觀察氫氣燃燒火焰顏色實驗裝置的新設(shè)計

摘要：基于氫氣燃燒火焰實驗存在的不足，通過設(shè)計雙層三口平底燒瓶作為氣體發(fā)生裝置、設(shè)計底部帶活塞的球形干燥管作為導(dǎo)氣燃燒裝置、使用黑色三通管作為火焰觀察裝置等，可以在強光環(huán)境下觀察到氫氣燃燒火焰呈明顯藍(lán)色。新裝置課堂演示效果良好，通過真實感受氫氣燃燒的藍(lán)色火焰，有利于培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)精神。將研究過程作為項目式學(xué)習(xí)案例，可以在實踐中促進(jìn)學(xué)生創(chuàng)新素養(yǎng)的發(fā)展。關(guān)鍵詞：氫氣燃燒；藍(lán)色火焰；裝置改進(jìn)；實驗探究中學(xué)課堂演示的氫氣燃燒時的火焰與乙醇燃燒火焰有相似之處，一是顏色變化方面：中等濃度的乙醇水溶液燃燒火焰呈淡藍(lán)色，較高濃度的乙醇水溶液火焰為黃色[1]；而氫氣燃燒教材中描述為淡藍(lán)色，常見火焰卻為黃色，兩者的顏色變化有相似之處。二是觀察難度方面，中等濃度乙醇水溶液燃燒時呈淡藍(lán)色，在黑暗處可以明顯觀察到，但在光亮處近乎無色難以觀察[2]；氫氣的燃燒也一樣，如果出現(xiàn)淡藍(lán)色火焰，須在黑暗條件下才能明顯呈現(xiàn)。為了觀察到氫氣淡藍(lán)色火焰，程曉利老師特意安排在晚自習(xí)時演示該實驗[3]。以上相似之處，為氫氣燃燒火焰呈現(xiàn)明顯藍(lán)色的實驗再研究提供了破解之路。關(guān)于氫氣燃燒時黃色火焰出現(xiàn)的原因，部分老師認(rèn)為與導(dǎo)氣管的鈉元素有關(guān)。而葉永庚老師認(rèn)為導(dǎo)管材料不是主要影響因素，氫氣火焰顏色應(yīng)該與火焰的溫度有關(guān)，通過控制火焰溫度及氫氣與空氣的流量比可以得到淡藍(lán)色火焰[4]。該結(jié)論與乙醇燃燒火焰顏色的影響因素不謀而合，中等濃度乙醇燃燒時火焰呈藍(lán)色，而較高濃度乙醇燃燒時火焰呈黃色，原因就在于后者火焰溫度更高，導(dǎo)致火焰中水分子處于激發(fā)態(tài)并不斷振動-轉(zhuǎn)動從而產(chǎn)生紅光，紅光與藍(lán)色火焰重疊后產(chǎn)生黃色火焰[5]。中等濃度乙醇燃燒火焰在暗處呈現(xiàn)藍(lán)色而在強光下接近于無色，原因在于觀察時外界環(huán)境的強光產(chǎn)生了干擾?？梢灶愅?，要在課堂演示時呈現(xiàn)氫氣燃燒時明顯藍(lán)色的火焰，必須排除火焰中激發(fā)態(tài)水分子產(chǎn)生的紅光以及外界強光的干擾。如何排除這兩個因素的干擾，成為實驗再設(shè)計的主要方向?；鹧嬷屑ぐl(fā)態(tài)水分子的存在主要基于兩個條件，一是火焰中有水分子，這些水分子來自于反應(yīng)液的蒸發(fā)和氫氣燃燒的生成產(chǎn)物；二是火焰有足夠高的溫度，讓這些水分子成為激發(fā)態(tài)。因此，要減少激發(fā)態(tài)水分子的干擾，可以從減少火焰中的水分子含量及降低火焰的溫度兩個維度進(jìn)行設(shè)計。1設(shè)計雙層三口平底燒瓶作為發(fā)生裝置減少反應(yīng)液水蒸氣進(jìn)入火焰干擾課堂演示制備氫氣的實驗離不開酸液作為反應(yīng)物，反應(yīng)時放出的熱量可以使酸中的部分液態(tài)水變?yōu)闅鈶B(tài)水隨著氫氣進(jìn)入火焰燃燒，在高溫下變成激發(fā)態(tài)水分子振動-轉(zhuǎn)動產(chǎn)生紅光。為了盡量減少反應(yīng)液水蒸氣的干擾，可以借鑒研究環(huán)境溫度對乙醇燃燒火焰顏色影響的演示裝置原理[6]，設(shè)計雙層三口平底燒瓶作為氫氣的發(fā)生裝置（圖1）。該燒瓶設(shè)計為雙層結(jié)構(gòu)，內(nèi)筒作為反應(yīng)容器，容積設(shè)計為75mL，可盛裝50mL反應(yīng)液，鋅粒及稀硫酸放入其中反應(yīng)生成氫氣；外筒用于盛放冷水，用于冷卻反應(yīng)液，容積設(shè)計為1000mL，目的在于通過大量的冷水冷卻反應(yīng)液，提高冷卻效果。該燒瓶上部設(shè)計有三個瓶口，其中左瓶口與外筒相通，作為往外筒加入冷水的瓶口；中瓶口與內(nèi)筒相通，用于往內(nèi)筒中加入反應(yīng)物及將氫氣導(dǎo)出以便燃燒火焰觀察；右瓶口與內(nèi)筒相通，連接帶有活塞的氣體轉(zhuǎn)接口和橡皮導(dǎo)管如圖1所示，將內(nèi)筒氣體導(dǎo)出到燒杯中的洗潔精水溶液，通過燃燒產(chǎn)生的氣泡進(jìn)行驗純和尾氣處理。2設(shè)計底部帶活塞的球形干燥管作為導(dǎo)氣燃燒裝置減少反應(yīng)生成的水蒸氣干擾火焰中的水分子除了來自反應(yīng)液的蒸發(fā)，氫氣燃燒生成的水分子更是主要來源。燃燒時生成的水分子是無法從火焰中分離的，因此通過降溫使其無法變成激發(fā)態(tài)成為設(shè)計的方向。降溫的設(shè)計分為兩部分，一是使產(chǎn)生的氫氣在燃燒前先冷卻下來；二是使火焰溫度在燃燒口冷卻下來，達(dá)到減少激發(fā)態(tài)水分子出現(xiàn)的設(shè)計意圖。關(guān)于第一部分的設(shè)計，梁保勝老師采用的方法是：往燒杯中的水溶液加入氯化銨固體，利用其溶解吸熱冷卻，再將氫氣通過該溶液[7]。該方法雖有巧妙之處，但與發(fā)生裝置無法融成一體。關(guān)于第二部分的設(shè)計，程曉利老師使用錫箔紙作為燃燒口[8]、張娟老師使用玻璃漏斗口作為燃燒口[9]，通過錫箔紙的吸熱或者漏斗口的散熱降低燃燒時的火焰溫度。但經(jīng)過驗證，以上兩種方法效果均不夠理想。為了將導(dǎo)氣管、燃燒口和上述雙層三口平底燒瓶（以下簡稱三口燒瓶）的中瓶口有效連接，可以將冷凝管作為導(dǎo)氣燃燒的一體化裝置進(jìn)行改進(jìn)。設(shè)計的第一步是提高冷凝的效果，主要從冷凝管的內(nèi)管形狀和有效冷凝長度選起。首先要選擇合適的內(nèi)管形狀，冷凝管有直形、球形、蛇形等多種類型，經(jīng)過試探，發(fā)現(xiàn)直行冷凝管中氣體流速太快，冷卻效果欠佳；蛇形冷凝管雖然冷卻效果最好，但流速太慢，氫氣無法順利燃燒；最合適的內(nèi)管是球形的，既保證了冷卻效果又有足夠的流速讓氫氣可以順利燃燒。其次選擇合適的有效冷凝長度，電商平臺上可以購買的冷凝管有效冷凝長度從100mm到1000mm不等。一般認(rèn)為，有效冷凝長度越長，冷卻效果越好。但因氫氣是通過該內(nèi)管后才進(jìn)行燃燒的，如果冷凝管太長，內(nèi)管中勢必存在更多的空氣，氫氣帶著這些空氣進(jìn)入燃燒口，點燃的瞬間會發(fā)生較為劇烈的爆炸，使得實驗的安全性大打折扣。為此，選擇有效長度為120mm的球形冷凝管進(jìn)行實驗。設(shè)計的第二步就是要考慮實驗的安全性問題，除了上述控制冷凝管的有效長度外，還要注意火焰不能進(jìn)入發(fā)生裝置。燃燒后期隨著氫氣氣流的減少，火焰會縮入冷凝管內(nèi)管并隨之下降。因此，從儀器設(shè)計的角度考慮安全問題，就必須在球形冷凝管的下端管口要增設(shè)一個玻璃活塞，用于控制燃燒的發(fā)生和結(jié)束。冷凝管的上口可以作為氫氣的燃燒口，因其為玻璃材質(zhì)且口徑較大，散熱效果較好有利于降低火焰溫度減少激發(fā)態(tài)水分子的出現(xiàn)。但常見的冷凝管管口都是磨砂處理的，不利于火焰顏色的觀察，因此制作時應(yīng)強調(diào)不進(jìn)行磨砂處理。為了防止外管中的冷凝水流出，可以在外管的出水口處用橡皮膠頭套住，改進(jìn)后的球形冷凝管如圖2。3選擇黑色三通管作為火焰觀察裝置減少強光對藍(lán)色火焰的干擾在減少了激發(fā)態(tài)水分子產(chǎn)生的紅光干擾之后，氫氣燃燒以藍(lán)色為主，但在強光下幾乎觀察不到。為了解決這個問題，劉建國等老師專門設(shè)計了暗盒進(jìn)行觀測[10]。更簡單的方法是，直接選擇五金店用于連接水管的黑色三通管作為觀察口。三通管的下口經(jīng)處理后罩進(jìn)冷凝管燃燒口，中口作為火焰燃燒觀察口；為了減少上部強光的干擾，上口用橡皮塞堵住。將帶活塞的球形漏斗下管口插入三口燒瓶的中瓶口，再將三通管下管口套在球形漏斗上管口，即可組裝成可觀察到氫氣燃燒火焰呈明顯藍(lán)色的新裝置（圖3）。4實驗過程和現(xiàn)象（1）藥品的準(zhǔn)備：為了讓氫氣能在冷凝管口順利燃燒起來，必須使氫氣有較快的生成速率。加快速率本可以使用提高反應(yīng)液溫度的辦法，但由此又導(dǎo)致更多水蒸氣蒸發(fā)進(jìn)入火焰中，因此借鑒張娟老師的做法[11]，利用原電池原理加快反應(yīng)速率。稱取鋅粒13.0克放入燒杯中，加入3.0克硫酸亞鐵粉末，再加50毫升蒸餾水，攪拌靜置30分鐘后，鋅粒表面附有部分鐵層，洗滌待用。同時，配制密度為1.20g/mL（20℃）的稀硫酸待用[12]，配制洗潔精水溶液待用。（2）儀器的準(zhǔn)備：往三口燒瓶的左瓶口加入冷水至充滿外筒后，用玻璃塞塞住該瓶口。往球形冷凝管的入水口加入冷水至充滿外管（用橡皮膠頭套住出水口）。（3）氣密性的檢查：按圖3裝配好儀器后，關(guān)閉三口燒瓶右瓶口的連接口活塞，打開冷凝管下端活塞，往冷凝管管口加水至內(nèi)管中部。一段時間后，若三口燒瓶內(nèi)筒未充滿液體且冷凝管中液面保持不變，說明裝置的氣密性良好。（4）氫氣的驗純：實驗開始時，先取下球形冷凝管，往三口燒瓶中放入用硫酸亞鐵處理好的鋅粒，倒入50mL密度為1.20g/mL（25℃）的稀硫酸，再插上球形冷凝管。關(guān)閉冷凝管下端活塞，打開右管口轉(zhuǎn)接管活塞，生成的氣體進(jìn)入燒杯中的洗潔精水溶液形成氣泡。點燃生成的氫氣氣泡，直至點燃時聲音為沉悶的“噗”的一聲，說明氫氣已經(jīng)純凈。（5）氫氣的燃燒及火焰顏色的觀察：驗純后，打開冷凝管下端活塞，關(guān)閉右瓶口轉(zhuǎn)接口活塞，片刻后用點火槍靠近冷凝管管口點火，一聲沉悶的爆鳴聲后，氫氣燃燒起來。在燃燒著的火焰的上方套上黑色塑料三通管，通過三通管的中口觀察，即可在光亮環(huán)境下觀察到明顯的藍(lán)色火焰。（6）尾氣的處理：實驗結(jié)束后，打開三口燒瓶右瓶口轉(zhuǎn)接管活塞，關(guān)閉冷凝管下端活塞，將氫氣尾氣導(dǎo)入洗潔精水溶液形成氫氣氣泡。用點燃法處理氫氣氣泡，確保實驗安全。結(jié)語：解決氫氣燃燒火焰顏色干擾問題，是一個不斷選擇和優(yōu)化的過程。探究過程找到了減少火焰中激發(fā)態(tài)水分子和外界強光干擾的因素，為新實驗裝置的設(shè)計提供了方向，使藍(lán)色火焰得以在光亮條件下明顯呈現(xiàn)。新裝