可燃气安全爆炸演示器

杨春峰

摘 要：为了演示可燃气的化学性质、化学反应与能量的关系、燃烧与爆炸的实验过程，笔者设计了可燃气安全爆炸演示器。本装置由底座、起爆台、带刻度塑料气瓶、中电压模块、遥控器和激光器组成，采取遥控引爆和激光引爆的方式，能够完成大多数可燃气的安全爆炸演示实验，具有实验安全、可重复操作、实验现象明显并能观察爆炸瞬间的优点，基本可以作为实验装置引入高中化学教学中。

关键词：可燃气；安全爆炸；演示器

当前在学习可燃气化学性质、燃烧与爆炸、化学反应与能量的实验时还没有成型的可燃气安全爆炸演示装置。如果作为化学实验仪器，需要满足三个条件：①装置能够反复使用，操作稳定性高；②装置兼容性强，能够演示大多数可燃气的爆炸实验；③实验安全，能够一人操作，适合高中化学实验教学。演示实验时，操作的安全性是首要因素，同时还要考虑是否有利于观察实验现象。本文从安全性、重复操作性、明显的实验现象三个方面考虑，设计了可燃气安全爆炸演示器。

由于不同的可燃气爆炸极限不同， 引爆能量及燃点有差异，因此，从以下三个方面选择演示的气体：①爆炸极限宽；②燃烧速度快，爆炸效果明显；③能方便收集气体，反应物及产物无毒，无害。有三类这样的气体：一是以空气中的氧气为氧化剂的可燃气。二是混合气体，如氢气与乙炔的混合气、汽油蒸汽等。三是不需氧气参与的反应，如氢气与氯气的混合气、氯气与甲烷的混合气，甚至引入其他强氧化剂等。本装置可采用遥控电火花引爆和激光引爆两种方式，可用于引爆大多数可燃气，适用面广。

可燃气安全爆炸演示器由底座、起爆台、带刻度塑料气瓶、中电压模块、遥控器和激光器（选配）组成。底座及挡板选用有机玻璃材质。底座由挡板分隔成起爆台和电源控制两块区域。底座下方设有基座，方便布线。底座左侧中心设置圆台状的起爆台，起爆台与放电针整合在一起，能够使气瓶稳固地倒扣在起爆台上。放电针穿过起爆台中心，高度不小于10厘米，使电火花能位于气瓶中心位置，起到防风的效果。定制的整体成型的内置式陶瓷放电针，具有隐藏高电压、抗氧化、耐高温、不易弯折的特性，能够随装置反复使用。底座右侧区域较小，上面是电源开关，下面用于放置电池和中电压模块。电线向下穿过底座从下方连接放电针。选用干电池作为电源，经过中压模块升压至约1800伏，保证在放电针两极间产生连续电火花，放电能量不小于1焦耳，适合引爆大多数可燃气。气瓶采用无色透明且带有体积刻度的塑料瓶，便于收集气体时可以用气体流量计控制气体体积。每个装置配备多个不同容积的气瓶，可分为200毫升、500毫升和广口、细口共四种气瓶。大号气瓶适合爆炸极限窄的可燃气；小号气瓶适合爆炸极限宽的可燃气。带刻度的气瓶有利于控制可燃气与氧化性气体的物质的量比，使混合气恰好完全反应，放出大量的反应热并增强实验效果。经验证实，气瓶为消耗品，在要求不严的情况下，可以选用纯水瓶代替。放电针与底座之间、中电压模块中所有电子元件以及其他连接处都用玻璃胶重新粘接，保证在实验中元器件之间连接牢固。选配1瓦的袖珍激光器，光斑温度不低于500℃，即酒精灯外焰的温度，基本高于大多数可燃气的燃点。激光器可用于演示光引发的爆炸反应，尤其用于氯气与甲烷等烃类物质的取代反应。

操作实验前，先收集可燃气的混合气。如果是排水集气法，在瓶盖上放置一块干燥剂。演示爆炸实验时，再临时丢掉干燥剂。如果气体易溶于水，可以选用排有机溶剂的方法收集可燃气。演示实验时，先观察周围环境是否适宜爆炸实验，尤其装置上方不能有易碎、易掉落的物品。将气瓶倒扣在放电针上，打开电源，远离装置，按压遥控器。由遥控器控制中电压连续放电，由放电针放电产生足够能量的电火花，引爆混合气。本装置采用倒扣的全透明塑料气瓶，有利于观察实验现象并且观察爆炸瞬间的实验现象。

笔者在进行可燃气的实验时，意外发现，连续的电火花可以用于直接点燃可燃气流，如甲烷气流、氢气流。本装置的优点是：提供连续电火花引爆和激光引爆的方式，实现了远程控制引爆，有利于观察实验现象，探索化学反应与反应热的关系，掌握可燃气爆炸的性质，开展安全教育。本装置基本成型，可以作为实验仪器引入到高中化学实验中。

参考文献：

[1]殷文韬，傅 贵.瓦斯爆炸事故行为原因分析及预防策略[J].煤矿开采，2013（6）.

[2]曲忠伟，颜事龙，李学超.惰性介质对甲烷/空气预混气体爆炸极限的影响[J].爆破器材，2016（2）.