粉塵爆炸實驗的改進

方潔芳　張俊　何桂華

摘要：結合教材分析文獻中粉塵爆炸實驗改進的六個要素，進而從容塵器具設計、配合震落揚塵、密封前點火三個要素改進粉塵爆炸實驗裝置。根據(jù)塑料和金屬兩種不同的材質，在實驗中發(fā)揮其各自的優(yōu)點，落實和推廣實驗教學。另外，從制作和操作等方面分析了改進裝置的特點和教學效果。

關鍵詞：粉塵爆炸實驗;粉塵爆炸極限;實驗改進

文章編號：1005-6629（2021）04-0070-03 中圖分類號：G633.8 文獻標識碼：B

1研究背景

1.1已有的部分研究

粉塵爆炸實驗是2012年人教版九年級《化學》教材的實驗，也是能極大程度激發(fā)初中學生探究化學的興趣實驗之一。教材上實驗裝置（如圖1）采用鼓風揚塵的方式，即將反應容器和容塵器具打孔，再用膠皮管連接后鼓風，設計相對復雜。

初中人教版教材以粉塵爆炸實驗為例介紹可燃物在有限的空間內急劇地燃燒，就會在短時間內聚集大量的熱，使氣體的體積迅速膨脹而引起爆炸。此類在有限空間內急劇地燃燒引起爆炸的實驗裝置是一線教師研究的重點。對初中粉塵爆炸實驗裝置的改進進行文獻綜合研究，發(fā)現(xiàn)該裝置主要從六個要素進行改進：反應容器、密閉方式、容塵器具、揚塵方法、火源種類、點火時刻。其中反應容器主要在于容器材質的選擇，包括塑料、金屬和有機玻璃。密閉方式有蓋式和塞式兩種，個別在側面開孔密封。容塵器具即放置粉塵的裝置，和揚塵方法的配合有助于達到爆炸極限。目前揚塵方法主要為鼓風揚塵，其改進的方面包括鼓風工具、蠟燭位置、容塵器具的選擇及其在反應容器中的位置。震落揚塵方法研究較少，一是利用紗布容塵并貼在塑料蓋上。二是制成帶60目鋼絲的鐵絲架放置粉塵，蓋上容器蓋，再輕輕敲蓋子。三是用天然氣噴火槍點燃蠟燭，再用遙控器控制電機轉軸轉動，進而帶動塑料粉刷，使塑料盒中面粉均勻灑落。震落揚塵操作簡單，容塵器具一般放置在反應容器頂部，但文獻已有的容塵器具制作較繁瑣復雜。溫度涉及火源種類和點火時刻，這兩者的設計需考慮密閉空間氧氣消耗問題。文獻中主要是通過火源種類改進減少氧氣的消耗，有文獻用可樂瓶代替氣囊鼓入氧氣。點火時刻包括密封前點火和密封后點火，對比如表把把1所示。

1.2反思和改進思考

粉塵爆炸實驗6個要素的改進內容豐富，還有理論方面的研究，更有從定量的角度對比分析爆炸過程溫度和壓強的急劇變化，有借鑒意義，也有改進空間。筆者認為實驗成功的關鍵點是控制好爆炸極限、溫度、密閉空間，聚焦改進的要素在于容塵器具、揚塵方法和點火時刻的結合。結合已有的文獻，震落揚塵較為獨特，制作簡便且容塵能力強的放置粉末的器皿可作為改進的方向。此外化學實驗的改進服務于教學，人教版教材重點在于對爆炸概念的理解即爆炸發(fā)生的條件介紹。其中可燃物如何急劇地燃燒，使氣體的體積迅速膨脹而引起的爆炸，影響因素主要包括爆炸極限和溫度，粉塵爆炸極限包括的要素比較復雜，教材僅僅將氣體爆炸極限放在資料卡片中，通過粉塵爆炸實驗說明越增大可燃物和氧氣的接觸面積，反應越劇烈。筆者認為，實驗改進不僅在于通過實驗現(xiàn)象激趣，更在于利用裝置引導學生分析思考爆炸的原理。因此一種制作簡單、操作簡便、容易成功的實驗改進裝置將有助于落實和推廣實驗教學。

2實驗部分

2.1實驗儀器及藥品

（1）直徑約13cm、高約17cm有蓋的金屬奶粉罐，直徑約12cm、高約16cm的塑料罐（密封性好）。

（2）容塵器具制作：根據(jù)塑料蓋的大小將魔術貼剪成相應大小的形狀，用膠棒（或針線縫等）將魔術貼平滑的一面粘在塑料蓋內面（如圖2）。魔術貼是生活中用來固定頭發(fā)的，在淘寶中搜索“頭發(fā)魔術貼”即可購買。該用品對面粉有很強的容納固著能力，面粉鋪在魔術貼后倒蓋在罐子上，需用塑料棒敲打才會灑落，且可以根據(jù)容器蓋形狀剪裁，有助于面粉灑落時均勻地充滿整個容器。

（3）高約3～4cm的蠟燭、干燥的玉米淀粉。

（4）酒精燈、小木條、塑料棒、藥匙。

2.2實驗步驟

（1）將適量烘干的玉米淀粉均勻地裝入容塵器具（見圖3）中（玉米淀粉均勻鋪在魔術貼的毛面上即可）。

（2）如圖3，罐底部先放適量細沙，將蠟燭插人固定即可。點燃蠟燭（注意蠟燭火焰高度1cm左右即可，太高容易燒壞塑料蓋）。

若用金屬奶粉罐完成實驗的，則靜待4min左右，讓金屬罐內部溫度升高（用手觸摸金屬罐感知），再蓋上奶粉蓋;若在塑料罐中完成實驗的，塑料罐底部放兩根緊挨的蠟燭，點燃即可蓋上塑料蓋。

（3）用塑料棒敲擊罐蓋，使面粉從魔術貼中均勻落下。

2.3實驗現(xiàn)象

金屬罐：立刻能看到罐蓋被直線沖出，有火團竄出容器（火團直徑接近奶粉罐容器口大小），聽到巨大的爆炸聲。

塑料罐：能看到粉塵燃燒，形成火團，有火團竄出容器，罐蓋被直線沖出，聽到的爆炸聲比金屬罐小些。

2.4改進實驗特點

2.4.1容塵器具制作簡單，有助于粉塵均勻混合

本實驗最關鍵的改進在于用“魔術貼”制作容塵器具，根據(jù)罐蓋的形狀大小對“魔術貼”進行剪裁制作。制作簡便，材料來源于生活，使用方便。同時該材料有很強的儲塵能力，粉塵也容易均勻地混合鋪在魔術貼上，有助于震落揚塵時粉塵均勻地充滿整個容器，而且不易將蠟燭熄滅，因此能夠提高容塵量和揚塵效率。此外，裝置的設計簡潔，無需打孔。

2.4.2操作簡單，提高實驗成功率

本實驗采用先點火再密封、揚塵的實驗步驟，步驟簡單易行。容塵器具、揚塵方法和點火時刻同時配合，克服了蠟燭消耗氧氣而導致氧氣濃度不足的問題。采用密封前點火的方式，蠟燭點燃后，不必立即密封，等到金屬罐有足夠的溫度再密封。在塑料罐中，點燃兩個緊挨的蠟燭，火源較集中，保證粉塵爆炸實驗發(fā)生時有足夠的溫度，且兩者均避免氧氣不足容易導致蠟燭熄滅的問題。

2.4.3在透明塑料罐中完成實驗，粉塵爆炸實驗現(xiàn)象易觀察

用兩根緊挨的蠟燭作為火源能提高罐中溫度，點火后即密封揚塵，一定程度上克服了塑料材質不耐高溫的缺點，而且學生可以明顯觀察到整個粉塵爆炸過程。在金屬罐中進行實驗，點燃一根蠟燭，并利用金屬的導熱性，讓金屬罐有足夠的溫度后，再密封揚塵，實驗現(xiàn)象十分明顯，火團半徑大而且爆炸聲響亮。兩種材質的反應容器各有特點，在實驗中發(fā)揮其各自的優(yōu)點，有利于學生完成分組實驗和理解爆炸原理。材料安全易得，操作簡單，也有助于開展家庭實驗，落實和推廣實驗教學。

3結語

粉塵爆炸實驗采用震落揚塵方法使粉塵達到爆炸極限，故關鍵在于選擇放置粉塵的材料上。容塵能力強，敲打時粉塵均勻撒落很重要。適當?shù)臏囟瓤梢酝ㄟ^火源控制，因此在塑料罐中需用兩根蠟燭，而金屬罐的材質決定了其可以讓整個容器的溫度提高，使爆炸更劇烈，而不僅僅是金屬耐高溫、可重復使用的優(yōu)點。同時，需要點火時刻的配合，密封前點火可以讓整個反應容器的溫度提高且避免氧氣被過多消耗的問題。在塑料罐中兩根蠟燭點燃后即可密封揚塵，操作簡單，有足夠的時間在容器內氧氣消耗完之前完成爆炸實驗。