化學(xué)課程中煙花爆竹專業(yè)實驗的設(shè)計研究

陳蕾

化學(xué)課程中煙花爆竹專業(yè)實驗的設(shè)計研究

陳蕾

煙花爆竹是我國的傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)，在經(jīng)濟(jì)發(fā)展中發(fā)揮著地方支柱性產(chǎn)業(yè)的作用。然而，由于開設(shè)煙花爆竹專業(yè)的高校少、專業(yè)創(chuàng)設(shè)的時間有限、生源不足等原因，導(dǎo)致該課程的實驗室建設(shè)面臨一定的壓力。煙花爆竹藥劑特殊的化學(xué)屬性要求實驗設(shè)計與研究必須建立在安全、環(huán)保的基礎(chǔ)上。煙花爆竹專業(yè)化學(xué)課的實驗設(shè)計與研究必須多方面綜合考慮，為學(xué)生提供安全、環(huán)保、具有實踐意義的教學(xué)環(huán)境，讓學(xué)生在了解化學(xué)知識的同時，提高操作技能。

煙花爆竹；化學(xué)課程；實驗設(shè)計

2006年，湖南安全技術(shù)職業(yè)學(xué)院首屆煙花爆竹專業(yè)示范單位正式招生，煙花爆竹有其特殊的專業(yè)屬性，社會對該專業(yè)的認(rèn)知不足，所以生源有限，為其專業(yè)的建設(shè)、教師的引進(jìn)、實驗室的建設(shè)均帶來一定的壓力，也為該專業(yè)的化學(xué)課程實驗設(shè)計提供了一定的機(jī)遇。

一、化學(xué)課程實驗設(shè)計的理論基礎(chǔ)

（一）辯證唯物主義

辯證唯物主義認(rèn)為，事物是客觀存在的，認(rèn)知是對客觀事物的主觀反映，意識具有主觀能動性。在化學(xué)實驗過程中，學(xué)生通過觀察與動手操作，提升了分析問題與解決問題的能力，并能對化學(xué)過程從感性認(rèn)識上升到理性認(rèn)識。化學(xué)實驗的設(shè)計與操作必須從認(rèn)識事物的表象開始，通過親自動手操作，對實驗的儀器、過程與操作形成一個完善的實踐活動，在認(rèn)知領(lǐng)域形成深刻的理論成果。

（二）構(gòu)建主義教學(xué)理論

構(gòu)建主義認(rèn)為，知識并不是靠教師對學(xué)生的單一傳授，而是學(xué)生在學(xué)習(xí)與實踐過程中形成的自我認(rèn)知，學(xué)習(xí)過程是學(xué)生主動探索與構(gòu)建自己知識經(jīng)驗的復(fù)雜過程。以化學(xué)課程為例在學(xué)生初步了解知識背景與實驗原理的前提下，進(jìn)行一定的科學(xué)實驗設(shè)計，可以幫助學(xué)生理解和鞏固所學(xué)概念與知識的深刻含義，加深對元素構(gòu)成、物質(zhì)性質(zhì)的印象和理解，使學(xué)生完善自己已有的理論框架，形成自己的理性認(rèn)知。

二、化學(xué)實驗設(shè)計遵循的原則

（一）安全性原則

設(shè)計實驗時應(yīng)盡量避免有毒物品與危險性藥品的使用，如果必須使用，也應(yīng)該在一定的劑量與說明下慎重選擇，避免對學(xué)生和教師造成傷害。實驗者要對煙花爆竹的實驗材料有充分的認(rèn)識，煙花爆竹使用的藥劑基本的組成成分是氧化劑和可燃劑，必要時還需要使用粘合劑與功能添加劑。其中，氧化劑提供氧，可燃劑提供燃燒時的熱量，黏合劑使煙花爆竹制品達(dá)成一定的黏合性，三者在一定的空氣條件下結(jié)合，發(fā)生燃燒現(xiàn)象。這三種原材料的結(jié)合具有易燃、易爆和一定的破壞性，這對該課程的實驗設(shè)計提出了更高的要求。

（二）可行性原則

煙花爆竹所用的材料和原料多數(shù)具有一定的可燃性與氧化性，如何保證所選擇原料與反應(yīng)模式的可行性，煙花爆竹實驗所需要的藥品、實驗設(shè)施與所需環(huán)境要在現(xiàn)階段的教學(xué)條件下能夠供應(yīng)，這是化學(xué)實驗的可行性原則。例如，煙花爆竹所使用的黑火藥，其化學(xué)成分為硝酸鉀、硫黃和木炭等，在這個反應(yīng)中，如果用亞硝酸鉀來代替硝酸鉀，將不具備一定的可行性，對實驗的預(yù)期會有一定的影響。

三、煙花爆竹的化學(xué)實驗設(shè)計

（一）煙花爆竹燃燒爆炸的化學(xué)原理

煙花爆竹所使用的藥劑是自身就能進(jìn)行自持燃燒或爆炸反應(yīng)的煙火藥劑，大多發(fā)生的是氧化還原反應(yīng)。煙花爆竹應(yīng)用最為廣泛的配方藥劑是黑火藥，其主要的化學(xué)成分為硝酸鉀、硫黃和木炭，通常的比例為75%的硝酸鉀、10%的硫黃、15%的木炭。木炭、氧氣和硫黃結(jié)合，引起劇烈燃燒，短時間內(nèi)便產(chǎn)生大量的熱和氮氣、二氧化碳等氣體，此反應(yīng)是典型的氧化還原反應(yīng)，反應(yīng)方程式為：S+2KNO3+3C=K2S+ 3CO2↑+N2↑。硝酸鉀的分解與木炭硫黃等燃燒之后的體積急劇膨脹，壓力突破一定的閾值便產(chǎn)生爆炸。數(shù)據(jù)顯示，約為4g黑火藥著火燃燒時可以產(chǎn)生約280L氣體，體積可在瞬間內(nèi)膨脹近萬倍。此化學(xué)反應(yīng)伴有爆炸異響，并有固體的產(chǎn)生和濃煙冒出，再加上用各種金屬鹽類作為有色發(fā)光劑，便形成了現(xiàn)在煙花爆竹的絢麗景象。

（二）煙花爆竹原材料化學(xué)成分的選擇

由于煙花爆竹組成的成分不同，會導(dǎo)致出現(xiàn)的燃燒現(xiàn)象也不同。通常情況下，除了必要的氧化劑、黏合劑與可燃劑外，燃燒反應(yīng)時還可添加一定的附加成分，這種附加成分使燃燒時火焰顏色各不相同，并且保證煙火的呈現(xiàn)效果有所不同。要實現(xiàn)這樣的效果需要遵循以下幾點要求。

穩(wěn)定性：化學(xué)反應(yīng)式中的各種燃料在選擇時應(yīng)優(yōu)先選擇那些化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定的、安定性好的，以保證化學(xué)反應(yīng)的效果不受影響。

不吸濕性：所有的成分必須在干燥穩(wěn)定的情況下存放，避免水分子的摻入，潮濕后會導(dǎo)致整體的化學(xué)反應(yīng)效果不佳以及造成煙花爆竹原材料的不穩(wěn)定。

易于存放性：由于煙花爆竹原料本身存在風(fēng)險，要優(yōu)先選擇相對易于存放的物品優(yōu)先選擇，因為煙花產(chǎn)品的節(jié)慶性與禮品屬性，其原料屬性必須易于存放。

安全性：安全性是煙花爆竹產(chǎn)品首先要考慮的重要因素，對于易燃、易爆物品的選擇與存放都要特別注意，尤其在實驗室進(jìn)行現(xiàn)場實驗時，要保證在師生共同體驗實驗效果的情況下，做到安全、穩(wěn)定、無害。

（三）煙花爆竹專業(yè)化學(xué)實驗的設(shè)計

1．氧化還原反應(yīng)實驗。這類實驗大多是試管實驗，這就要求實驗者能夠準(zhǔn)確把握試劑的用量與用法，對現(xiàn)象仔細(xì)觀察，對化學(xué)結(jié)果準(zhǔn)確判斷。設(shè)計實驗時，要采用合適的氧化劑來試驗還原性，用合適的還原劑來試驗氧化性。

如在對過氧化鈉、炭之間發(fā)生的氧化還原反應(yīng)實驗中，可以這樣設(shè)計，將過氧化鈉和炭粉按2∶1的比例均勻地混合在一起，放入試管中，同時在試管的末端加入一張氯化鈀試紙以檢測是否有CO生成，然后試管下的酒精燈慢慢加熱，此緩慢的過程便于觀察試管中各物質(zhì)的變化。此時，可以看到隨著試管溫度的升高，試管內(nèi)的物質(zhì)發(fā)生了劇烈的化學(xué)反應(yīng)，并伴有火花，試紙并沒有變色，可知反應(yīng)并沒有生成CO。加熱一段時間后，可以將酒精燈熄滅，以此檢驗生成的化學(xué)產(chǎn)物。通過這樣的設(shè)計，可以引導(dǎo)學(xué)生觀察與判斷出氧化劑、還原劑的特性，加深他們對物質(zhì)氧化還原特性的深刻理解。

2．化學(xué)反應(yīng)速率實驗。反應(yīng)速率的實驗重點是測量化學(xué)原料在反應(yīng)過程中不同時刻的濃度，可以將實驗的多個反應(yīng)體系重疊，以增加化學(xué)反應(yīng)的簡便性。

例如，在對活性炭脫SO2的化學(xué)催化反應(yīng)速率實驗中，可以通過檢測SO2濃度和CO2體積分?jǐn)?shù)分別對實驗的催化反應(yīng)速率。通過列表與描繪曲線的方式，將不同溫度下的煙氣速度、CO2體積分?jǐn)?shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計，以整體反映出其對試驗反應(yīng)速率的影響。最終得出：SO2的濃度越大，催化反應(yīng)速率越大，且催化反應(yīng)的增長率卻在逐漸減小，而CO2體積分?jǐn)?shù)對催化反應(yīng)速率呈線性關(guān)系。

運用固體酒精的無煙、污染性小、制作簡單的特性，可以創(chuàng)設(shè)焰色反應(yīng)實驗，利用固體酒精，配制出各種不同鹽類的燃燒特征，以此觀察其五彩繽紛的燃燒現(xiàn)象。可以通過配制不同濃度的氯化鈉、氯化鋇、氯化鋰、氯化銅、氯化鍶等溶液，依次向燃燒著的固體酒精上噴灑，不同的鹽代表著不同的反應(yīng)焰色，通過觀察焰色反應(yīng)的現(xiàn)象，推斷此物質(zhì)的成分，拓展學(xué)生的化學(xué)知識，幫助他們對煙花爆竹專業(yè)知識的汲取。

我國的煙花爆竹專業(yè)起步較晚，經(jīng)過幾年的努力與教學(xué)實踐，雖然取得了一定的成績，但實驗教學(xué)還有待進(jìn)一步的完善與提高。在國內(nèi)創(chuàng)設(shè)該專業(yè)最早的湖南安全技術(shù)職業(yè)學(xué)院在實驗教學(xué)方面一直在不斷摸索與前進(jìn)，煙花爆竹專業(yè)的實驗室建設(shè)一直走在國內(nèi)煙花爆竹專業(yè)建設(shè)的前沿。然而相對于其他國家對該專業(yè)的建設(shè)，在整體的化學(xué)實驗設(shè)計與實驗教學(xué)上仍然存在著一定的差距。現(xiàn)有的煙花爆竹工程系，雖然已經(jīng)有煙花爆竹化學(xué)性能實訓(xùn)室、煙花爆竹原材料分析實訓(xùn)室等少數(shù)的幾個實驗室，但遠(yuǎn)不能達(dá)到該專業(yè)實驗設(shè)計的要求。煙花爆竹專業(yè)的實驗設(shè)計與探索必須依靠全校教師與管理者的共同努力，引進(jìn)先進(jìn)的實驗設(shè)備和先進(jìn)的科學(xué)理念，不斷將煙花爆竹專業(yè)的發(fā)展與建設(shè)推上一個嶄新的高度。

［1］張立.爆破器材性能與爆炸效應(yīng)測試［M］.合肥：中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)出版社，2006.

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［3］謝春陽，尹定文.新型煙火藥讓煙花爆竹生產(chǎn)更安全［J］.湖南安全與防災(zāi)，2007（11）.

［4］梁瑞生，彭新其.高職煙花爆竹專業(yè)建設(shè)與發(fā)展的探討［J］.湖南安全與防災(zāi)，2008（11）：52-53.

責(zé)任編輯：蘇航

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1671-6531（2015）23-0154-02

湖南省教育廳立項，由陳蕾主持的教學(xué)教改研究項目課題 《煙花爆竹生產(chǎn)與管理對化學(xué)知識的需求研究》（項目編號：ZJC2013046）階段性研究成果

陳蕾/湖南安全技術(shù)職業(yè)學(xué)院講師，碩士（湖南長沙410000）。