粉塵爆炸實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)

喬金鎖

摘要：利用日常生活中常見(jiàn)的物品對(duì)粉塵爆炸實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了改進(jìn)。改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn)裝置各配件安裝簡(jiǎn)便，操作方便，現(xiàn)象明顯，安全可靠，經(jīng)濟(jì)環(huán)保，成功率高。既適合教師課堂演示，也適合學(xué)生自己動(dòng)手制作實(shí)驗(yàn)裝置和進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

關(guān)鍵詞：粉塵爆炸；爆炸極限范圍；實(shí)驗(yàn)改進(jìn)；安全教育

文章編號(hào)：1005-6629（2016）2-0067-03

中圖分類(lèi)號(hào)：G633.8

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

1 問(wèn)題的提出

粉塵爆炸實(shí)驗(yàn)是中學(xué)化學(xué)的一個(gè)重要實(shí)驗(yàn)，成功完成該實(shí)驗(yàn)，會(huì)極大地激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)化學(xué)的興趣，對(duì)爆炸原理的認(rèn)識(shí)也更加深刻，有利于培養(yǎng)學(xué)生安全意識(shí)。然而，不少化學(xué)教師反映按照教材中要求的裝置（見(jiàn)圖1）及做法，實(shí)驗(yàn)難以獲得成功。原因是教材中的實(shí)驗(yàn)裝置有3點(diǎn)不足：一是所用器材因?yàn)槭墙饘俟薏煌该鳎瑢W(xué)生無(wú)法觀察到粉塵燃燒及發(fā)生爆炸的過(guò)程；二是實(shí)驗(yàn)成功率不高；三是教材中裝置制作較難，所用材料不容易找到。基于上述情況，近年來(lái)有不少化學(xué)教師對(duì)該實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了改進(jìn)，主要集中在以下幾個(gè)方面：（1）粉塵改進(jìn)：由于面粉易吸水潮濕且顆粒較大而不易點(diǎn)燃，因而有些老師把面粉放在鍋中炒，或烘烤，或放在微波爐里進(jìn)行加熱使其干燥。（2）火源改進(jìn)：有些老師把蠟燭引燃改為用低壓電源的電熱點(diǎn)火器點(diǎn)火，或在220 V電壓下使銅絲因過(guò)重電荷產(chǎn)生電火花點(diǎn)火。這些改進(jìn)效果雖較好，但制作過(guò)程復(fù)雜、操作不便，還存在安全隱患，更不適合學(xué)生動(dòng)手進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。（3）反應(yīng)器仍用金屬罐：金屬罐存在—定的不安全因素，且不易觀察容器內(nèi)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，制作也較復(fù)雜。（4）反應(yīng)器材料改進(jìn)：將金屬罐改為各種硬質(zhì)塑料瓶或塑料桶。這些改進(jìn)雖能增加視覺(jué)效果，但有些容器反應(yīng)空間太小，且制作過(guò)程十分麻煩，不利于學(xué)生自己動(dòng)手制作。

粉塵只有懸浮在空氣中并分布得相當(dāng)均勻，達(dá)到一定濃度時(shí)才會(huì)爆炸。顆粒越細(xì)的粉塵密度越小，越容易懸浮在空氣中，并易與空氣混合得均勻。顆粒大于400微米的粉塵則較不易懸浮在空氣中，也不易與空氣混合得均勻，即使用強(qiáng)點(diǎn)火源也不太可能爆炸。依據(jù)粉塵爆炸的原理與條件，結(jié)合近些年來(lái)粉塵爆炸實(shí)驗(yàn)改進(jìn)的經(jīng)驗(yàn)，粉塵爆炸實(shí)驗(yàn)應(yīng)滿(mǎn)足以下要求：（1）用食用油壺做反應(yīng)器。用透明塑料壺代替金屬罐做反應(yīng)器，不僅避免了實(shí)驗(yàn)危險(xiǎn)性，而且可以方便地看到隨著輕輕吹氣，粉塵向上移動(dòng)的情況、蠟燭燃燒情況及粉塵燃爆情況，也可以進(jìn)一步加深學(xué)生對(duì)粉塵爆炸原理的認(rèn)識(shí)，理解面粉廠、淀粉廠要避免明火和火星的緣由。（2）反應(yīng)器應(yīng)足夠大并有良好的密封性。反應(yīng)中產(chǎn)生大量的熱是實(shí)驗(yàn)成功的必要條件，反應(yīng)器的氣密性是實(shí)驗(yàn)成功的關(guān)鍵。為了保證實(shí)驗(yàn)中能產(chǎn)生大量的熱，需要反應(yīng)器在蓋好蓋子后，蠟燭仍可以繼續(xù)燃燒。因此，選用較大容積的容器（4～5L的食用油壺）做反應(yīng)器，既保證了實(shí)驗(yàn)成功率，又防止了容器中大量的熱不會(huì)把反應(yīng)器熔化。（3）用食用淀粉做粉塵。食用淀粉顆粒直徑比面粉小，更容易燃爆。（4）用漏斗形容器替代桶形容器盛放粉塵，并向上鼓氣，便于粉塵沿漏斗壁向上成霧狀運(yùn)動(dòng)，利于粉塵與空氣混合均勻。（漏斗頸內(nèi)放置一個(gè)合適的鐵釘，吹氣時(shí)由于鐵釘在漏斗頸內(nèi)不斷上下、左右振動(dòng)，可以保證氣體不斷從鐵釘帽四周向燃著的蠟燭吹起大量霧狀的粉塵，確保該實(shí)驗(yàn)成功）。（5）用嘴吹氣比洗耳球和氣唧給粉塵鼓氣更易控制氣流大小。

2 實(shí)驗(yàn)過(guò)程

2.1 實(shí)驗(yàn)用品

儀器：三腳架（或兩塊磚頭）

材料：食用淀粉、2個(gè)5L空色拉油壺、1個(gè)開(kāi)塞露、1m長(zhǎng)乳膠管、火柴、紙條、3～3.5cm長(zhǎng)鐵釘1個(gè)、剪刀、硬紙板、粗鐵絲1根、透明膠帶、5～6cm長(zhǎng)蠟燭1支

2.2 實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)裝置見(jiàn)圖2。

實(shí)驗(yàn)裝置的制作如下：

（1）制作密封反應(yīng)器。把2個(gè)大小相等、品牌相同的5L色拉油空壺洗凈，一個(gè)壺從底部向上16cm處用剪刀剪下來(lái)，把口剪齊（用帶底的小的部分）；另一壺從底部向上6～7cm處剪下來(lái)，把口剪齊，用壺底部蓋住大壺口，修剪到密封為準(zhǔn)。由于油壺外壁凹凸不平，是很好密封的。

（2）修平大壺底部。剪一個(gè)直徑稍小于15.8cm的圓形硬紙板，剪好后放在大壺底部，平整后用透明膠帶把硬紙板與大壺底部固定，使得大壺底部平整，好放置蠟燭。

（3）制作并安裝塑料漏斗。從藥店買(mǎi)一個(gè)開(kāi)塞露，擠去液體，用剪刀從最大直徑處剪開(kāi)來(lái)，洗凈即成一制作好的漏斗（頸內(nèi)放有鐵釘），見(jiàn)圖3。 把粗鐵絲燒紅，按照漏斗頸部直徑尺寸，在大壺底部垂直燙一個(gè)孔（距離壺壁約4cm處），把漏斗從壺里向外插出（要保證密封，不能漏氣）。

（4）連接漏斗與膠管，把1m長(zhǎng)乳膠管與漏斗頸部下端相連接。

（5）在大壺底部固定蠟燭。加熱熔化蠟燭底部后把蠟燭粘接固定在大壺底部硬紙板上（位置在距壁約4cm處）。

2.3 實(shí)驗(yàn)操作步驟

（1）把鐵釘放進(jìn)漏斗。

（2）稱(chēng)1.5g淀粉，用紙條送入漏斗內(nèi)。

（3）把大壺放在三腳架上，或放在側(cè)立的兩塊磚上。

（4）點(diǎn)燃蠟燭，立即蓋嚴(yán)大壺，馬上用嘴輕輕從膠管末端向漏斗吹氣。吹氣時(shí)，用勁不能太大，否則吹起的粉塵不會(huì)形成霧狀，不利于均勻分布。正確的吹氣方法是：眼睛邊看邊輕輕估摸著吹，吹的力度能夠使粉塵均勻地向上呈霧狀懸浮起來(lái)并散開(kāi)，當(dāng)粉塵包圍了火苗時(shí)，隨著“嘭”的一聲就會(huì)看到大火把蓋子沖開(kāi)，爆炸現(xiàn)象非常壯觀。這時(shí)，大壺中的蠟燭火焰并沒(méi)有熄滅，再蓋住大壺，進(jìn)行第二次吹氣，又會(huì)聽(tīng)到、看到與第一次同樣的現(xiàn)象。加淀粉1.5g可做實(shí)驗(yàn)2～3次。如果密封處夾上一根細(xì)鐵絲，讓反應(yīng)器漏點(diǎn)氣，則每次向上吹起粉塵后，都可以聽(tīng)到“啪”的一聲，可連續(xù)做多次，但看不到有火焰產(chǎn)生。

2.4 改進(jìn)后的優(yōu)點(diǎn)

（1）實(shí)驗(yàn)裝置所需材料易得，充分利用了日常生活中常見(jiàn)的物品。各配件安裝簡(jiǎn)便，操作方便，現(xiàn)象明顯，安全可靠，經(jīng)濟(jì)環(huán)保，成功率高。便于教師演示，也便于學(xué)生獨(dú)立操作。

（2）學(xué)生可以清晰地觀察到粉塵爆炸的全過(guò)程，有利于學(xué)生對(duì)爆炸發(fā)生的原理、條件有更深刻的理解。

3 問(wèn)題與討論

3.1 蠟燭不能過(guò)長(zhǎng)、火焰不能太大

蠟燭5～6cm長(zhǎng)、火焰不需要太大（一般即可），目的是為了防止蓋子被燒壞。

3.2 制作反應(yīng)器的兩個(gè)油壺要大小、牌號(hào)相同

用作反應(yīng)器的油壺，必須是大小、牌號(hào)相同的，這樣便于密封。

3.3 促使學(xué)生養(yǎng)成防止粉塵爆炸的意識(shí)與習(xí)慣

在日常生活及工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，粉塵隨處可見(jiàn)，它在爆炸前毫無(wú)征兆，但爆炸能產(chǎn)生極大的能量，其危害是觸目驚心的。通過(guò)成功的粉塵爆炸實(shí)驗(yàn)，能使學(xué)生理解其爆炸原理、特點(diǎn)，有利于學(xué)生了解發(fā)生粉塵爆炸的條件：（1）粉塵本身具有可燃性；（2）粉塵具有相當(dāng)大的比表面積；（3）粉塵懸浮在空氣中，與空氣混合形成爆炸極限范圍內(nèi)的混合物；（4）有足夠的點(diǎn)火能量。從而，使學(xué)生養(yǎng)成防止粉塵爆炸的意識(shí)與習(xí)慣。