观察氢气燃烧火焰颜色实验装置的新设计

摘要：基于氢气燃烧火焰实验存在的不足，通过设计双层三口平底烧瓶作为气体发生装置、设计底部带活塞的球形干燥管作为导气燃烧装置、使用黑色三通管作为火焰观察装置等，可以在强光环境下观察到氢气燃烧火焰呈明显蓝色。新装置课堂演示效果良好，通过真实感受氢气燃烧的蓝色火焰，有利于培养学生的科学精神。将研究过程作为项目式学习案例，可以在实践中促进学生创新素养的发展。关键词：氢气燃烧；蓝色火焰；装置改进；实验探究中学课堂演示的氢气燃烧时的火焰与乙醇燃烧火焰有相似之处，一是颜色变化方面：中等浓度的乙醇水溶液燃烧火焰呈淡蓝色，较高浓度的乙醇水溶液火焰为黄色[1]；而氢气燃烧教材中描述为淡蓝色，常见火焰却为黄色，两者的颜色变化有相似之处。二是观察难度方面，中等浓度乙醇水溶液燃烧时呈淡蓝色，在黑暗处可以明显观察到，但在光亮处近乎无色难以观察[2]；氢气的燃烧也一样，如果出现淡蓝色火焰，须在黑暗条件下才能明显呈现。为了观察到氢气淡蓝色火焰，程晓利老师特意安排在晚自习时演示该实验[3]。以上相似之处，为氢气燃烧火焰呈现明显蓝色的实验再研究提供了破解之路。关于氢气燃烧时黄色火焰出现的原因，部分老师认为与导气管的钠元素有关。而叶永庚老师认为导管材料不是主要影响因素，氢气火焰颜色应该与火焰的温度有关，通过控制火焰温度及氢气与空气的流量比可以得到淡蓝色火焰[4]。该结论与乙醇燃烧火焰颜色的影响因素不谋而合，中等浓度乙醇燃烧时火焰呈蓝色，而较高浓度乙醇燃烧时火焰呈黄色，原因就在于后者火焰温度更高，导致火焰中水分子处于激发态并不断振动-转动从而产生红光，红光与蓝色火焰重叠后产生黄色火焰[5]。中等浓度乙醇燃烧火焰在暗处呈现蓝色而在强光下接近于无色，原因在于观察时外界环境的强光产生了干扰。可以类推，要在课堂演示时呈现氢气燃烧时明显蓝色的火焰，必须排除火焰中激发态水分子产生的红光以及外界强光的干扰。如何排除这两个因素的干扰，成为实验再设计的主要方向。火焰中激发态水分子的存在主要基于两个条件，一是火焰中有水分子，这些水分子来自于反应液的蒸发和氢气燃烧的生成产物；二是火焰有足够高的温度，让这些水分子成为激发态。因此，要减少激发态水分子的干扰，可以从减少火焰中的水分子含量及降低火焰的温度两个维度进行设计。1设计双层三口平底烧瓶作为发生装置减少反应液水蒸气进入火焰干扰课堂演示制备氢气的实验离不开酸液作为反应物，反应时放出的热量可以使酸中的部分液态水变为气态水随着氢气进入火焰燃烧，在高温下变成激发态水分子振动-转动产生红光。为了尽量减少反应液水蒸气的干扰，可以借鉴研究环境温度对乙醇燃烧火焰颜色影响的演示装置原理[6]，设计双层三口平底烧瓶作为氢气的发生装置（图1）。该烧瓶设计为双层结构，内筒作为反应容器，容积设计为75mL，可盛装50mL反应液，锌粒及稀硫酸放入其中反应生成氢气；外筒用于盛放冷水，用于冷却反应液，容积设计为1000mL，目的在于通过大量的冷水冷卻反应液，提高冷却效果。该烧瓶上部设计有三个瓶口，其中左瓶口与外筒相通，作为往外筒加入冷水的瓶口；中瓶口与内筒相通，用于往内筒中加入反应物及将氢气导出以便燃烧火焰观察；右瓶口与内筒相通，连接带有活塞的气体转接口和橡皮导管如图1所示，将内筒气体导出到烧杯中的洗洁精水溶液，通过燃烧产生的气泡进行验纯和尾气处理。2设计底部带活塞的球形干燥管作为导气燃烧装置减少反应生成的水蒸气干扰火焰中的水分子除了来自反应液的蒸发，氢气燃烧生成的水分子更是主要来源。燃烧时生成的水分子是无法从火焰中分离的，因此通过降温使其无法变成激发态成为设计的方向。降温的设计分为两部分，一是使产生的氢气在燃烧前先冷却下来；二是使火焰温度在燃烧口冷却下来，达到减少激发态水分子出现的设计意图。关于第一部分的设计，梁保胜老师采用的方法是：往烧杯中的水溶液加入氯化铵固体，利用其溶解吸热冷却，再将氢气通过该溶液[7]。该方法虽有巧妙之处，但与发生装置无法融成一体。关于第二部分的设计，程晓利老师使用锡箔纸作为燃烧口[8]、张娟老师使用玻璃漏斗口作为燃烧口[9]，通过锡箔纸的吸热或者漏斗口的散热降低燃烧时的火焰温度。但经过验证，以上两种方法效果均不够理想。为了将导气管、燃烧口和上述双层三口平底烧瓶（以下简称三口烧瓶）的中瓶口有效连接，可以将冷凝管作为导气燃烧的一体化装置进行改进。设计的第一步是提高冷凝的效果，主要从冷凝管的内管形状和有效冷凝长度选起。首先要选择合适的内管形状，冷凝管有直形、球形、蛇形等多种类型，经过试探，发现直行冷凝管中气体流速太快，冷却效果欠佳；蛇形冷凝管虽然冷却效果最好，但流速太慢，氢气无法顺利燃烧；最合适的内管是球形的，既保证了冷却效果又有足够的流速让氢气可以顺利燃烧。其次选择合适的有效冷凝长度，电商平台上可以购买的冷凝管有效冷凝长度从100mm到1000mm不等。一般认为，有效冷凝长度越长，冷却效果越好。但因氢气是通过该内管后才进行燃烧的，如果冷凝管太长，内管中势必存在更多的空气，氢气带着这些空气进入燃烧口，点燃的瞬间会发生较为剧烈的爆炸，使得实验的安全性大打折扣。为此，选择有效长度为120mm的球形冷凝管进行实验。设计的第二步就是要考虑实验的安全性问题，除了上述控制冷凝管的有效长度外，还要注意火焰不能进入发生装置。燃烧后期随着氢气气流的减少，火焰会缩入冷凝管内管并随之下降。因此，从仪器设计的角度考虑安全问题，就必须在球形冷凝管的下端管口要增设一个玻璃活塞，用于控制燃烧的发生和结束。冷凝管的上口可以作为氢气的燃烧口，因其为玻璃材质且口径较大，散热效果较好有利于降低火焰温度减少激发态水分子的出现。但常见的冷凝管管口都是磨砂处理的，不利于火焰颜色的观察，因此制作时应强调不进行磨砂处理。为了防止外管中的冷凝水流出，可以在外管的出水口处用橡皮胶头套住，改进后的球形冷凝管如图2。3选择黑色三通管作为火焰观察装置减少强光对蓝色火焰的干扰在减少了激发态水分子产生的红光干扰之后，氢气燃烧以蓝色为主，但在强光下几乎观察不到。为了解决这个问题，刘建国等老师专门设计了暗盒进行观测[10]。更简单的方法是，直接选择五金店用于连接水管的黑色三通管作为观察口。三通管的下口经处理后罩进冷凝管燃烧口，中口作为火焰燃烧观察口；为了减少上部强光的干扰，上口用橡皮塞堵住。将带活塞的球形漏斗下管口插入三口烧瓶的中瓶口，再将三通管下管口套在球形漏斗上管口，即可组装成可观察到氢气燃烧火焰呈明显蓝色的新装置（图3）。4实验过程和现象（1）药品的准备：为了让氢气能在冷凝管口顺利燃烧起来，必须使氢气有较快的生成速率。加快速率本可以使用提高反应液温度的办法，但由此又导致更多水蒸气蒸发进入火焰中，因此借鉴张娟老师的做法[11]，利用原电池原理加快反应速率。称取锌粒13.0克放入烧杯中，加入3.0克硫酸亚铁粉末，再加50毫升蒸馏水，搅拌静置30分钟后，锌粒表面附有部分铁层，洗涤待用。同时，配制密度为1.20g/mL（20℃）的稀硫酸待用[12]，配制洗洁精水溶液待用。（2）仪器的准备：往三口烧瓶的左瓶口加入冷水至充满外筒后，用玻璃塞塞住该瓶口。往球形冷凝管的入水口加入冷水至充满外管（用橡皮胶头套住出水口）。（3）气密性的检查：按图3装配好仪器后，关闭三口烧瓶右瓶口的连接口活塞，打开冷凝管下端活塞，往冷凝管管口加水至内管中部。一段时间后，若三口烧瓶内筒未充满液体且冷凝管中液面保持不变，说明装置的气密性良好。（4）氢气的验纯：实验开始时，先取下球形冷凝管，往三口烧瓶中放入用硫酸亚铁处理好的锌粒，倒入50mL密度为1.20g/mL（25℃）的稀硫酸，再插上球形冷凝管。关闭冷凝管下端活塞，打开右管口转接管活塞，生成的气体进入烧杯中的洗洁精水溶液形成气泡。点燃生成的氢气气泡，直至点燃时声音为沉闷的“噗”的一声，说明氢气已经纯净。（5）氢气的燃烧及火焰颜色的观察：验纯后，打开冷凝管下端活塞，关闭右瓶口转接口活塞，片刻后用点火枪靠近冷凝管管口点火，一声沉闷的爆鸣声后，氢气燃烧起来。在燃烧着的火焰的上方套上黑色塑料三通管，通过三通管的中口观察，即可在光亮环境下观察到明显的蓝色火焰。（6）尾气的处理：实验结束后，打开三口烧瓶右瓶口转接管活塞，关闭冷凝管下端活塞，将氢气尾气导入洗洁精水溶液形成氢气气泡。用点燃法处理氢气气泡，确保实验安全。结语：解决氢气燃烧火焰颜色干扰问题，是一个不断选择和优化的过程。探究过程找到了减少火焰中激發态水分子和外界强光干扰的因素，为新实验装置的设计提供了方向，使蓝色火焰得以在光亮条件下明显呈现。新装