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        安全粉塵爆炸教學(xué)演示儀

        2018-12-17 05:34:52湖南省邵陽縣長陽鋪鎮(zhèn)梽木山中學(xué)肖軍華
        發(fā)明與創(chuàng)新 2018年46期
        關(guān)鍵詞:燃燒熱碳粉噴射器

        文 湖南省邵陽縣長陽鋪鎮(zhèn)梽木山中學(xué) 肖軍華

        一、制作背景

        在九年級化學(xué)上冊教材(人教版)中,第七單元關(guān)于易燃、易爆物安全知識的內(nèi)容包括粉塵爆炸實驗,書中對該實驗只介紹了裝置的制作方法而沒有提供實物裝置。以面粉為材料進(jìn)行的粉塵爆炸演示實驗裝置如圖1所示。該實驗主要存在以下問題。

        圖1 教材中粉塵爆炸實驗裝置

        1.由于沒有現(xiàn)成的實驗裝置,教師按教材所述制作裝置的難度較大。

        2.實驗成功率低。一是因為用塑料蓋蓋住金屬罐,密封性不佳,二是實驗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,所以在通常的實驗條件下根本不會出現(xiàn)爆炸現(xiàn)象。

        3.實驗采用不透明的金屬罐,學(xué)生無法觀察罐內(nèi)發(fā)生的變化。

        二、制作原理

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

        三、制作過程

        1.制作方法

        (1)粉塵噴射器

        截取一支小試管的底部(長約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1000ml~2000ml的塑料筒。將兩個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小孔,將粉塵噴射器通過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)管通過橡膠管與洗耳球相連。

        塑料筒的蓋上有一個大孔,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驗很難成功?有關(guān)資料表明,面粉顆粒的大小用目來表示,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。顆粒過大、含水量過高是用面粉做粉塵爆炸實驗很難成功的主要原因。

        有的老師將面粉烘烤24小時后,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驗成功。這也從側(cè)面證實了該實驗難以成功的原因。

        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1/27000,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驗的成功率達(dá)到100%,而且實驗不限溫度、濕度。

        用碳粉做該實驗很容易成功的另一個因素是燃燒熱高。通過查找資料發(fā)現(xiàn),碳在充分燃燒時的燃燒熱約為33.5kJ/g,而面粉成分復(fù)雜、相對分子質(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15.5kJ/g)。因而可以推斷碳粉的燃燒熱比面粉的燃燒熱大得多,而對于粉塵來說,燃燒熱越高越容易發(fā)生爆炸。

        圖2 粉塵噴射器

        圖3 安全粉塵爆炸教學(xué)演示儀結(jié)構(gòu)圖

        3.安全性探究

        本項目用如下實驗測定演示儀的安全性。

        如圖4所示,用彈簧秤分別測出橡膠塞在粉塵爆炸時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)爆炸時的最大壓強(qiáng)。實驗的數(shù)據(jù)記錄如表1。

        從實驗測定的數(shù)據(jù)可知,當(dāng)出現(xiàn)較劇烈的爆炸現(xiàn)象時(橡膠塞彈出的高度在3m以上),塑料瓶內(nèi)的壓強(qiáng)約為2.2個標(biāo)準(zhǔn)大氣壓。查閱相關(guān)資料發(fā)現(xiàn),普通可樂塑料瓶的瓶壁厚約1mm,可承受6個以上標(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)高于爆炸時的最大壓強(qiáng)。因此,用本演示儀演示粉塵爆炸實驗十分安全。

        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,操作簡單,演示效果好,具有批量生產(chǎn)的價值,也能解決教師在教學(xué)中缺乏教學(xué)儀器的困擾。

        圖4 測定粉塵爆炸時儀器內(nèi)部的最大壓強(qiáng)

        表1

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