方潔芳　張俊　何桂華

摘要：結(jié)合教材分析文獻(xiàn)中粉塵爆炸實(shí)驗(yàn)改進(jìn)的六個(gè)要素，進(jìn)而從容塵器具設(shè)計(jì)、配合震落揚(yáng)塵、密封前點(diǎn)火三個(gè)要素改進(jìn)粉塵爆炸實(shí)驗(yàn)裝置。根據(jù)塑料和金屬兩種不同的材質(zhì)，在實(shí)驗(yàn)中發(fā)揮其各自的優(yōu)點(diǎn)，落實(shí)和推廣實(shí)驗(yàn)教學(xué)。另外，從制作和操作等方面分析了改進(jìn)裝置的特點(diǎn)和教學(xué)效果。

關(guān)鍵詞：粉塵爆炸實(shí)驗(yàn);粉塵爆炸極限;實(shí)驗(yàn)改進(jìn)

文章編號(hào)：1005-6629（2021）04-0070-03 中圖分類號(hào)：G633.8 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

1研究背景

1.1已有的部分研究

粉塵爆炸實(shí)驗(yàn)是2012年人教版九年級(jí)《化學(xué)》教材的實(shí)驗(yàn)，也是能極大程度激發(fā)初中學(xué)生探究化學(xué)的興趣實(shí)驗(yàn)之一。教材上實(shí)驗(yàn)裝置（如圖1）采用鼓風(fēng)揚(yáng)塵的方式，即將反應(yīng)容器和容塵器具打孔，再用膠皮管連接后鼓風(fēng)，設(shè)計(jì)相對(duì)復(fù)雜。

初中人教版教材以粉塵爆炸實(shí)驗(yàn)為例介紹可燃物在有限的空間內(nèi)急劇地燃燒，就會(huì)在短時(shí)間內(nèi)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(nèi)急劇地燃燒引起爆炸的實(shí)驗(yàn)裝置是一線教師研究的重點(diǎn)。對(duì)初中粉塵爆炸實(shí)驗(yàn)裝置的改進(jìn)進(jìn)行文獻(xiàn)綜合研究，發(fā)現(xiàn)該裝置主要從六個(gè)要素進(jìn)行改進(jìn)：反應(yīng)容器、密閉方式、容塵器具、揚(yáng)塵方法、火源種類、點(diǎn)火時(shí)刻。其中反應(yīng)容器主要在于容器材質(zhì)的選擇，包括塑料、金屬和有機(jī)玻璃。密閉方式有蓋式和塞式兩種，個(gè)別在側(cè)面開孔密封。容塵器具即放置粉塵的裝置，和揚(yáng)塵方法的配合有助于達(dá)到爆炸極限。目前揚(yáng)塵方法主要為鼓風(fēng)揚(yáng)塵，其改進(jìn)的方面包括鼓風(fēng)工具、蠟燭位置、容塵器具的選擇及其在反應(yīng)容器中的位置。震落揚(yáng)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(diǎn)燃蠟燭，再用遙控器控制電機(jī)轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)，進(jìn)而帶動(dòng)塑料粉刷，使塑料盒中面粉均勻?yàn)⒙?。震落揚(yáng)塵操作簡單，容塵器具一般放置在反應(yīng)容器頂部，但文獻(xiàn)已有的容塵器具制作較繁瑣復(fù)雜。溫度涉及火源種類和點(diǎn)火時(shí)刻，這兩者的設(shè)計(jì)需考慮密閉空間氧氣消耗問題。文獻(xiàn)中主要是通過火源種類改進(jìn)減少氧氣的消耗，有文獻(xiàn)用可樂瓶代替氣囊鼓入氧氣。點(diǎn)火時(shí)刻包括密封前點(diǎn)火和密封后點(diǎn)火，對(duì)比如表把把1所示。

1.2反思和改進(jìn)思考

粉塵爆炸實(shí)驗(yàn)6個(gè)要素的改進(jìn)內(nèi)容豐富，還有理論方面的研究，更有從定量的角度對(duì)比分析爆炸過程溫度和壓強(qiáng)的急劇變化，有借鑒意義，也有改進(jìn)空間。筆者認(rèn)為實(shí)驗(yàn)成功的關(guān)鍵點(diǎn)是控制好爆炸極限、溫度、密閉空間，聚焦改進(jìn)的要素在于容塵器具、揚(yáng)塵方法和點(diǎn)火時(shí)刻的結(jié)合。結(jié)合已有的文獻(xiàn)，震落揚(yáng)塵較為獨(dú)特，制作簡便且容塵能力強(qiáng)的放置粉末的器皿可作為改進(jìn)的方向。此外化學(xué)實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)服務(wù)于教學(xué)，人教版教材重點(diǎn)在于對(duì)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(fù)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(shí)驗(yàn)說明越增大可燃物和氧氣的接觸面積，反應(yīng)越劇烈。筆者認(rèn)為，實(shí)驗(yàn)改進(jìn)不僅在于通過實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象激趣，更在于利用裝置引導(dǎo)學(xué)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(shí)驗(yàn)改進(jìn)裝置將有助于落實(shí)和推廣實(shí)驗(yàn)教學(xué)。

2實(shí)驗(yàn)部分

2.1實(shí)驗(yàn)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(shù)貼剪成相應(yīng)大小的形狀，用膠棒（或針線縫等）將魔術(shù)貼平滑的一面粘在塑料蓋內(nèi)面（如圖2）。魔術(shù)貼是生活中用來固定頭發(fā)的，在淘寶中搜索“頭發(fā)魔術(shù)貼”即可購買。該用品對(duì)面粉有很強(qiáng)的容納固著能力，面粉鋪在魔術(shù)貼后倒蓋在罐子上，需用塑料棒敲打才會(huì)灑落，且可以根據(jù)容器蓋形狀剪裁，有助于面粉灑落時(shí)均勻地充滿整個(gè)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(shí)驗(yàn)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(shù)貼的毛面上即可）。

（2）如圖3，罐底部先放適量細(xì)沙，將蠟燭插人固定即可。點(diǎn)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(shí)驗(yàn)的，則靜待4min左右，讓金屬罐內(nèi)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(shí)驗(yàn)的，塑料罐底部放兩根緊挨的蠟燭，點(diǎn)燃即可蓋上塑料蓋。

（3）用塑料棒敲擊罐蓋，使面粉從魔術(shù)貼中均勻落下。

2.3實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象

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

塑料罐：能看到粉塵燃燒，形成火團(tuán)，有火團(tuán)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(jìn)實(shí)驗(yàn)特點(diǎn)

2.4.1容塵器具制作簡單，有助于粉塵均勻混合

本實(shí)驗(yàn)最關(guān)鍵的改進(jìn)在于用“魔術(shù)貼”制作容塵器具，根據(jù)罐蓋的形狀大小對(duì)“魔術(shù)貼”進(jìn)行剪裁制作。制作簡便，材料來源于生活，使用方便。同時(shí)該材料有很強(qiáng)的儲(chǔ)塵能力，粉塵也容易均勻地混合鋪在魔術(shù)貼上，有助于震落揚(yáng)塵時(shí)粉塵均勻地充滿整個(gè)容器，而且不易將蠟燭熄滅，因此能夠提高容塵量和揚(yáng)塵效率。此外，裝置的設(shè)計(jì)簡潔，無需打孔。

2.4.2操作簡單，提高實(shí)驗(yàn)成功率

本實(shí)驗(yàn)采用先點(diǎn)火再密封、揚(yáng)塵的實(shí)驗(yàn)步驟，步驟簡單易行。容塵器具、揚(yáng)塵方法和點(diǎn)火時(shí)刻同時(shí)配合，克服了蠟燭消耗氧氣而導(dǎo)致氧氣濃度不足的問題。采用密封前點(diǎn)火的方式，蠟燭點(diǎn)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(diǎn)燃兩個(gè)緊挨的蠟燭，火源較集中，保證粉塵爆炸實(shí)驗(yàn)發(fā)生時(shí)有足夠的溫度，且兩者均避免氧氣不足容易導(dǎo)致蠟燭熄滅的問題。

2.4.3在透明塑料罐中完成實(shí)驗(yàn)，粉塵爆炸實(shí)驗(yàn)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(diǎn)火后即密封揚(yáng)塵，一定程度上克服了塑料材質(zhì)不耐高溫的缺點(diǎn)，而且學(xué)生可以明顯觀察到整個(gè)粉塵爆炸過程。在金屬罐中進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，點(diǎn)燃一根蠟燭，并利用金屬的導(dǎo)熱性，讓金屬罐有足夠的溫度后，再密封揚(yáng)塵，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象十分明顯，火團(tuán)半徑大而且爆炸聲響亮。兩種材質(zhì)的反應(yīng)容器各有特點(diǎn)，在實(shí)驗(yàn)中發(fā)揮其各自的優(yōu)點(diǎn)，有利于學(xué)生完成分組實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)，落實(shí)和推廣實(shí)驗(yàn)教學(xué)。

3結(jié)語

粉塵爆炸實(shí)驗(yàn)采用震落揚(yáng)塵方法使粉塵達(dá)到爆炸極限，故關(guān)鍵在于選擇放置粉塵的材料上。容塵能力強(qiáng)，敲打時(shí)粉塵均勻撒落很重要。適當(dāng)?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(zhì)決定了其可以讓整個(gè)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(fù)使用的優(yōu)點(diǎn)。同時(shí)，需要點(diǎn)火時(shí)刻的配合，密封前點(diǎn)火可以讓整個(gè)反應(yīng)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(diǎn)燃后即可密封揚(yáng)塵，操作簡單，有足夠的時(shí)間在容器內(nèi)氧氣消耗完之前完成爆炸實(shí)驗(yàn)。