氫氣爆炸極限測定演示實(shí)驗(yàn)裝置的新設(shè)計(jì)

王夏珩 葉永謙 陳珍珠 嚴(yán)業(yè)安

摘要： 現(xiàn)有的可燃性氣體爆炸極限測定演示實(shí)驗(yàn)存在氣體需事先制備、精確度不高等有待改進(jìn)之處。通過設(shè)計(jì)氫氣氧氣簡易發(fā)生裝置、借用堿式滴定管等常用儀器設(shè)計(jì)混合氣體爆炸裝置，現(xiàn)場制備氫氣、氧氣并演示氫氣在氧氣中爆炸極限的測定過程，測得該條件下爆炸極限為14.89%～97.33%，精確度較高。通過課堂演示和科學(xué)體驗(yàn)，分析測定結(jié)果與文獻(xiàn)數(shù)據(jù)的差異，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新精神、實(shí)踐能力和安全意識。

關(guān)鍵詞： 氫氣; 爆炸極限; 演示實(shí)驗(yàn)裝置; 實(shí)驗(yàn)改進(jìn)

文章編號： 10056629（2019）7007204中圖分類號： G633.8文獻(xiàn)標(biāo)識碼： B

氫氣等可燃性氣體的爆炸可能帶來極為嚴(yán)重的后果，因此，控制爆炸是石油、化工等行業(yè)的重中之重。武麗娜等[1]認(rèn)為： 在石油、化工等行業(yè)生產(chǎn)過程中，從原料到成品，使用、產(chǎn)生的易燃易爆物質(zhì)很多，一旦發(fā)生爆炸事故，常會帶來非常嚴(yán)重的后果，造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失和人員傷亡，譬如泵房垮塌、油罐爆炸著火、管道爆炸、裝置報(bào)廢、人員傷亡等。因此，混合燃?xì)獗O限的測定就成為化工設(shè)計(jì)人員考慮最多的因素之一，也是中學(xué)化學(xué)有必要介紹但目前相關(guān)演示實(shí)驗(yàn)裝置還有待改進(jìn)的實(shí)驗(yàn)之一。

關(guān)于可燃性氣體爆炸極限演示實(shí)驗(yàn)裝置的設(shè)計(jì)，自2000年以來，分別有孟憲昌[2]、肖文中[3]、林建芬[4]等進(jìn)行研究且取得明顯的演示效果。其共同特點(diǎn)均為使用已制備的氫氣、氧氣進(jìn)行混合點(diǎn)燃，通過不同混合比例進(jìn)行爆炸極限研究。以林建芬[5]所介紹的演示裝置（如圖1所示）為例，該裝置通過改裝的塑料瓶使用排水法實(shí)現(xiàn)不同比例的氣體混合，并用電子點(diǎn)火器引爆，演示氫氣的爆炸極限測定過程。該裝置原理簡單、現(xiàn)象明顯，但氫氣氧氣必須事先制備，不方便在教室現(xiàn)場演示;且氣體體積的測定不夠精確，在定量研究上還存在可改進(jìn)之處。

通過設(shè)計(jì)氫氣氧氣簡易發(fā)生裝置、借用堿式滴定管等設(shè)計(jì)混合氣體燃燒爆炸裝置，可以在教室現(xiàn)場演示氫氣在氧氣中爆炸極限的測定過程，且測定的氣體體積可精確到0.01mL，有效提高了數(shù)據(jù)測定的精確度。

1 裝置的組成及使用方法

氫氣爆炸極限測定演示實(shí)驗(yàn)裝置由氫氣發(fā)生裝置、氧氣發(fā)生裝置、混合氣體爆炸裝置等三部分組成，測定裝置如圖2所示。

1.1 氫氣簡易發(fā)生裝置的設(shè)計(jì)及使用

氫氣簡易發(fā)生裝置由150mL的錐形瓶、50mL的堿式滴定管及雙孔橡皮塞等組成。使用的藥品有長條鋅片、常溫下密度為1.20g/mL稀硫酸。使用時(shí)在堿式滴定管的下端套上橡皮套（或橡皮筋），橡皮套下方插入用于反應(yīng)的長條鋅片（如圖2左圖氫氣發(fā)生裝置）。往錐形瓶中加入120mL稀硫酸，插入堿式滴定管并套緊，關(guān)閉玻璃活塞。堿式滴定管下端的鋅片接觸稀硫酸后開始反應(yīng)生成氫氣，產(chǎn)生的氫氣將反應(yīng)液壓入堿式滴定管。當(dāng)反應(yīng)液的液面下降到與鋅片全部脫離后，反應(yīng)停止。打開玻璃活塞，堿式滴定管中液面下降，將氫氣壓到混合氣體爆炸裝置。

1.2 氧氣簡易發(fā)生裝置的設(shè)計(jì)及使用

氧氣簡易發(fā)生裝置與氫氣簡易發(fā)生裝置相同，使用的藥品有用棉花包裹的二氧化錳粉末、常溫下濃度為5%的過氧化氫溶液。使用時(shí)在堿式滴定管的下端用橡皮筋固定內(nèi)部包有二氧化錳粉末的棉花團(tuán)（如圖2右圖氧氣發(fā)生裝置）。往錐形瓶中加入120mL 5%的過氧化氫溶液，插入堿式滴定管并套緊，關(guān)閉玻璃活塞。堿式滴定管下端的二氧化錳接觸過氧化氫后開始反應(yīng)生成氧氣，產(chǎn)生的氧氣將反應(yīng)液壓入堿式滴定管。當(dāng)反應(yīng)液的液面下降到與棉花團(tuán)全部脫離后，反應(yīng)停止。打開玻璃活塞，堿式滴定管中液面下降將氧氣壓到混合氣體爆炸裝置。

1.3 混合氣體爆炸裝置

混合氣體爆炸裝置由150mL的磨口錐形瓶、改裝的50mL堿式滴定管、50mL的塑料三角漏斗、氣流單向閥及自制輔助裝置組成。使用的藥品有溶有蔗糖的洗潔精、水。其中堿式滴定管改裝方法如下： 在堿式滴定管的下端加裝玻璃外管，外管下口處理成標(biāo)準(zhǔn)磨口，可與上述錐形瓶緊密磨合在一起。外管上裝有三個導(dǎo)氣管，均帶有玻璃活塞。其中連接活塞1、活塞2的兩個導(dǎo)氣管分別用于充入氫氣、氧氣，第三個導(dǎo)氣管用于將混合氣體放出進(jìn)入氣流單向閥生成氣泡（如圖2中圖混合氣體爆炸裝置）。

使用時(shí)，往錐形瓶中裝滿水，塑料三角漏斗下端插入氣流單向閥，氣流單向閥再套在活塞3所連接的導(dǎo)氣管上。三角漏斗中滴入2mL溶有蔗糖的洗潔精。將改裝后的堿式滴定管插入集氣瓶（圖2中圖錐形瓶），剩余兩個導(dǎo)管分別用橡皮管連接氫氣和氧氣發(fā)生裝置?？刂茪錃庋鯕獍l(fā)生裝置的玻璃活塞，可以將一定體積的氫氣和氧氣分別導(dǎo)入集氣瓶中進(jìn)行充分混合。導(dǎo)入的氣體將錐形瓶中的水壓入堿式滴定管中，通過堿式滴定管上液面的上升讀數(shù)可以判斷導(dǎo)入的氣體體積。打開并控制三角漏斗下方玻璃活塞3，堿式滴定管中液面下降，將混合氣體緩慢通過氣流單向閥進(jìn)入三角漏斗中的洗潔精形成混合氣體的肥皂泡。由于溶解有蔗糖，使水分子間氫鍵明顯增強(qiáng)，可以得到大而穩(wěn)定的肥皂泡[6]。點(diǎn)燃該肥皂泡，通過肥皂泡的不燃燒、安靜燃燒、爆炸等現(xiàn)象判斷爆炸極限。由于該爆炸僅限于氣體肥皂泡的爆炸，并有氣流單向閥阻斷，爆炸產(chǎn)生的火焰不會被引到氣體發(fā)生裝置中，確保安全。

2 氫氣爆炸極限測定的實(shí)驗(yàn)步驟

國家標(biāo)準(zhǔn)《空氣中可燃?xì)怏w爆炸極限測定方法》中給出了可燃?xì)怏w與空氣混合物爆炸極限的具體測定方法[7]。該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，用漸進(jìn)法通過測試確定極限值，測定爆炸下（上）限時(shí)，如果在某濃度下未發(fā)生爆炸現(xiàn)象，則增大（減少）可燃?xì)怏w濃度直至測得能發(fā)生爆炸的最?。ù螅舛?如果在某濃度下發(fā)生爆炸現(xiàn)象，則減少（增大）可燃?xì)怏w濃度直至測得不能發(fā)生爆炸的最小（大）濃度。同一試驗(yàn)裝置測得的重復(fù)試驗(yàn)結(jié)果，誤差不應(yīng)大于5%。并且要求該測試要具有重復(fù)性，即同一個測試人員測得的重復(fù)試驗(yàn)結(jié)果誤差不應(yīng)大于5%;要具有再現(xiàn)性，不同實(shí)驗(yàn)室測得的重復(fù)試驗(yàn)結(jié)果的平均值誤差不應(yīng)大于10%。按照該標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計(jì)了以下實(shí)驗(yàn)步驟。

2.1 檢驗(yàn)氣密性

按圖2裝置圖將儀器裝配好，關(guān)閉所有玻璃活塞。分別往三個堿式定管中加水，如加到一定量的水后液面均無法再下降且保持液面高度不變，說明整個裝置氣密性良好。

2.2 固定鋅片和二氧化錳

將三片鋅片用橡皮筋固定在堿式滴定管（圖2左圖）距離下管口5cm的管壁上;將二氧化錳用棉花包裹，用橡皮筋固定在另一堿式滴定管（圖2右圖）距離下管口5cm的管壁上，再分別加入密度為1.20g/mL的稀硫酸和濃度為5%的過氧化氫溶液。

2.3 檢驗(yàn)氫氣的純度

藥品加入一段時(shí)間后，實(shí)現(xiàn)固液分離效果，氫氣、氧氣生成后均收集在各自發(fā)生裝置中。打開活塞1，使氫氣進(jìn)入中間混合氣體爆炸裝置，氫氣將水壓入堿式滴定管，關(guān)閉活塞1。打開活塞3，控制氣流進(jìn)入形成氫氣肥皂泡，關(guān)閉活塞3。點(diǎn)燃后如果出現(xiàn)清脆的爆鳴聲，說明氫氣不純。將錐形瓶中氣體全部排出，再次通入氫氣形成肥皂泡，直至點(diǎn)燃?xì)錃夥试砼輹r(shí)安靜地燃燒，說明該氫氣是純凈的。

2.4 檢驗(yàn)氧氣的純度

在檢驗(yàn)氫氣的純度之后，打開活塞2，使氧氣進(jìn)入混合氣體爆炸測定裝置，氧氣將水壓入堿式滴定管，關(guān)閉活塞2。打開活塞3，控制氣流進(jìn)入形成氧氣肥皂泡，關(guān)閉活塞3。用帶火星的木條靠近，如果出現(xiàn)爆鳴聲，說明氧氣中還混有氫氣，不純凈。將集氣瓶中氣體全部排出，再次通入氧氣形成肥皂泡，直至帶火星的木條可以安靜地復(fù)燃，說明該氧氣是純凈的。

2.5 測定氫氣在氧氣中的爆炸極限

（1） 測定氫氣爆炸的最大體積分?jǐn)?shù)： 在氫氣氧氣的混合氣體中，如果氫氣體積遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于氧氣體積，其燃燒就如純凈氫氣的燃燒，呈現(xiàn)安靜燃燒的現(xiàn)象。只有當(dāng)氫氣體積小于一定比例時(shí)，才會發(fā)生爆炸。因此，使用二分法尋找氫氣在氧氣中的爆炸極限： 由于50mL堿式滴定管一部分插入錐形瓶中無法讀數(shù)，取可讀數(shù)的氧氣體積40.00mL，控制每次氧氣體積為1.00mL，氫氣體積從40.00mL開始試探，如果不爆炸，再降1.00mL試探（見表1）。經(jīng)過多次試探，發(fā)現(xiàn)氧氣為1.00mL，氫氣為37.00mL時(shí)安靜燃燒;氧氣為1.00mL，氫氣為36.00mL時(shí)爆炸;再減小區(qū)間，當(dāng)氧氣為1.00mL，氫氣為36.50mL時(shí)爆炸。通過以上數(shù)據(jù)，測得氫氣爆炸的最大體積比例為氧氣1.00mL、氫氣36.50mL，此時(shí)氫氣的體積分?jǐn)?shù)為97.33%。找到最大體積分?jǐn)?shù)后，對該比例重復(fù)三次且結(jié)果均一致，該比例才符合測定要求（下同）。

（2） 測定氫氣爆炸的最小體積分?jǐn)?shù)： 在氫氣氧氣的混合氣體中，如果氧氣體積遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于氫氣體積，用燃燒著的木條靠近混合氣體，就如靠近接近純凈的氧氣，其現(xiàn)象為木條燃燒得更旺但不爆炸。使用試探法尋找氫氣開始爆炸的最小體積分?jǐn)?shù)： 氫氣體積固定為1.00mL，氧氣體積從37.00mL起開始試探，此時(shí)木條火焰更旺但不爆炸;氧氣再按每次降1.00mL試探，直至氧氣為30.00mL，仍不爆炸。此時(shí)增加氫氣體積為2.00mL，氧氣保持為20.00mL再試探仍不爆炸（見表2）。經(jīng)過多次試探，發(fā)現(xiàn)氫氣為3.00mL，氧氣為20.00mL時(shí)無爆鳴且燃燒，火焰更旺;氫氣為4.00mL，氧氣為20.00mL時(shí)發(fā)生輕微爆鳴;再將氫氣減少為3.50mL，氧氣為20.00mL時(shí)輕微爆鳴（見表2）。重復(fù)三次，結(jié)果均一致。通過測定，可以判斷氫氣爆炸的最小體積比例為氫氣為3.50mL、氧氣為20.00mL，即可計(jì)算出氫氣爆炸的最小體積分?jǐn)?shù)為14.89%。

綜合以上兩個數(shù)據(jù)可以得出，在該實(shí)驗(yàn)條件下氫氣在氧氣中的爆炸極限為14.89%～97.33%。

3 裝置設(shè)計(jì)及使用的意義

魏書斌等[8]認(rèn)為，中學(xué)生學(xué)習(xí)化學(xué)的時(shí)間和動手實(shí)驗(yàn)的機(jī)會減少，學(xué)生學(xué)習(xí)化學(xué)的興趣在消退。解決這一問題的對策包括統(tǒng)籌兼顧演示實(shí)驗(yàn)、分組實(shí)驗(yàn)、探究實(shí)驗(yàn)和家庭實(shí)驗(yàn)，提高師生研究性學(xué)習(xí)能力等。本演示實(shí)驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)的初衷就是通過模擬氫氣爆炸極限的測定，強(qiáng)化學(xué)生對可燃性氣體燃燒安全性的關(guān)注，并在實(shí)驗(yàn)過程中強(qiáng)化定量研究的嚴(yán)謹(jǐn)性。測定的結(jié)果是在該實(shí)驗(yàn)條件下，氫氣在氧氣中的爆炸極限為14.89%～97.33%。 但是，根據(jù)楊金翠等[9]測定的結(jié)果為： 氫氣在純氧氣中爆炸極限下限為4.0%，上限為94.0%。數(shù)據(jù)上存在較大差別的原因可能與測定的條件有關(guān)，楊金翠等測定的數(shù)據(jù)是在隔絕空氣的條件下用電子脈沖點(diǎn)火的;而本裝置實(shí)驗(yàn)并未完全隔絕空氣，含有水蒸氣且用明火點(diǎn)燃?xì)溲趸旌蠚怏w形成的肥皂泡。基于正常的生活條件，完全純凈的氫氣和氧氣的混合爆炸是不現(xiàn)實(shí)的，含有水蒸氣等氣體的爆炸反而更常見。因此，在演示實(shí)驗(yàn)后，應(yīng)組織學(xué)生分析文獻(xiàn)數(shù)據(jù)與本實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的差別及其可能原因。通過分析，培養(yǎng)學(xué)生尊重實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)、辯證分析數(shù)據(jù)的科學(xué)習(xí)慣。本實(shí)驗(yàn)裝置已在課堂上進(jìn)行演示，并在科學(xué)課中讓小學(xué)生、初中生、高中生等不同學(xué)段學(xué)生體驗(yàn)。通過讓更多的學(xué)生參與實(shí)驗(yàn)過程，使實(shí)驗(yàn)裝置的教育和警示作用得以更大范圍的傳播，這是裝置設(shè)計(jì)及使用的意義。

（1） 原理簡單而創(chuàng)意不簡單。設(shè)計(jì)的氫氣、氧氣簡易發(fā)生裝置，用橡皮筋將鋅片、棉花包裹二氧化錳固定在滴定管下管實(shí)現(xiàn)固液分離，小創(chuàng)意達(dá)到了啟普發(fā)生器的效果。將劇烈危險(xiǎn)的氫氣爆炸改進(jìn)為氫氧肥皂泡的爆炸，既安全環(huán)保又可以通過氣泡的爆炸與否判斷爆炸極限的范圍，便于推廣應(yīng)用。

（2） 儀器簡單而現(xiàn)象不簡單。用改裝的堿式滴定管、錐形瓶、三角漏斗及氣流單向閥等即可設(shè)計(jì)出氫氣爆炸極限測定的演示裝置。以氣泡的燃燒、火焰的大小、爆鳴的聲音等形成強(qiáng)烈的視覺和聽覺沖擊，讓學(xué)生更直觀地理解爆炸極限的測定原理。

（3） 過程簡單而影響不簡單。將粗略的體積測定改進(jìn)為精確度為0.01mL的定量研究過程，通過在課堂上演示、體驗(yàn)進(jìn)行警示教育以及簡易的操作讓學(xué)生體會啟普發(fā)生器的原理、混合氣體燃燒爆炸的過程及爆炸極限測定的步驟、注意事項(xiàng)，有效地提高了學(xué)生的化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)。

總之，實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的目的不是為設(shè)計(jì)而設(shè)計(jì)，而是為了解決生產(chǎn)、生活和學(xué)習(xí)中的問題。通過氫氣爆炸極限測定演示實(shí)驗(yàn)裝置的創(chuàng)新設(shè)計(jì)、課堂演示以及在科學(xué)課上體驗(yàn)，可以有效地提高了學(xué)生的創(chuàng)新精神、實(shí)踐能力和安全意識，有利于學(xué)生核心素養(yǎng)的培養(yǎng)。

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