粉尘爆炸实验的改进

方洁芳　张俊　何桂华

摘要：结合教材分析文献中粉尘爆炸实验改进的六个要素，进而从容尘器具设计、配合震落扬尘、密封前点火三个要素改进粉尘爆炸实验装置。根据塑料和金属两种不同的材质，在实验中发挥其各自的优点，落实和推广实验教学。另外，从制作和操作等方面分析了改进装置的特点和教学效果。

关键词：粉尘爆炸实验;粉尘爆炸极限;实验改进

文章编号：1005-6629（2021）04-0070-03 中图分类号：G633.8 文献标识码：B

1研究背景

1.1已有的部分研究

粉尘爆炸实验是2012年人教版九年级《化学》教材的实验，也是能极大程度激发初中学生探究化学的兴趣实验之一。教材上实验装置（如图1）采用鼓风扬尘的方式，即将反应容器和容尘器具打孔，再用胶皮管连接后鼓风，设计相对复杂。

初中人教版教材以粉尘爆炸实验为例介绍可燃物在有限的空间内急剧地燃烧，就会在短时间内聚集大量的热，使气体的体积迅速膨胀而引起爆炸。此类在有限空间内急剧地燃烧引起爆炸的实验装置是一线教师研究的重点。对初中粉尘爆炸实验装置的改进进行文献综合研究，发现该装置主要从六个要素进行改进：反应容器、密闭方式、容尘器具、扬尘方法、火源种类、点火时刻。其中反应容器主要在于容器材质的选择，包括塑料、金属和有机玻璃。密闭方式有盖式和塞式两种，个别在侧面开孔密封。容尘器具即放置粉尘的装置，和扬尘方法的配合有助于达到爆炸极限。目前扬尘方法主要为鼓风扬尘，其改进的方面包括鼓风工具、蜡烛位置、容尘器具的选择及其在反应容器中的位置。震落扬尘方法研究较少，一是利用纱布容尘并贴在塑料盖上。二是制成带60目钢丝的铁丝架放置粉尘，盖上容器盖，再轻轻敲盖子。三是用天然气喷火枪点燃蜡烛，再用遥控器控制电机转轴转动，进而带动塑料粉刷，使塑料盒中面粉均匀洒落。震落扬尘操作简单，容尘器具一般放置在反应容器顶部，但文献已有的容尘器具制作较繁琐复杂。温度涉及火源种类和点火时刻，这两者的设计需考虑密闭空间氧气消耗问题。文献中主要是通过火源种类改进减少氧气的消耗，有文献用可乐瓶代替气囊鼓入氧气。点火时刻包括密封前点火和密封后点火，对比如表把把1所示。

1.2反思和改进思考

粉尘爆炸实验6个要素的改进内容丰富，还有理论方面的研究，更有从定量的角度对比分析爆炸过程温度和压强的急剧变化，有借鉴意义，也有改进空间。笔者认为实验成功的关键点是控制好爆炸极限、温度、密闭空间，聚焦改进的要素在于容尘器具、扬尘方法和点火时刻的结合。结合已有的文献，震落扬尘较为独特，制作简便且容尘能力强的放置粉末的器皿可作为改进的方向。此外化学实验的改进服务于教学，人教版教材重点在于对爆炸概念的理解即爆炸发生的条件介绍。其中可燃物如何急剧地燃烧，使气体的体积迅速膨胀而引起的爆炸，影响因素主要包括爆炸极限和温度，粉尘爆炸极限包括的要素比较复杂，教材仅仅将气体爆炸极限放在资料卡片中，通过粉尘爆炸实验说明越增大可燃物和氧气的接触面积，反应越剧烈。笔者认为，实验改进不仅在于通过实验现象激趣，更在于利用装置引导学生分析思考爆炸的原理。因此一种制作简单、操作簡便、容易成功的实验改进装置将有助于落实和推广实验教学。

2实验部分

2.1实验仪器及药品

（1）直径约13cm、高约17cm有盖的金属奶粉罐，直径约12cm、高约16cm的塑料罐（密封性好）。

（2）容尘器具制作：根据塑料盖的大小将魔术贴剪成相应大小的形状，用胶棒（或针线缝等）将魔术贴平滑的一面粘在塑料盖内面（如图2）。魔术贴是生活中用来固定头发的，在淘宝中搜索“头发魔术贴”即可购买。该用品对面粉有很强的容纳固着能力，面粉铺在魔术贴后倒盖在罐子上，需用塑料棒敲打才会洒落，且可以根据容器盖形状剪裁，有助于面粉洒落时均匀地充满整个容器。

（3）高约3～4cm的蜡烛、干燥的玉米淀粉。

（4）酒精灯、小木条、塑料棒、药匙。

2.2实验步骤

（1）将适量烘干的玉米淀粉均匀地装入容尘器具（见图3）中（玉米淀粉均匀铺在魔术贴的毛面上即可）。

（2）如图3，罐底部先放适量细沙，将蜡烛插人固定即可。点燃蜡烛（注意蜡烛火焰高度1cm左右即可，太高容易烧坏塑料盖）。

若用金属奶粉罐完成实验的，则静待4min左右，让金属罐内部温度升高（用手触摸金属罐感知），再盖上奶粉盖;若在塑料罐中完成实验的，塑料罐底部放两根紧挨的蜡烛，点燃即可盖上塑料盖。

（3）用塑料棒敲击罐盖，使面粉从魔术贴中均匀落下。

2.3实验现象

金属罐：立刻能看到罐盖被直线冲出，有火团窜出容器（火团直径接近奶粉罐容器口大小），听到巨大的爆炸声。

塑料罐：能看到粉尘燃烧，形成火团，有火团窜出容器，罐盖被直线冲出，听到的爆炸声比金属罐小些。

2.4改进实验特点

2.4.1容尘器具制作简单，有助于粉尘均匀混合

本实验最关键的改进在于用“魔术贴”制作容尘器具，根据罐盖的形状大小对“魔术贴”进行剪裁制作。制作简便，材料来源于生活，使用方便。同时该材料有很强的储尘能力，粉尘也容易均匀地混合铺在魔术贴上，有助于震落扬尘时粉尘均匀地充满整个容器，而且不易将蜡烛熄灭，因此能够提高容尘量和扬尘效率。此外，装置的设计简洁，无需打孔。

2.4.2操作简单，提高实验成功率

本实验采用先点火再密封、扬尘的实验步骤，步骤简单易行。容尘器具、扬尘方法和点火时刻同时配合，克服了蜡烛消耗氧气而导致氧气浓度不足的问题。采用密封前点火的方式，蜡烛点燃后，不必立即密封，等到金属罐有足够的温度再密封。在塑料罐中，点燃两个紧挨的蜡烛，火源较集中，保证粉尘爆炸实验发生时有足够的温度，且两者均避免氧气不足容易导致蜡烛熄灭的问题。

2.4.3在透明塑料罐中完成实验，粉尘爆炸实验现象易观察

用两根紧挨的蜡烛作为火源能提高罐中温度，点火后即密封扬尘，一定程度上克服了塑料材质不耐高温的缺点，而且学生可以明显观察到整个粉尘爆炸过程。在金属罐中进行实验，点燃一根蜡烛，并利用金属的导热性，让金属罐有足够的温度后，再密封扬尘，实验现象十分明显，火团半径大而且爆炸声响亮。两种材质的反应容器各有特点，在实验中发挥其各自的优点，有利于学生完成分组实验和理解爆炸原理。材料安全易得，操作简单，也有助于开展家庭实验，落实和推广实验教学。

3结语

粉尘爆炸实验采用震落扬尘方法使粉尘达到爆炸极限，故关键在于选择放置粉尘的材料上。容尘能力强，敲打时粉尘均匀撒落很重要。适当的温度可以通过火源控制，因此在塑料罐中需用两根蜡烛，而金属罐的材质决定了其可以让整个容器的温度提高，使爆炸更剧烈，而不仅仅是金属耐高温、可重复使用的优点。同时，需要点火时刻的配合，密封前点火可以让整个反应容器的温度提高且避免氧气被过多消耗的问题。在塑料罐中两根蜡烛点燃后即可密封扬尘，操作简单，有足够的时间在容器内氧气消耗完之前完成爆炸实验。