肖軍華

一、制作背景

在九年級(jí)化學(xué)上冊(cè)教材（人教版）中，第七單元關(guān)于易燃、易爆物安全知識(shí)的內(nèi)容包括粉塵爆炸實(shí)驗(yàn)，書(shū)中對(duì)該實(shí)驗(yàn)只介紹了裝置的制作方法而沒(méi)有提供實(shí)物裝置。以面粉為材料進(jìn)行的粉塵爆炸演示實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示。該實(shí)驗(yàn)主要存在以下問(wèn)題。

1.由于沒(méi)有現(xiàn)成的實(shí)驗(yàn)裝置，教師按教材所述制作裝置的難度較大。

2.實(shí)驗(yàn)成功率低。一是因?yàn)橛盟芰仙w蓋住金屬罐，密封性不佳，二是實(shí)驗(yàn)選擇的爆炸物為面粉，市售面粉顆粒大、水分含量高，且面粉易吸水，所以在通常的實(shí)驗(yàn)條件下根本不會(huì)出現(xiàn)爆炸現(xiàn)象。

3.實(shí)驗(yàn)采用不透明的金屬罐，學(xué)生無(wú)法觀察罐內(nèi)發(fā)生的變化。

二、制作原理

在有限的空間里充滿(mǎn)可燃性粉塵，粉塵遇到明火就會(huì)發(fā)生爆炸。

三、制作過(guò)程

1.制作方法

（1）粉塵噴射器

截取一支小試管的底部（長(zhǎng)約3cm），用酒精噴燈加熱試管底部，再用鐵絲將試管底部戳出大小合適的孔。

將加工好的試管與一根彎曲90°的導(dǎo)管相連，并用膠棒密封，導(dǎo)管的彎曲處也用膠棒加固。制作好的粉塵噴射器如圖2所示。

（2）安全粉塵爆炸教學(xué)演示儀

取一個(gè)1 000ml～2 000ml的塑料筒。將兩個(gè)比蠟燭略大的銅絲圈固定在塑料筒的內(nèi)壁上，制成蠟燭架。

在塑料筒的底部打一個(gè)小孔，將粉塵噴射器通過(guò)小孔安裝在塑料筒內(nèi)，并用膠棒固定、密封。粉塵噴射器的外部導(dǎo)管通過(guò)橡膠管與洗耳球相連。

塑料筒的蓋上有一個(gè)大孔，可以塞上橡膠塞以密封。

這樣安全粉塵爆炸教學(xué)演示儀就制作完成了（結(jié)構(gòu)如圖3所示）。

2.用碳粉代替面粉的探究

為什么用面粉做粉塵爆炸實(shí)驗(yàn)很難成功？有關(guān)資料表明，面粉顆粒的大小用目來(lái)表示，一般為80～120目，其中100目的顆粒直徑約為150μm，標(biāo)準(zhǔn)面粉的含水量最低為12%，并且面粉顆粒易吸水。顆粒過(guò)大、含水量過(guò)高是用面粉做粉塵爆炸實(shí)驗(yàn)很難成功的主要原因。

有的老師將面粉烘烤24小時(shí)后，使面粉顆粒變脆，再進(jìn)一步磨細(xì)，在溫度較高、濕度較低的條件下才使爆炸實(shí)驗(yàn)成功。這也從側(cè)面證實(shí)了該實(shí)驗(yàn)難以成功的原因。

打印機(jī)的碳粉顆粒直徑一般為4μm～10μm，假設(shè)為5μm，則碳粉顆粒直徑約為面粉顆粒的 1/30 ，碳粉顆粒體積約為面粉顆粒的 1/27 000 ，而且碳粉中幾乎不含水分，也很難吸水。因此，使用本儀器采用碳粉做粉塵爆炸實(shí)驗(yàn)的成功率達(dá)到100%，而且實(shí)驗(yàn)不限溫度、濕度。

用碳粉做該實(shí)驗(yàn)很容易成功的另一個(gè)因素是燃燒熱高。通過(guò)查找資料發(fā)現(xiàn)，碳在充分燃燒時(shí)的燃燒熱約為33.5kJ/g，而面粉成分復(fù)雜、相對(duì)分子質(zhì)量不確定，難以找到它的燃燒熱，在這里用葡萄糖進(jìn)行大致比較（葡萄糖的燃燒熱約為15.5 kJ/g）。因而可以推斷碳粉的燃燒熱比面粉的燃燒熱大得多，而對(duì)于粉塵來(lái)說(shuō)，燃燒熱越高越容易發(fā)生爆炸。

3.安全性探究

本項(xiàng)目用如下實(shí)驗(yàn)測(cè)定演示儀的安全性。

如圖4所示，用彈簧秤分別測(cè)出橡膠塞在粉塵爆炸時(shí)彈出不同高度所需要的壓力，再量出橡膠塞的受力面積，就可以求出塑料筒內(nèi)爆炸時(shí)的最大壓強(qiáng)。實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)記錄如表1。

從實(shí)驗(yàn)測(cè)定的數(shù)據(jù)可知，當(dāng)出現(xiàn)較劇烈的爆炸現(xiàn)象時(shí)（橡膠塞彈出的高度在3m以上），塑料瓶?jī)?nèi)的壓強(qiáng)約為2.2個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓。查閱相關(guān)資料發(fā)現(xiàn)，普通可樂(lè)塑料瓶的瓶壁厚約1mm，可承受6個(gè)以上標(biāo)準(zhǔn)大氣壓強(qiáng)，而本儀器使用的塑料瓶瓶壁厚約3mm～4mm，所以其耐壓程度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于爆炸時(shí)的最大壓強(qiáng)。因此，用本演示儀演示粉塵爆炸實(shí)驗(yàn)十分安全。

四、演示儀的用途

安全粉塵爆炸教學(xué)演示儀的制作成本低，操作簡(jiǎn)單，演示效果好，具有批量生產(chǎn)的價(jià)值，也能解決教師在教學(xué)中缺乏教學(xué)儀器的困擾。