安全粉塵爆炸教學演示儀

文 湖南省邵陽縣長陽鋪鎮(zhèn)梽木山中學 肖軍華

一、制作背景

在九年級化學上冊教材（人教版）中，第七單元關于易燃、易爆物安全知識的內容包括粉塵爆炸實驗，書中對該實驗只介紹了裝置的制作方法而沒有提供實物裝置。以面粉為材料進行的粉塵爆炸演示實驗裝置如圖1所示。該實驗主要存在以下問題。

圖1 教材中粉塵爆炸實驗裝置

1.由于沒有現(xiàn)成的實驗裝置，教師按教材所述制作裝置的難度較大。

2.實驗成功率低。一是因為用塑料蓋蓋住金屬罐，密封性不佳，二是實驗選擇的爆炸物為面粉，市售面粉顆粒大、水分含量高，且面粉易吸水，所以在通常的實驗條件下根本不會出現(xiàn)爆炸現(xiàn)象。

3.實驗采用不透明的金屬罐，學生無法觀察罐內發(fā)生的變化。

二、制作原理

在有限的空間里充滿可燃性粉塵，粉塵遇到明火就會發(fā)生爆炸。

三、制作過程

1.制作方法

（1）粉塵噴射器

截取一支小試管的底部（長約3cm），用酒精噴燈加熱試管底部，再用鐵絲將試管底部戳出大小合適的孔。

將加工好的試管與一根彎曲90°的導管相連，并用膠棒密封，導管的彎曲處也用膠棒加固。制作好的粉塵噴射器如圖2所示。

（2）安全粉塵爆炸教學演示儀

取一個1000ml～2000ml的塑料筒。將兩個比蠟燭略大的銅絲圈固定在塑料筒的內壁上，制成蠟燭架。

在塑料筒的底部打一個小孔，將粉塵噴射器通過小孔安裝在塑料筒內，并用膠棒固定、密封。粉塵噴射器的外部導管通過橡膠管與洗耳球相連。

塑料筒的蓋上有一個大孔，可以塞上橡膠塞以密封。

這樣安全粉塵爆炸教學演示儀就制作完成了（結構如圖3所示）。

2.用碳粉代替面粉的探究

為什么用面粉做粉塵爆炸實驗很難成功？有關資料表明，面粉顆粒的大小用目來表示，一般為80～120目，其中100目的顆粒直徑約為150μm，標準面粉的含水量最低為12%，并且面粉顆粒易吸水。顆粒過大、含水量過高是用面粉做粉塵爆炸實驗很難成功的主要原因。

有的老師將面粉烘烤24小時后，使面粉顆粒變脆，再進一步磨細，在溫度較高、濕度較低的條件下才使爆炸實驗成功。這也從側面證實了該實驗難以成功的原因。

打印機的碳粉顆粒直徑一般為4μm～10μm，假設為5μm，則碳粉顆粒直徑約為面粉顆粒的1/30，碳粉顆粒體積約為面粉顆粒的1/27000，而且碳粉中幾乎不含水分，也很難吸水。因此，使用本儀器采用碳粉做粉塵爆炸實驗的成功率達到100%，而且實驗不限溫度、濕度。

用碳粉做該實驗很容易成功的另一個因素是燃燒熱高。通過查找資料發(fā)現(xiàn)，碳在充分燃燒時的燃燒熱約為33.5kJ/g，而面粉成分復雜、相對分子質量不確定，難以找到它的燃燒熱，在這里用葡萄糖進行大致比較（葡萄糖的燃燒熱約為15.5kJ/g）。因而可以推斷碳粉的燃燒熱比面粉的燃燒熱大得多，而對于粉塵來說，燃燒熱越高越容易發(fā)生爆炸。

圖2 粉塵噴射器

圖3 安全粉塵爆炸教學演示儀結構圖

3.安全性探究

本項目用如下實驗測定演示儀的安全性。

如圖4所示，用彈簧秤分別測出橡膠塞在粉塵爆炸時彈出不同高度所需要的壓力，再量出橡膠塞的受力面積，就可以求出塑料筒內爆炸時的最大壓強。實驗的數(shù)據(jù)記錄如表1。

從實驗測定的數(shù)據(jù)可知，當出現(xiàn)較劇烈的爆炸現(xiàn)象時（橡膠塞彈出的高度在3m以上），塑料瓶內的壓強約為2.2個標準大氣壓。查閱相關資料發(fā)現(xiàn)，普通可樂塑料瓶的瓶壁厚約1mm，可承受6個以上標準大氣壓強，而本儀器使用的塑料瓶瓶壁厚約3mm～4mm，所以其耐壓程度遠遠高于爆炸時的最大壓強。因此，用本演示儀演示粉塵爆炸實驗十分安全。

四、演示儀的用途

安全粉塵爆炸教學演示儀的制作成本低，操作簡單，演示效果好，具有批量生產的價值，也能解決教師在教學中缺乏教學儀器的困擾。

圖4 測定粉塵爆炸時儀器內部的最大壓強

表1