实验三安全性实验及其教学研究中学化学实验报告.doc
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日期2014年4月2日;六周周三,下午;姓名学号2成绩
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=2H2O
2.还原性 H2+CuO=Cu+H2OD
(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
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。
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;
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):
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+H2O
3.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:
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
(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)
2KClO32KCl+3O2↑
双氧水H2O
二氧化锰MnO2
(固体加液体不加热)
H2O2H2O+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):
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[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.
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- 实验 安全性 及其 教学研究 中学化学 报告