等。本演示实验装置设计的初衷就 是通过模拟氢气爆炸极限的测定，强化学生对可 燃性气体燃烧安全性的关注，并在实验过程中强 化定量研究的严谨性。测定的结果是在该实验条 件下，北京中惠普氢气在氧气发生装置在中的爆炸极限为 14． 89% ～ 97． 33% 。但是，根据杨金翠等测定的结果为: 氢气在纯氧气中爆炸极限下限为 4． 0% ，上限为 94． 0% 。数据上存在较大差别的原因可能与测定 的条件有关，杨金翠等测定的数据是在隔绝空气 的条件下用电子脉冲点火的; 而本装置实验并未 完全隔绝空气，含有水蒸气且用明火点燃氢氧混 合气体形成的肥皂泡。基于正常的生活条件，完 全纯净的氢气和氧气的混合爆炸是不现实的，含 有水蒸气等气体的爆炸反而更常见。因此，在演 示实验后，应组织学生分析文献数据与本实验数 据的差别及其可能原因。通过分析，培养学生尊 重实验数据、辩证分析数据的科学习惯。本实验 装置已在课堂上进行演示，并在科学课中让小学 生、初中生、高中生等不同学段学生体验。通过让 更多的学生参与实验过程，使实验装置的教育和 警示作用得以更大范围的传播，这是装置设计及使用的意义。
1) 原理简单而创意不简单。设计的氢气、 氧气简易发生装置，用橡皮筋将锌片、棉花包裹二 氧化锰固定在滴定管下管实现固液分离，小创意 达到了启普发生器的效果。将剧烈危险的氢气爆 炸改进为氢氧肥皂泡的爆炸，既安全环保又可以 通过气泡的爆炸与否判断爆炸极限的范围，便于 推广应用。
2) 仪器简单而现象不简单。用改装的碱式 滴定管、锥形瓶、三角漏斗及气流单向阀等即可设 计出氢气爆炸极限测定的演示装置。以气泡的燃 烧、火焰的大小、爆鸣的声音等形成强烈的视觉和 听觉冲击，让学生更直观地理解爆炸极限的测定 原理。
3) 过程简单而影响不简单。将粗略的体积 测定改进为精确度为 0． 01 mL 的定量研究过程， 通过在课堂上演示、体验进行警示教育以及简易 的操作让学生体会启普发生器的原理、混合气体 燃烧爆炸的过程及爆炸极限测定的步骤、注意事 项，有效地提高了学生的化学学科核心素养。 总之，实验设计的目的不是为设计而设计，而 是为了解决生产、生活和学习中的问题。通过氢 气爆炸极限测定演示实验装置的创新设计、课堂 演示以及在科学课上体验，可以有效地提高了学 生的创新精神、实践能力和安全意识，有利于学生 核心素养的培养。