金属与酸反应和氢气爆炸的创新实验设计

摘要：金属与酸溶液反应产生氢气是初中化学的重要内容，作者分别对金属与酸反应的定量实验进行了增添注射器的改进、对氢气的爆炸实验进行了创新。实验改进后，操作简便、现象明显，尤其是氢气的爆炸实验效果好，让人印象深刻。在复习课时巧妙应用该实验既培养学生运用所学所知来解决新情境中的新问题的能力，又可以提升学生的思维高度、激发学习化学的兴趣。

初中化学学科特点具有启蒙性、基础性，要求注重每一个学生核心素养的养成。“在核心素养视域下，赋予复习课独特的教育价值和课程意蕴，即对知识的回忆、提取和重组，是学生面对更加复杂的学习情境时理解特定信息、实现知识整合和问题解决的策略行为。这样的教学需要教师转变教学观念，能理解核心素养下的知识属性，并具有相应的课程开发和实施能力。”Ⅲ。故如何培养学生运用所学所知来解决新情境中的新问题的能力是每一位一线教师需要认真思考的。

初三化学初看知识繁杂，细致思考会发现知识内在联系紧密，笔者就金属与稀硫酸的反应为例深入分析教材，灵活运用创新实验创造复习课的亮点。具体的创新实验设计如下：

一、设计意图

金属与稀硫酸的反应是人教版初中化学教材下册第八单元课题2《金属的化学性质》中的重要内容，上接氢气的性质，下启酸碱盐的知识点，再深度挖掘教材可以衔接高中化学中原电池等知识点。所以每年的中考，金属与酸反应都是热点和难点。习题评讲时发现，学生对于酸与金属反应的图像题难以理解，错误率极高。一轮复习时如何巧妙设计复习流程，成功地将教材深度挖掘出来;如何设计简单实验以便更直观地观察到过量的不同金属与同浓度等体积的酸溶液反应的快慢以及产生氢气的多少、等量不同金属与足量的同浓度的酸溶液反应的快慢以及产生氢气的多少，需要执教者设计出化隐为显、原理简单、操作方便的实验来帮助教学。本实验的设计经历了几个阶段，笔者又增加安排了有关氢气与空气的混合物点燃是否一定爆炸这一问题的探究。在讲授第八单元课题3《金属资源的利用和保护》中实验室模拟炼铁的操作时强调CO气体需“早出”，教者就在思考能否设计一个简单实验验证氢气与空气混合后的爆炸可能性，借助本装置就可以很容易做到，同时引出氢气的爆炸极限这一知识盲点。

二、实验仪器改进过程与问题解决

1.注射器的使用

传统的教学中在解决“不同金属与酸反应的速率不同”这一知识点时，往往不是借助多媒体动画效果，就是使用点滴板，让学生肉眼观察，大致区分产生气泡的快慢。不能从定量的角度（相同时间比较产生气体的体积多少）明显地区分反应速率的不同。利用生活中的注射器可以很轻松地解决这一问题，于是教者搭建出了最初的设计装置。

2.药品的选用

首先硫酸的浓度的选择，浓度大反应太陕，不易观察，且过快产生气体就难将注射器内的液体全部压人试管。浓度过低，反应所需时间较长，不利于课堂教学。最终确定选择1.2mol/L的稀硫酸，效果较佳。稀硫酸的用量也需要考虑，经过简单计算选择2mL的量。

其次是金属的选择，为了控制变量选择表面积相同的镁条和锌条，分别打磨后进行实验，发现锌条速率明显很慢。而取初中化学实验药品中的锌粒则反应速率明显加快。由此发现可以深度挖掘的新题材——原电池效应以及牺牲阳极保护法，与高中化学教材有效衔接。

三、金属与酸的反应实验改进

1.实验用品

实验仪器：小试管、注射器、橡皮塞、试管架

实验药品：镁条、锌粒（含铁等杂质）、锌条、

1.2mol/L的稀硫酸

2.实验装置如图1

2.实验装置如图2。

3.买验步骤和现象

（1）组装好实验装置、检查气密性。

（2）分别向小试管中加入足量的打磨过的镁条、锌粒（含铁等杂质）、锌条、用注射器抽取2mL的稀硫酸，分别注入试管，观察实验现象。相同时间内，镁条产生的气体体积最大，其次是锌粒，而锌条的反应速率明显比锌粒慢，最终三者气体体积相同。

（3）分别向小试管中加入0.05g的打磨过的镁条、锌粒（含铁等杂质）、锌条、用注射器抽取2mL的稀硫酸，分别注入试管，观察实验现象。相同时间内，镁条产生的气体体积最大，其次是锌粒，而锌条的反应速率明显比锌粒慢，最终镁条产生的气体体积最大、锌粒较锌条产生气体体积略大。

定量角度观察金属与酸的反应，解决新课教学时遗留的图像难题。而进一步分析锌粒与锌条反应速率的不同，拓展保护金属的第三种方法（牺牲阳极保护法）、原電池效应。通过本次实验分析，结合本市靠海的地理位置介绍轮船的防腐的方法，促进学生形成留意生活、勤于思考、敢于探究的学习方法。

四、氢气爆炸实验改进

1.实验用品

实验仪器：小试管、注射器、橡皮塞

实验药品：镁条、1.2mol/L的稀硫酸、火柴

3.买验步骤和现象

分别向三只小试管中加入足量的打磨过的镁条，用注射器抽取2mL的稀硫酸、分别注入试管，各收集10mL、20mL、50mL的气体，靠近燃着的火柴，推动注射器。观察到10mL的气体无现象，20mL的气体发生爆炸，50mL的气体可以安静地燃烧。

经过多次试验和简算换算，发现当注射器内气体的体积小于等于19mL时，靠近燃着的火柴，推动注射器，无明显现象。当注射器内气体的体积在20mL到45mL时，靠近燃着的火柴，推动注射器，发生爆炸。当注射器内气体的体积大于45mL时，靠近燃着的火柴，推动注射器，气体可以安静地燃烧。

本次实验数据记录如表1：（使用的试管体积为16mL，使用注射器的量程为60mL）

教材中介绍到氢气爆炸极限是4.0%～75.6%（体积浓度），意思是如果氢气在空气中的体积浓度在4.0%～75.6%之间时，遇火源就会爆炸，而当氢气浓度小于4.0%或大于75.6%时，即使遇到火源，也不会爆炸。本次简单实验可验证爆炸极限这一知识点，但在粗略计算后本次实验的爆炸极限较课本略有出入。于是查阅了相关资料，认识到氢气在流动状态下的爆炸特性，湍流强度增加时，氢气的爆炸下限升高，爆炸上限下降，爆炸范围变窄。

五、设计特色

金属与酸的反应改进实验现象明显，操作简便，生动有趣，有利于学生理解，适合复习课或习题课时

教师演示，提高学习效率，顺利攻克教学难点。另外该实验设计了锌粒、锌条与酸的对比反应，拓展学生知识视野。既为高中化学的学习奠定一定的基础，又联系生活实际、提升学生的思维高度、激发学习化学的兴趣乃至树立终身学习化学的信念。就初中学生的认知层次来说氢气爆炸实验的改进可以帮助学生更直观地观察并理解实验室制取气体时不可以一开始就收集气体的原因，同时纠正氢气和空气混合点燃一定爆炸的知识误区，加深理解可燃物的爆炸极限概念，提升学生的思维能力和学习兴趣。