萬雨喆

摘要： 通過分析相關(guān)文獻(xiàn)，建立實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ停瑥姆蹓m種類、點(diǎn)火方式等8個(gè)方面總結(jié)了進(jìn)行密閉空間粉塵爆炸實(shí)驗(yàn)需要注意的問題與值得參考的做法，同時(shí)介紹了若干開放空間爆炸實(shí)驗(yàn)的案例。另外，對粉塵爆炸實(shí)驗(yàn)的進(jìn)一步研究提出了建議。

關(guān)鍵詞： 粉塵爆炸； 爆炸實(shí)驗(yàn)； 粉塵種類； 點(diǎn)火方式；文獻(xiàn)綜述

文章編號： 1005-6629（2018）6-0087-05 中圖分類號： G633.8 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： B

粉塵爆炸是初中化學(xué)最具吸引力的實(shí)驗(yàn)之一，該實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)備較煩瑣，裝置可改進(jìn)的空間大，不少一線教師都對此提出了自己的想法。

本文以CNKI中小學(xué)數(shù)字圖書館為檢索平臺(tái)，以“粉塵爆炸”、“面粉爆炸”、“爆炸實(shí)驗(yàn)”等為關(guān)鍵詞進(jìn)行文獻(xiàn)檢索，篩選后得到關(guān)于初中粉塵爆炸實(shí)驗(yàn)的52篇文獻(xiàn)，對現(xiàn)有的各種改進(jìn)方案進(jìn)行了總結(jié)。

1 理論依據(jù)

初中的爆炸實(shí)驗(yàn)可分為密閉空間和開放空間兩類。前者是由于“急速的燃燒發(fā)生在有限空間內(nèi)，短時(shí)間聚積大量的熱，使氣體的體積迅速膨脹，引起爆炸”，后者是因?yàn)椤把鯕獾臐舛容^高，或可燃物與氧氣的接觸面積很大，周圍的空氣迅速猛烈膨脹，發(fā)生爆炸”[1]。密閉空間的爆炸實(shí)驗(yàn)裝置復(fù)雜、效果震撼，是教師研究、改進(jìn)的重點(diǎn)。

2 構(gòu)建模型

密閉空間發(fā)生爆炸的要素可歸納為四個(gè)： 構(gòu)成封閉空間、可燃物、氧氣/粉塵濃度和溫度。

四個(gè)要素又可細(xì)分為容器主體、密封方式、粉塵種類、加工方式、容塵器皿、揚(yáng)塵方式、火源種類和點(diǎn)火方式8個(gè)方面（表1）。據(jù)此可以構(gòu)建裝置的基本模型（圖1）。下文將從這8個(gè)方面進(jìn)行總結(jié)。

3 要素分析

3.1 容器主體

3.1.1 材質(zhì)

常見容器的選擇有兩種（表2）： 一是透明、便于觀察現(xiàn)象的塑料瓶，二是不透明但耐用的金屬罐，前者使用率更高。用玻璃鐘罩做容器是一個(gè)折衷的方案[2]，缺點(diǎn)是裝置較笨重。

3.1.2 體積

小體積的容器（1L以下）主要存在兩方面問題： 一是采用蠟燭作為火源時(shí)，若密封容器和揚(yáng)塵的操作不迅速，容器內(nèi)氧氣濃度會(huì)下降過快而使實(shí)驗(yàn)失敗[3]；二是體積小的容器爆炸火光小，反應(yīng)現(xiàn)象不震撼[4]。

過大的容器（5L及以上）實(shí)驗(yàn)時(shí)，粉塵較難充滿整個(gè)空間。在粉塵接觸火焰時(shí)，粉塵濃度可能會(huì)不足，使爆炸成功率降低。

因此，教師普遍（73.2%）傾向于直接選擇體積適中的容器（1.5L左右）或用稍大的（1.5～3L）切除一部分。如塑料材質(zhì)的可樂瓶（1.5L）、大桶礦泉水瓶（3L）或金屬材質(zhì)的奶粉罐（1.5L）都是較為合適的選擇。滬教版九年級化學(xué)上冊教材就給出了用可樂瓶制作爆炸裝置的范例[5]，教師可以將其中向上鼓氣的玻璃管改成斜向下的玻璃彎管[6]，增加粉塵濃度，這是最簡便的裝置方案。

有教師對容器主體進(jìn)行了趣味改進(jìn)，將主體制作成大炮的形式[7]或用南瓜為材料將容器制成了萬圣節(jié)南瓜燈[8]，很有參考價(jià)值。

3.2 密封方式

依據(jù)容器形狀不同——無頸部的廣口容器（奶粉罐、茶葉罐等）或有頸部的

細(xì)口容器（可樂瓶、玻璃鐘罩等）——容器的密封方式可分為兩種： 蓋式（圖2）和塞式（圖3和表3）。

有教師提出密封物與主體是否有一定的吻合度，是決定爆炸實(shí)驗(yàn)成敗的關(guān)鍵。良好的吻合度是指密封后能形成穩(wěn)定的密閉空間（密封物不會(huì)因鼓入的氣流沖擊而松動(dòng)），且實(shí)驗(yàn)時(shí)爆炸效果明顯（密封物可以被爆炸時(shí)的氣流掀起）[11]。

從實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象看，塞式密封的實(shí)驗(yàn)效果更好。因?yàn)榧?xì)口容器的頸部有匯聚氣流的作用，可以使密封物（如橡皮塞、易拉罐）得到更多的動(dòng)能，彈射更遠(yuǎn)、效果更震撼[12]（圖4）。

從實(shí)驗(yàn)操作看，蓋式密封的容器可以進(jìn)行揚(yáng)塵方式的改進(jìn)，將常規(guī)的鼓氣揚(yáng)塵改為粉塵固定在容器頂部的震落揚(yáng)塵（圖5），本文將在之后的揚(yáng)塵方式環(huán)節(jié)介紹。

3.3 粉塵種類與加工方式

粉塵種類不是決定實(shí)驗(yàn)成敗的關(guān)鍵，粉塵只要顆粒足夠細(xì)小，就能懸浮在空氣中并與空氣混合均勻，實(shí)驗(yàn)就容易成功[13]。常見的粉塵中（表4），玉米淀粉既容易買到，顆粒又最細(xì)小，是實(shí)驗(yàn)的最好選擇。

有教師提出，粉塵顆粒的大小與干濕程度有關(guān)。面粉雖然易吸水結(jié)塊，但只要能適當(dāng)處理，也可順利進(jìn)行實(shí)驗(yàn)[14]。作為實(shí)驗(yàn)室常備藥品，在沒有玉米淀粉的情況下，使用處理過的面粉也是很好的選擇。

面粉可以用兩種方式進(jìn)行處理： 過篩或干燥，后者效果更好。干燥面粉可以使用烤箱烘烤（100℃20分鐘）、陽光下暴曬（1～2小時(shí)）或在燒杯等容器內(nèi)翻炒至面粉表面微黃幾種辦法，最后一種方式得到的面粉實(shí)驗(yàn)效果最好[15]。

3.4 容塵器皿與揚(yáng)塵方式

3.4.1 容塵器皿

容塵器皿即實(shí)驗(yàn)中存放粉塵的器皿，設(shè)置得好可以提高揚(yáng)塵效率，增加粉塵濃度，但不是必要的選擇。通常側(cè)面開孔的裝置可以加上容塵器皿（因?yàn)閭?cè)面鼓入的氣流較難讓粉塵充分揚(yáng)起），而底部開孔的裝置則可省略，將粉塵直接堆放在底部開孔附近即可，鼓氣時(shí)向上鼓入的氣流較易在容器內(nèi)形成一定的粉塵濃度。

容塵器皿可選的材料很多（表5）。推薦可用現(xiàn)成的普通漏斗放置粉塵，教師也可參考兩種自制金屬盒的方案[16， 17]，提高揚(yáng)塵效率。有教師嘗試在容塵器皿上加裝面粉篩，揚(yáng)塵時(shí)能讓面粉同時(shí)過篩[18]，此法意義不大，與實(shí)驗(yàn)前面粉過篩的效果一樣。

3.4.2 揚(yáng)塵方式

鼓氣揚(yáng)塵是該實(shí)驗(yàn)的常規(guī)揚(yáng)塵方法（表6）。在容器主體與容塵器皿上同時(shí)開孔，用乳膠管連接后，通過洗耳球、打氣筒等工具鼓入空氣。

容器可以選擇側(cè)面開孔或底面開孔。前者外觀簡單，無需底座；后者可以省去容塵器皿，但底部要加裝底座[20]（否則底部的乳膠管會(huì)使容器無法放置水平）（圖6）。

較好的鼓氣方式有兩種： 一是用飲料瓶收集氧氣后鼓入，增加氧氣濃度[21]；二是利用玩具風(fēng)扇提供均勻連續(xù)的氣流，增加粉塵濃度[22]。

震落粉塵是另一種獨(dú)特的揚(yáng)塵思路。教師利用紗布將粉塵包裹后固定在鏤空的鐵絲支架[23]或貼在容器蓋上[24]，合上容器蓋后對蓋進(jìn)行敲擊，就可以使粉塵落下（圖5）。震落粉塵的優(yōu)勢有兩點(diǎn)： 一是粉塵與火源間的距離遠(yuǎn)，粉塵在燃燒前能均勻充滿容器，保證濃度；二是裝置不外接鼓氣設(shè)備，整體造型更美觀。

3.5 火源種類與點(diǎn)火方式

火源種類與點(diǎn)火方式的選擇有關(guān)聯(lián)之處，歸納如下（表7）。最簡單的點(diǎn)火方式是密封前點(diǎn)火，即先點(diǎn)燃蠟燭再密封、揚(yáng)塵。采用這種方式需要注意兩個(gè)問題：

一是蠟燭的位置最好用支架固定在容器的上部[25， 26]，即蠟燭需要與容塵器皿（或鼓氣孔）拉開一定距離（圖1），防止吹入的氣流熄滅蠟燭或是粉塵沒有充分揚(yáng)起就接觸火焰，燃燒時(shí)粉塵濃度不夠。

二是點(diǎn)燃火源后必須迅速密封容器并揚(yáng)塵，防止蠟燭燃燒消耗過多氧氣，氧氣濃度不夠[27]。

針對這兩個(gè)問題，有三種不同角度的改進(jìn)方案。

一是在火源種類上，將蠟燭改為酒精棉球。因?yàn)榫凭剂康陀谑?，相同時(shí)間內(nèi)燃燒消耗氧氣更少，持續(xù)時(shí)間更長。

二是在揚(yáng)塵方式上，將鼓氣揚(yáng)塵改為震落粉塵。此時(shí)粉塵和火源間的距離最遠(yuǎn)，粉塵在接觸到火焰之前能均勻地分布在容器內(nèi)（圖5）。

三是在點(diǎn)火方式上，使用電火花[28]或電子點(diǎn)火槍[29]等工具密封后點(diǎn)火。優(yōu)點(diǎn)是有充分的時(shí)間進(jìn)行揚(yáng)塵操作，實(shí)驗(yàn)成功率高。缺點(diǎn)是點(diǎn)火裝置制作復(fù)雜，高壓產(chǎn)生的電火花也不太安全[30]。有教師對此提出了用改裝的打點(diǎn)計(jì)時(shí)器點(diǎn)火的方案[31]和具體案例[32]，避免了安全隱患，是最值得參考的點(diǎn)火改進(jìn)方式。也有教師使用自制火藥、引線引燃的方式點(diǎn)火，極富創(chuàng)意[33]。

4 開放空間的粉塵爆炸案例介紹

開放空間的爆炸實(shí)驗(yàn)儀器準(zhǔn)備與操作都很簡單，只要火源和某種揚(yáng)塵方式就能完成（圖7），方法總結(jié)如下（表8）。

這里介紹一種趣味做法。教師用丁烷噴火槍作為火源，用勺子將玉米淀粉倒入口中，然后噴向火源，形成“口中噴火”的奇景。

丁烷噴火槍是焊接和烘培所用到的一種器具，沒有該器材的教師可以參考筆者以下的做法，自制火把，趣味性更強(qiáng)。

在體操棒（初中體育器械）一端包裹紗布，并用細(xì)鐵絲扎緊固定，浸入含有適量氯化鈉的酒精溶液后點(diǎn)燃作為火源。酒精溶液燃燒時(shí)的淡藍(lán)色火焰不便于觀察，加入氯化鈉后可看到明亮的黃色火焰，也可選擇加入其他離子形成不同的焰色效果。

5 結(jié)語

目前關(guān)于爆炸實(shí)驗(yàn)本身的研究已經(jīng)趨于完善，但大多數(shù)文章都將問題聚焦在如何提高成功率、改善實(shí)驗(yàn)效果等方面，重復(fù)率高。文章間的差異可能僅在于部分環(huán)節(jié)材質(zhì)和工具的選擇不同，并沒有本質(zhì)的區(qū)別，僅有少數(shù)文章能在密封、揚(yáng)塵、點(diǎn)火等環(huán)節(jié)有創(chuàng)造性的改進(jìn)，或是在理論層面對實(shí)驗(yàn)進(jìn)行研究[34]，具有參考價(jià)值。

初中化學(xué)安排粉塵爆炸內(nèi)容的目的是讓學(xué)生認(rèn)識到粉塵爆炸的威力，重視生活中相關(guān)的安全問題。因此，如何將實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)趣味化、生活化，或是與先進(jìn)的硬件技術(shù)相結(jié)合、量化體現(xiàn)爆炸威力是較有意義的。

化學(xué)中已有不少實(shí)驗(yàn)都開發(fā)有現(xiàn)成的裝置，如水電解器、量熱計(jì)等。期待能設(shè)計(jì)出可批量生產(chǎn)的粉塵爆炸實(shí)驗(yàn)演示裝置，一定能對廣大初中教師和實(shí)驗(yàn)教學(xué)有巨大的幫助。

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