粉塵爆炸實驗的改進

喬金鎖

摘要：利用日常生活中常見的物品對粉塵爆炸實驗進行了改進。改進后的實驗裝置各配件安裝簡便，操作方便，現(xiàn)象明顯，安全可靠，經(jīng)濟環(huán)保，成功率高。既適合教師課堂演示，也適合學生自己動手制作實驗裝置和進行實驗。

關(guān)鍵詞：粉塵爆炸；爆炸極限范圍；實驗改進；安全教育

文章編號：1005-6629（2016）2-0067-03

中圖分類號：G633.8

文獻標識碼：B

1 問題的提出

粉塵爆炸實驗是中學化學的一個重要實驗，成功完成該實驗，會極大地激發(fā)學生學習化學的興趣，對爆炸原理的認識也更加深刻，有利于培養(yǎng)學生安全意識。然而，不少化學教師反映按照教材中要求的裝置（見圖1）及做法，實驗難以獲得成功。原因是教材中的實驗裝置有3點不足：一是所用器材因為是金屬罐不透明，學生無法觀察到粉塵燃燒及發(fā)生爆炸的過程；二是實驗成功率不高；三是教材中裝置制作較難，所用材料不容易找到?；谏鲜銮闆r，近年來有不少化學教師對該實驗進行了改進，主要集中在以下幾個方面：（1）粉塵改進：由于面粉易吸水潮濕且顆粒較大而不易點燃，因而有些老師把面粉放在鍋中炒，或烘烤，或放在微波爐里進行加熱使其干燥。（2）火源改進：有些老師把蠟燭引燃改為用低壓電源的電熱點火器點火，或在220 V電壓下使銅絲因過重電荷產(chǎn)生電火花點火。這些改進效果雖較好，但制作過程復雜、操作不便，還存在安全隱患，更不適合學生動手進行實驗。（3）反應器仍用金屬罐：金屬罐存在—定的不安全因素，且不易觀察容器內(nèi)實驗現(xiàn)象，制作也較復雜。（4）反應器材料改進：將金屬罐改為各種硬質(zhì)塑料瓶或塑料桶。這些改進雖能增加視覺效果，但有些容器反應空間太小，且制作過程十分麻煩，不利于學生自己動手制作。

粉塵只有懸浮在空氣中并分布得相當均勻，達到一定濃度時才會爆炸。顆粒越細的粉塵密度越小，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，即使用強點火源也不太可能爆炸。依據(jù)粉塵爆炸的原理與條件，結(jié)合近些年來粉塵爆炸實驗改進的經(jīng)驗，粉塵爆炸實驗應滿足以下要求：（1）用食用油壺做反應器。用透明塑料壺代替金屬罐做反應器，不僅避免了實驗危險性，而且可以方便地看到隨著輕輕吹氣，粉塵向上移動的情況、蠟燭燃燒情況及粉塵燃爆情況，也可以進一步加深學生對粉塵爆炸原理的認識，理解面粉廠、淀粉廠要避免明火和火星的緣由。（2）反應器應足夠大并有良好的密封性。反應中產(chǎn)生大量的熱是實驗成功的必要條件，反應器的氣密性是實驗成功的關(guān)鍵。為了保證實驗中能產(chǎn)生大量的熱，需要反應器在蓋好蓋子后，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）做反應器，既保證了實驗成功率，又防止了容器中大量的熱不會把反應器熔化。（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動，利于粉塵與空氣混合均勻。（漏斗頸內(nèi)放置一個合適的鐵釘，吹氣時由于鐵釘在漏斗頸內(nèi)不斷上下、左右振動，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，確保該實驗成功）。（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 實驗過程

2.1 實驗用品

儀器：三腳架（或兩塊磚頭）

材料：食用淀粉、2個5L空色拉油壺、1個開塞露、1m長乳膠管、火柴、紙條、3～3.5cm長鐵釘1個、剪刀、硬紙板、粗鐵絲1根、透明膠帶、5～6cm長蠟燭1支

2.2 實驗裝置

實驗裝置見圖2。

實驗裝置的制作如下：

（1）制作密封反應器。把2個大小相等、品牌相同的5L色拉油空壺洗凈，一個壺從底部向上16cm處用剪刀剪下來，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，把口剪齊，用壺底部蓋住大壺口，修剪到密封為準。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。從藥店買一個開塞露，擠去液體，用剪刀從最大直徑處剪開來，洗凈即成一制作好的漏斗（頸內(nèi)放有鐵釘），見圖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 實驗操作步驟

（1）把鐵釘放進漏斗。

（2）稱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）點燃蠟燭，立即蓋嚴大壺，馬上用嘴輕輕從膠管末端向漏斗吹氣。吹氣時，用勁不能太大，否則吹起的粉塵不會形成霧狀，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并散開，當粉塵包圍了火苗時，隨著“嘭”的一聲就會看到大火把蓋子沖開，爆炸現(xiàn)象非常壯觀。這時，大壺中的蠟燭火焰并沒有熄滅，再蓋住大壺，進行第二次吹氣，又會聽到、看到與第一次同樣的現(xiàn)象。加淀粉1.5g可做實驗2～3次。如果密封處夾上一根細鐵絲，讓反應器漏點氣，則每次向上吹起粉塵后，都可以聽到“啪”的一聲，可連續(xù)做多次，但看不到有火焰產(chǎn)生。

2.4 改進后的優(yōu)點

（1）實驗裝置所需材料易得，充分利用了日常生活中常見的物品。各配件安裝簡便，操作方便，現(xiàn)象明顯，安全可靠，經(jīng)濟環(huán)保，成功率高。便于教師演示，也便于學生獨立操作。

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

3 問題與討論

3.1 蠟燭不能過長、火焰不能太大

蠟燭5～6cm長、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 制作反應器的兩個油壺要大小、牌號相同

用作反應器的油壺，必須是大小、牌號相同的，這樣便于密封。

3.3 促使學生養(yǎng)成防止粉塵爆炸的意識與習慣

在日常生活及工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，粉塵隨處可見，它在爆炸前毫無征兆，但爆炸能產(chǎn)生極大的能量，其危害是觸目驚心的。通過成功的粉塵爆炸實驗，能使學生理解其爆炸原理、特點，有利于學生了解發(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）有足夠的點火能量。從而，使學生養(yǎng)成防止粉塵爆炸的意識與習慣。