關于粉塵爆炸實驗的文獻綜述

萬雨喆

摘要： 通過分析相關文獻，建立實驗模型，從粉塵種類、點火方式等8個方面總結了進行密閉空間粉塵爆炸實驗需要注意的問題與值得參考的做法，同時介紹了若干開放空間爆炸實驗的案例。另外，對粉塵爆炸實驗的進一步研究提出了建議。

關鍵詞： 粉塵爆炸； 爆炸實驗； 粉塵種類； 點火方式；文獻綜述

文章編號： 1005-6629（2018）6-0087-05 中圖分類號： G633.8 文獻標識碼： B

粉塵爆炸是初中化學最具吸引力的實驗之一，該實驗的準備較煩瑣，裝置可改進的空間大，不少一線教師都對此提出了自己的想法。

本文以CNKI中小學數(shù)字圖書館為檢索平臺，以“粉塵爆炸”、“面粉爆炸”、“爆炸實驗”等為關鍵詞進行文獻檢索，篩選后得到關于初中粉塵爆炸實驗的52篇文獻，對現(xiàn)有的各種改進方案進行了總結。

1 理論依據(jù)

初中的爆炸實驗可分為密閉空間和開放空間兩類。前者是由于“急速的燃燒發(fā)生在有限空間內(nèi)，短時間聚積大量的熱，使氣體的體積迅速膨脹，引起爆炸”，后者是因為“氧氣的濃度較高，或可燃物與氧氣的接觸面積很大，周圍的空氣迅速猛烈膨脹，發(fā)生爆炸”[1]。密閉空間的爆炸實驗裝置復雜、效果震撼，是教師研究、改進的重點。

2 構建模型

密閉空間發(fā)生爆炸的要素可歸納為四個： 構成封閉空間、可燃物、氧氣/粉塵濃度和溫度。

四個要素又可細分為容器主體、密封方式、粉塵種類、加工方式、容塵器皿、揚塵方式、火源種類和點火方式8個方面（表1）。據(jù)此可以構建裝置的基本模型（圖1）。下文將從這8個方面進行總結。

3 要素分析

3.1 容器主體

3.1.1 材質

常見容器的選擇有兩種（表2）： 一是透明、便于觀察現(xiàn)象的塑料瓶，二是不透明但耐用的金屬罐，前者使用率更高。用玻璃鐘罩做容器是一個折衷的方案[2]，缺點是裝置較笨重。

3.1.2 體積

小體積的容器（1L以下）主要存在兩方面問題： 一是采用蠟燭作為火源時，若密封容器和揚塵的操作不迅速，容器內(nèi)氧氣濃度會下降過快而使實驗失敗[3]；二是體積小的容器爆炸火光小，反應現(xiàn)象不震撼[4]。

過大的容器（5L及以上）實驗時，粉塵較難充滿整個空間。在粉塵接觸火焰時，粉塵濃度可能會不足，使爆炸成功率降低。

因此，教師普遍（73.2%）傾向于直接選擇體積適中的容器（1.5L左右）或用稍大的（1.5～3L）切除一部分。如塑料材質的可樂瓶（1.5L）、大桶礦泉水瓶（3L）或金屬材質的奶粉罐（1.5L）都是較為合適的選擇。滬教版九年級化學上冊教材就給出了用可樂瓶制作爆炸裝置的范例[5]，教師可以將其中向上鼓氣的玻璃管改成斜向下的玻璃彎管[6]，增加粉塵濃度，這是最簡便的裝置方案。

有教師對容器主體進行了趣味改進，將主體制作成大炮的形式[7]或用南瓜為材料將容器制成了萬圣節(jié)南瓜燈[8]，很有參考價值。

3.2 密封方式

依據(jù)容器形狀不同——無頸部的廣口容器（奶粉罐、茶葉罐等）或有頸部的

細口容器（可樂瓶、玻璃鐘罩等）——容器的密封方式可分為兩種： 蓋式（圖2）和塞式（圖3和表3）。

有教師提出密封物與主體是否有一定的吻合度，是決定爆炸實驗成敗的關鍵。良好的吻合度是指密封后能形成穩(wěn)定的密閉空間（密封物不會因鼓入的氣流沖擊而松動），且實驗時爆炸效果明顯（密封物可以被爆炸時的氣流掀起）[11]。

從實驗現(xiàn)象看，塞式密封的實驗效果更好。因為細口容器的頸部有匯聚氣流的作用，可以使密封物（如橡皮塞、易拉罐）得到更多的動能，彈射更遠、效果更震撼[12]（圖4）。

從實驗操作看，蓋式密封的容器可以進行揚塵方式的改進，將常規(guī)的鼓氣揚塵改為粉塵固定在容器頂部的震落揚塵（圖5），本文將在之后的揚塵方式環(huán)節(jié)介紹。

3.3 粉塵種類與加工方式

粉塵種類不是決定實驗成敗的關鍵，粉塵只要顆粒足夠細小，就能懸浮在空氣中并與空氣混合均勻，實驗就容易成功[13]。常見的粉塵中（表4），玉米淀粉既容易買到，顆粒又最細小，是實驗的最好選擇。

有教師提出，粉塵顆粒的大小與干濕程度有關。面粉雖然易吸水結塊，但只要能適當處理，也可順利進行實驗[14]。作為實驗室常備藥品，在沒有玉米淀粉的情況下，使用處理過的面粉也是很好的選擇。

面粉可以用兩種方式進行處理： 過篩或干燥，后者效果更好。干燥面粉可以使用烤箱烘烤（100℃20分鐘）、陽光下暴曬（1～2小時）或在燒杯等容器內(nèi)翻炒至面粉表面微黃幾種辦法，最后一種方式得到的面粉實驗效果最好[15]。

3.4 容塵器皿與揚塵方式

3.4.1 容塵器皿

容塵器皿即實驗中存放粉塵的器皿，設置得好可以提高揚塵效率，增加粉塵濃度，但不是必要的選擇。通常側面開孔的裝置可以加上容塵器皿（因為側面鼓入的氣流較難讓粉塵充分揚起），而底部開孔的裝置則可省略，將粉塵直接堆放在底部開孔附近即可，鼓氣時向上鼓入的氣流較易在容器內(nèi)形成一定的粉塵濃度。

容塵器皿可選的材料很多（表5）。推薦可用現(xiàn)成的普通漏斗放置粉塵，教師也可參考兩種自制金屬盒的方案[16， 17]，提高揚塵效率。有教師嘗試在容塵器皿上加裝面粉篩，揚塵時能讓面粉同時過篩[18]，此法意義不大，與實驗前面粉過篩的效果一樣。

3.4.2 揚塵方式

鼓氣揚塵是該實驗的常規(guī)揚塵方法（表6）。在容器主體與容塵器皿上同時開孔，用乳膠管連接后，通過洗耳球、打氣筒等工具鼓入空氣。

容器可以選擇側面開孔或底面開孔。前者外觀簡單，無需底座；后者可以省去容塵器皿，但底部要加裝底座[20]（否則底部的乳膠管會使容器無法放置水平）（圖6）。

較好的鼓氣方式有兩種： 一是用飲料瓶收集氧氣后鼓入，增加氧氣濃度[21]；二是利用玩具風扇提供均勻連續(xù)的氣流，增加粉塵濃度[22]。

震落粉塵是另一種獨特的揚塵思路。教師利用紗布將粉塵包裹后固定在鏤空的鐵絲支架[23]或貼在容器蓋上[24]，合上容器蓋后對蓋進行敲擊，就可以使粉塵落下（圖5）。震落粉塵的優(yōu)勢有兩點： 一是粉塵與火源間的距離遠，粉塵在燃燒前能均勻充滿容器，保證濃度；二是裝置不外接鼓氣設備，整體造型更美觀。

3.5 火源種類與點火方式

火源種類與點火方式的選擇有關聯(lián)之處，歸納如下（表7）。最簡單的點火方式是密封前點火，即先點燃蠟燭再密封、揚塵。采用這種方式需要注意兩個問題：

一是蠟燭的位置最好用支架固定在容器的上部[25， 26]，即蠟燭需要與容塵器皿（或鼓氣孔）拉開一定距離（圖1），防止吹入的氣流熄滅蠟燭或是粉塵沒有充分揚起就接觸火焰，燃燒時粉塵濃度不夠。

二是點燃火源后必須迅速密封容器并揚塵，防止蠟燭燃燒消耗過多氧氣，氧氣濃度不夠[27]。

針對這兩個問題，有三種不同角度的改進方案。

一是在火源種類上，將蠟燭改為酒精棉球。因為酒精含碳量低于石蠟，相同時間內(nèi)燃燒消耗氧氣更少，持續(xù)時間更長。

二是在揚塵方式上，將鼓氣揚塵改為震落粉塵。此時粉塵和火源間的距離最遠，粉塵在接觸到火焰之前能均勻地分布在容器內(nèi)（圖5）。

三是在點火方式上，使用電火花[28]或電子點火槍[29]等工具密封后點火。優(yōu)點是有充分的時間進行揚塵操作，實驗成功率高。缺點是點火裝置制作復雜，高壓產(chǎn)生的電火花也不太安全[30]。有教師對此提出了用改裝的打點計時器點火的方案[31]和具體案例[32]，避免了安全隱患，是最值得參考的點火改進方式。也有教師使用自制火藥、引線引燃的方式點火，極富創(chuàng)意[33]。

4 開放空間的粉塵爆炸案例介紹

開放空間的爆炸實驗儀器準備與操作都很簡單，只要火源和某種揚塵方式就能完成（圖7），方法總結如下（表8）。

這里介紹一種趣味做法。教師用丁烷噴火槍作為火源，用勺子將玉米淀粉倒入口中，然后噴向火源，形成“口中噴火”的奇景。

丁烷噴火槍是焊接和烘培所用到的一種器具，沒有該器材的教師可以參考筆者以下的做法，自制火把，趣味性更強。

在體操棒（初中體育器械）一端包裹紗布，并用細鐵絲扎緊固定，浸入含有適量氯化鈉的酒精溶液后點燃作為火源。酒精溶液燃燒時的淡藍色火焰不便于觀察，加入氯化鈉后可看到明亮的黃色火焰，也可選擇加入其他離子形成不同的焰色效果。

5 結語

目前關于爆炸實驗本身的研究已經(jīng)趨于完善，但大多數(shù)文章都將問題聚焦在如何提高成功率、改善實驗效果等方面，重復率高。文章間的差異可能僅在于部分環(huán)節(jié)材質和工具的選擇不同，并沒有本質的區(qū)別，僅有少數(shù)文章能在密封、揚塵、點火等環(huán)節(jié)有創(chuàng)造性的改進，或是在理論層面對實驗進行研究[34]，具有參考價值。

初中化學安排粉塵爆炸內(nèi)容的目的是讓學生認識到粉塵爆炸的威力，重視生活中相關的安全問題。因此，如何將實驗設計趣味化、生活化，或是與先進的硬件技術相結合、量化體現(xiàn)爆炸威力是較有意義的。

化學中已有不少實驗都開發(fā)有現(xiàn)成的裝置，如水電解器、量熱計等。期待能設計出可批量生產(chǎn)的粉塵爆炸實驗演示裝置，一定能對廣大初中教師和實驗教學有巨大的幫助。

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