安全粉尘爆炸教学演示仪

2018-12-17湖南省邵阳县长阳铺镇梽木山中学肖军华

发明与创新 2018年46期

关键词：燃烧热碳粉喷射器

文湖南省邵阳县长阳铺镇梽木山中学肖军华

一、制作背景

在九年级化学上册教材（人教版）中，第七单元关于易燃、易爆物安全知识的内容包括粉尘爆炸实验，书中对该实验只介绍了装置的制作方法而没有提供实物装置。以面粉为材料进行的粉尘爆炸演示实验装置如图1所示。该实验主要存在以下问题。

图1 教材中粉尘爆炸实验装置

1.由于没有现成的实验装置，教师按教材所述制作装置的难度较大。

2.实验成功率低。一是因为用塑料盖盖住金属罐，密封性不佳，二是实验选择的爆炸物为面粉，市售面粉颗粒大、水分含量高，且面粉易吸水，所以在通常的实验条件下根本不会出现爆炸现象。

3.实验采用不透明的金属罐，学生无法观察罐内发生的变化。

二、制作原理

在有限的空间里充满可燃性粉尘，粉尘遇到明火就会发生爆炸。

三、制作过程

1.制作方法

（1）粉尘喷射器

截取一支小试管的底部（长约3cm），用酒精喷灯加热试管底部，再用铁丝将试管底部戳出大小合适的孔。

将加工好的试管与一根弯曲90°的导管相连，并用胶棒密封，导管的弯曲处也用胶棒加固。制作好的粉尘喷射器如图2所示。

（2）安全粉尘爆炸教学演示仪

取一个1000ml～2000ml的塑料筒。将两个比蜡烛略大的铜丝圈固定在塑料筒的内壁上，制成蜡烛架。

在塑料筒的底部打一个小孔，将粉尘喷射器通过小孔安装在塑料筒内，并用胶棒固定、密封。粉尘喷射器的外部导管通过橡胶管与洗耳球相连。

塑料筒的盖上有一个大孔，可以塞上橡胶塞以密封。

这样安全粉尘爆炸教学演示仪就制作完成了（结构如图3所示）。

2.用碳粉代替面粉的探究

为什么用面粉做粉尘爆炸实验很难成功？有关资料表明，面粉颗粒的大小用目来表示，一般为80～120目，其中100目的颗粒直径约为150μm，标准面粉的含水量最低为12%，并且面粉颗粒易吸水。颗粒过大、含水量过高是用面粉做粉尘爆炸实验很难成功的主要原因。

有的老师将面粉烘烤24小时后，使面粉颗粒变脆，再进一步磨细，在温度较高、湿度较低的条件下才使爆炸实验成功。这也从侧面证实了该实验难以成功的原因。

打印机的碳粉颗粒直径一般为4μm～10μm，假设为5μm，则碳粉颗粒直径约为面粉颗粒的1/30，碳粉颗粒体积约为面粉颗粒的1/27000，而且碳粉中几乎不含水分，也很难吸水。因此，使用本仪器采用碳粉做粉尘爆炸实验的成功率达到100%，而且实验不限温度、湿度。

用碳粉做该实验很容易成功的另一个因素是燃烧热高。通过查找资料发现，碳在充分燃烧时的燃烧热约为33.5kJ/g，而面粉成分复杂、相对分子质量不确定，难以找到它的燃烧热，在这里用葡萄糖进行大致比较（葡萄糖的燃烧热约为15.5kJ/g）。因而可以推断碳粉的燃烧热比面粉的燃烧热大得多，而对于粉尘来说，燃烧热越高越容易发生爆炸。

图2 粉尘喷射器

图3 安全粉尘爆炸教学演示仪结构图

3.安全性探究

本项目用如下实验测定演示仪的安全性。

如图4所示，用弹簧秤分别测出橡胶塞在粉尘爆炸时弹出不同高度所需要的压力，再量出橡胶塞的受力面积，就可以求出塑料筒内爆炸时的最大压强。实验的数据记录如表1。

从实验测定的数据可知，当出现较剧烈的爆炸现象时（橡胶塞弹出的高度在3m以上），塑料瓶内的压强约为2.2个标准大气压。查阅相关资料发现，普通可乐塑料瓶的瓶壁厚约1mm，可承受6个以上标准大气压强，而本仪器使用的塑料瓶瓶壁厚约3mm～4mm，所以其耐压程度远远高于爆炸时的最大压强。因此，用本演示仪演示粉尘爆炸实验十分安全。