化学课程中烟花爆竹专业实验的设计研究

陈蕾

化学课程中烟花爆竹专业实验的设计研究

陈蕾

烟花爆竹是我国的传统产业，在经济发展中发挥着地方支柱性产业的作用。然而，由于开设烟花爆竹专业的高校少、专业创设的时间有限、生源不足等原因，导致该课程的实验室建设面临一定的压力。烟花爆竹药剂特殊的化学属性要求实验设计与研究必须建立在安全、环保的基础上。烟花爆竹专业化学课的实验设计与研究必须多方面综合考虑，为学生提供安全、环保、具有实践意义的教学环境，让学生在了解化学知识的同时，提高操作技能。

烟花爆竹；化学课程；实验设计

2006年，湖南安全技术职业学院首届烟花爆竹专业示范单位正式招生，烟花爆竹有其特殊的专业属性，社会对该专业的认知不足，所以生源有限，为其专业的建设、教师的引进、实验室的建设均带来一定的压力，也为该专业的化学课程实验设计提供了一定的机遇。

一、化学课程实验设计的理论基础

（一）辩证唯物主义

辩证唯物主义认为，事物是客观存在的，认知是对客观事物的主观反映，意识具有主观能动性。在化学实验过程中，学生通过观察与动手操作，提升了分析问题与解决问题的能力，并能对化学过程从感性认识上升到理性认识。化学实验的设计与操作必须从认识事物的表象开始，通过亲自动手操作，对实验的仪器、过程与操作形成一个完善的实践活动，在认知领域形成深刻的理论成果。

（二）构建主义教学理论

构建主义认为，知识并不是靠教师对学生的单一传授，而是学生在学习与实践过程中形成的自我认知，学习过程是学生主动探索与构建自己知识经验的复杂过程。以化学课程为例在学生初步了解知识背景与实验原理的前提下，进行一定的科学实验设计，可以帮助学生理解和巩固所学概念与知识的深刻含义，加深对元素构成、物质性质的印象和理解，使学生完善自己已有的理论框架，形成自己的理性认知。

二、化学实验设计遵循的原则

（一）安全性原则

设计实验时应尽量避免有毒物品与危险性药品的使用，如果必须使用，也应该在一定的剂量与说明下慎重选择，避免对学生和教师造成伤害。实验者要对烟花爆竹的实验材料有充分的认识，烟花爆竹使用的药剂基本的组成成分是氧化剂和可燃剂，必要时还需要使用粘合剂与功能添加剂。其中，氧化剂提供氧，可燃剂提供燃烧时的热量，黏合剂使烟花爆竹制品达成一定的黏合性，三者在一定的空气条件下结合，发生燃烧现象。这三种原材料的结合具有易燃、易爆和一定的破坏性，这对该课程的实验设计提出了更高的要求。

（二）可行性原则

烟花爆竹所用的材料和原料多数具有一定的可燃性与氧化性，如何保证所选择原料与反应模式的可行性，烟花爆竹实验所需要的药品、实验设施与所需环境要在现阶段的教学条件下能够供应，这是化学实验的可行性原则。例如，烟花爆竹所使用的黑火药，其化学成分为硝酸钾、硫黄和木炭等，在这个反应中，如果用亚硝酸钾来代替硝酸钾，将不具备一定的可行性，对实验的预期会有一定的影响。

三、烟花爆竹的化学实验设计

（一）烟花爆竹燃烧爆炸的化学原理

烟花爆竹所使用的药剂是自身就能进行自持燃烧或爆炸反应的烟火药剂，大多发生的是氧化还原反应。烟花爆竹应用最为广泛的配方药剂是黑火药，其主要的化学成分为硝酸钾、硫黄和木炭，通常的比例为75%的硝酸钾、10%的硫黄、15%的木炭。木炭、氧气和硫黄结合，引起剧烈燃烧，短时间内便产生大量的热和氮气、二氧化碳等气体，此反应是典型的氧化还原反应，反应方程式为：S+2KNO3+3C=K2S+ 3CO2↑+N2↑。硝酸钾的分解与木炭硫黄等燃烧之后的体积急剧膨胀，压力突破一定的阈值便产生爆炸。数据显示，约为4g黑火药着火燃烧时可以产生约280L气体，体积可在瞬间内膨胀近万倍。此化学反应伴有爆炸异响，并有固体的产生和浓烟冒出，再加上用各种金属盐类作为有色发光剂，便形成了现在烟花爆竹的绚丽景象。

（二）烟花爆竹原材料化学成分的选择

由于烟花爆竹组成的成分不同，会导致出现的燃烧现象也不同。通常情况下，除了必要的氧化剂、黏合剂与可燃剂外，燃烧反应时还可添加一定的附加成分，这种附加成分使燃烧时火焰颜色各不相同，并且保证烟火的呈现效果有所不同。要实现这样的效果需要遵循以下几点要求。

稳定性：化学反应式中的各种燃料在选择时应优先选择那些化学性质稳定的、安定性好的，以保证化学反应的效果不受影响。

不吸湿性：所有的成分必须在干燥稳定的情况下存放，避免水分子的掺入，潮湿后会导致整体的化学反应效果不佳以及造成烟花爆竹原材料的不稳定。

易于存放性：由于烟花爆竹原料本身存在风险，要优先选择相对易于存放的物品优先选择，因为烟花产品的节庆性与礼品属性，其原料属性必须易于存放。

安全性：安全性是烟花爆竹产品首先要考虑的重要因素，对于易燃、易爆物品的选择与存放都要特别注意，尤其在实验室进行现场实验时，要保证在师生共同体验实验效果的情况下，做到安全、稳定、无害。

（三）烟花爆竹专业化学实验的设计

1．氧化还原反应实验。这类实验大多是试管实验，这就要求实验者能够准确把握试剂的用量与用法，对现象仔细观察，对化学结果准确判断。设计实验时，要采用合适的氧化剂来试验还原性，用合适的还原剂来试验氧化性。

如在对过氧化钠、炭之间发生的氧化还原反应实验中，可以这样设计，将过氧化钠和炭粉按2∶1的比例均匀地混合在一起，放入试管中，同时在试管的末端加入一张氯化钯试纸以检测是否有CO生成，然后试管下的酒精灯慢慢加热，此缓慢的过程便于观察试管中各物质的变化。此时，可以看到随着试管温度的升高，试管内的物质发生了剧烈的化学反应，并伴有火花，试纸并没有变色，可知反应并没有生成CO。加热一段时间后，可以将酒精灯熄灭，以此检验生成的化学产物。通过这样的设计，可以引导学生观察与判断出氧化剂、还原剂的特性，加深他们对物质氧化还原特性的深刻理解。

2．化学反应速率实验。反应速率的实验重点是测量化学原料在反应过程中不同时刻的浓度，可以将实验的多个反应体系重叠，以增加化学反应的简便性。

例如，在对活性炭脱SO2的化学催化反应速率实验中，可以通过检测SO2浓度和CO2体积分数分别对实验的催化反应速率。通过列表与描绘曲线的方式，将不同温度下的烟气速度、CO2体积分数进行数据统计，以整体反映出其对试验反应速率的影响。最终得出：SO2的浓度越大，催化反应速率越大，且催化反应的增长率却在逐渐减小，而CO2体积分数对催化反应速率呈线性关系。

运用固体酒精的无烟、污染性小、制作简单的特性，可以创设焰色反应实验，利用固体酒精，配制出各种不同盐类的燃烧特征，以此观察其五彩缤纷的燃烧现象。可以通过配制不同浓度的氯化钠、氯化钡、氯化锂、氯化铜、氯化锶等溶液，依次向燃烧着的固体酒精上喷洒，不同的盐代表着不同的反应焰色，通过观察焰色反应的现象，推断此物质的成分，拓展学生的化学知识，帮助他们对烟花爆竹专业知识的汲取。

我国的烟花爆竹专业起步较晚，经过几年的努力与教学实践，虽然取得了一定的成绩，但实验教学还有待进一步的完善与提高。在国内创设该专业最早的湖南安全技术职业学院在实验教学方面一直在不断摸索与前进，烟花爆竹专业的实验室建设一直走在国内烟花爆竹专业建设的前沿。然而相对于其他国家对该专业的建设，在整体的化学实验设计与实验教学上仍然存在着一定的差距。现有的烟花爆竹工程系，虽然已经有烟花爆竹化学性能实训室、烟花爆竹原材料分析实训室等少数的几个实验室，但远不能达到该专业实验设计的要求。烟花爆竹专业的实验设计与探索必须依靠全校教师与管理者的共同努力，引进先进的实验设备和先进的科学理念，不断将烟花爆竹专业的发展与建设推上一个崭新的高度。

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责任编辑：苏航

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1671-6531（2015）23-0154-02

湖南省教育厅立项，由陈蕾主持的教学教改研究项目课题 《烟花爆竹生产与管理对化学知识的需求研究》（项目编号：ZJC2013046）阶段性研究成果

陈蕾/湖南安全技术职业学院讲师，硕士（湖南长沙410000）。