粉尘爆炸实验的改进

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1 实验5：实验改进与创新设计

——粉尘爆炸实验的改进

一、【问题的提出】

1、实验在课题中的地位和作用：

九年级化学教材（人教版）《燃料及其利用》单元中，在介绍“易燃易爆物的安全知识”时提到:可燃性气体或粉尘在有限的空间内遇到明火会发生爆炸。学生对面粉能引起爆炸很怀疑，教材为此创设了一个问题探究情景，设置了粉尘爆炸实验来探究可燃性粉尘能否发生爆炸。通过本实验，学生可以观察到粉尘燃烧引起的爆炸现象，了解粉尘爆炸的危害性。因此，实验的成败直接关系到学生能否掌握对可燃性粉尘发生爆炸及爆炸条件的认识。但按照教材的设计去做，实验几乎无一人成功，以至本来是一个趣味性极强的演示实验，而教师在教学时不得不选择“以说代做”了事。改进该实验，使其具有可操作性，提高实验成功率，具有很大的实用性。因而本小组选用该实验进行改进。

2、教材的实验：

（1）实验装置图：

（2）实验操作过程：

剪去空金属罐和小塑料瓶的上部, 并在金属罐和小塑料瓶的底侧各打一个比橡皮管外径小的小孔.连接好装置,在小塑料瓶中放面粉,点燃蜡烛,用塑料盖盖住罐。从橡皮管一端鼓入大量的空气,使面粉充满罐,观察现象.

（3）不足之处：

按照教材上的方法进行，实验成功率很低，几乎为零，研究发现该实验设计有以下几点不足:

a) 若面粉不是特别干燥, 则不易被点燃, 这是该实验成功率低的主要原因。

b) 爆炸所用罐体为金属材料, 不透明, 学生不能看到罐体内部蜡烛与面粉的燃烧情况。

c) 用小瓶装面粉，鼓气时易形成孔洞，导致实验难以控制。

d) 塑料盖与金属罐之间密封不严, 即使面粉偶尔被点燃, 爆炸效果也不理想。

e) 鼓气量不好控制。吹入的气流太少，面粉不能充满金属罐；吹入气流太多，扬起的粉尘易使烛火熄灭，导致实验失败。

f) 塑料盖太重、太紧，不容易被掀开。

g) 点燃蜡烛、盖容器盖、鼓气吹面粉要一气呵成。否则，容器内空气中的氧气消耗过多，会导致粉尘燃烧时氧气不足，无法产生爆炸声。

二、【问题解决设想】

（1）改进设想：

a) 改进火源的选用：

①将实验所用蜡烛引燃改为电火花引燃：在220V的电压下，在两根导线中连接两根从铜导线抽出的细铜丝，当打开电源，两根细铜丝承受不了过重的负荷瞬间烧断并放出电火花引爆。

②将实验所用蜡烛引燃改为酒精棉球引燃：将酒精棉球置于蒸发皿中代替蜡烛。 百度文库 - 让每个人平等地提升自我！

2 ③自做点火器：找一个充气式打火机，先用两根较长的细导线与打火机中的压电器相连，形成一个感应回路；再从废弃的打点滴的塑料管上截取一段带针头的塑料管套在打火机的出气孔上，最后与前面的导线一起从瓶身下部上的单孔橡皮塞里伸出来。一按压电器，导线的另两端迸发出的电火花将打火机中出来的气体点燃，这样就可制作成一个“遥控式”的点火器。

b) 改进面粉的处理：

①将实验用气囊多次鼓起改为用气唧一次鼓起，保证面粉一次的扬起量。

②面粉的干燥处理：

1) 将实验所用面粉置于烘箱中烘干（温度控制：80~100oC，时间：60min）

2) 选取一个密封的瓦楞纸箱和一盏150瓦左右的白炽灯制成一个简易的干燥箱，再在干燥箱底放上一张纸，将面粉敞放在纸上，接通电源，光照24小时。

③面粉的大小：面粉越细越好，到超市选用颗粒最小的面粉，若实验室有200目筛，将干燥的面粉用200目筛过筛，保证面粉足够细，扬起效果达到最佳。

c) 改进容器的材料及大小：

①将金属罐改为透明的塑料瓶，使学生有较好的视觉效果。为防面粉爆炸时把瓶体撑破以及塑料盖太紧不易掀开, 可事先用砂纸把瓶口的螺纹擦去少许。

②透明塑料瓶的大小：选用体积为1L~2L的塑料瓶备用，以便实验时可以选择体积最佳的容器。

③把盛面粉用的小塑料瓶换成盛药片用的带盖小塑料瓶, 容积在30~ 50mL 为宜。

并在小塑料瓶底部用针扎出均匀密布的小孔，使鼓起的面粉均匀雾化（相当于莲蓬头的作用）

（2）改进实验装置图：

三、【实验设计方案】

（1）实验原理：

可燃性粉尘具有很小的直径和大的表面积，与空气有着较大的接触面积，因而特别容易着火。当一旦有火焰或火星存在时，靠近火源的粉尘首先受热燃烧起来，产生大量的热，所产生的热又使附近的粉尘迅速燃烧起来，产生更多的热。同时可燃性粉尘燃烧生成大量的二氧化碳气体和水蒸气。气体的体积比较大，高温时受热膨胀，产生的压力非常大。整个燃烧的过程只要极短的时间。这一瞬间的反应在密闭的容器中进行，便发生了爆炸。

（2）实验药品与仪器：

①实验药品：面粉（置于密封保鲜袋中，防潮）、酒精

②实验仪器：大塑料瓶（1L~2L共4个），装药品用的小塑料瓶（底部用针扎出均匀密布的小孔）、蜡烛、气唧、玻璃管、电火花引燃器、铜线、蒸发皿、棉球、止水夹、湿抹布、烧杯

（3）实验装置图：

①用蜡烛引燃（图a）：

图a

②用酒精棉球引燃（图b）：

图b

（4）实验步骤: 百度文库 - 让每个人平等地提升自我！

3 实验序号一：（装置图如图a）

①小塑料瓶内装上2 /3容积的面粉, 拧紧瓶盖倒置；

②在大塑料瓶底部和小塑料瓶盖处各钻出一个玻璃管大小的洞，两洞间用玻璃管连接，小塑料瓶固定在大塑料瓶瓶底处，玻璃管外侧连接气唧（以便使用气唧对小塑料瓶中的面粉鼓气），将大塑料瓶固定在实验台上。

③往气唧中鼓起并用止水夹夹好待用（松开止水夹时达到一次鼓起的目的）。

④点燃蜡烛（蜡烛的长度以放入瓶中达瓶体的中部偏上为佳），等蜡烛在大塑料瓶瓶外燃烧到很旺时，将蜡烛放入瓶中，迅速盖上大塑料瓶瓶盖并同时快速松开气唧止水夹向小塑料瓶中鼓起，观察现象。

实验序号二：(尝试用电火花引燃代替蜡烛引燃)

在220V的电压下，在电火花引燃器两根导线中连接两根细铜丝，两细铜丝末端上放置一小块用酒精浸湿的棉花，当打开电源，两根细铜丝承受不了过重的负荷，瞬间烧断并放出电火花。

实验序号三：（用酒精棉球引燃代替蜡烛引燃）（装置图如图b）

①面粉干燥处理：由于面粉受潮，鼓起效果不如实验一，将面粉置于烘箱中烘干，温度100oC,时长60min。

②改用容积较实验一更大的大塑料瓶，重新安装实验装置。

③将酒精棉球置于蒸发皿中并在大塑料瓶内放置一高度合适的烧杯（使火源位置达大塑料瓶瓶体的中部偏上为佳），将蒸发皿置于烧杯上。

④点燃酒精棉球，待酒精棉球燃烧很旺后，迅速盖上大塑料瓶瓶盖并同时快速松开气唧止水夹向小塑料瓶中鼓起，观察现象。

⑤爆炸发生后，立即用湿抹布将火源盖灭，防止烧坏大塑料瓶。

四、【实验过程记录】

实验序号一：

现象：面粉充分扬起，听到很小的“ 噗”的一声，塑料瓶内瞬间有一团黄色的火，但蜡烛很快熄灭，大塑料瓶瓶盖稍稍被冲开，爆炸现象不明显。多次实验，一样的装置和操作步骤，现象一般如前所述。但有一次实验，现象为发出“嘭”的一声，塑料瓶瓶盖被明显掀开，大塑料瓶口瞬间有一团黄色的火冲出，但蜡烛也同时熄灭，爆炸现象较为明显。塑料罐熔化。

相关图片：

步骤1：点燃蜡烛，待其燃烧旺后；

步骤2：将燃烧旺的蜡烛移入大塑料瓶内；

步骤3：迅速盖上大塑料盖，同时松开气唧鼓起；

步骤4：观察实验现象。

实验序号二:

多次尝试用老师提供的电火花引燃器引燃，电源接通后，细铜丝末端产生电火花，但火花不够强，没法使浸湿的棉花点燃。该改进设想没得到具体实施。

实验序号三：

现象：面粉充分扬起，发出爆鸣声，塑料瓶瓶盖被冲开，大塑料瓶口瞬间有一团黄色的火冲出，放出大量的热，爆炸后大塑料瓶内火很旺（需用湿抹布盖灭）爆炸现象较为明显。

相关图片：

步骤1:点燃酒精棉球；

步骤2：迅速盖上大塑料盖，松开气唧鼓起； 百度文库 - 让每个人平等地提升自我！

4 步骤3:观察实验现象。

步骤4：用湿抹布盖灭火源。

五、【相关问题探讨】

1、实验一中使用烧旺的蜡烛为何容易熄灭？

分析:使用气唧一次鼓起，面粉一次扬起量很充分，扬起的粉尘易使烛火熄灭，导致实验失败。同时，实验一中所使用的大塑料瓶容积还不够实验三中的大，瓶内空气少，易造成蜡烛燃烧不充分甚至熄灭。

解决措施：

①在蜡烛旁边放入过氧化钠，保证蜡烛的持续燃烧。

②改用更大容积的塑料瓶。

③采用实验三的改进方法，用酒精棉球引燃代替蜡烛引燃。

2、实验一中的实验现象（面粉充分扬起，听到很小的“ 噗”的一声，塑料瓶内瞬间有一团黄色的火，但蜡烛很快熄灭，大塑料瓶瓶盖稍稍被冲开，爆炸现象不明显。）产生的原因在于发生了爆炸但蜡烛熄灭燃烧不完全而使现象不明显，还是在于面粉充分扬起发出声音并将大塑料瓶稍稍冲开？

分析：对此，我们小组进行了对比实验，我们采用蜡烛不引燃而只向装置内鼓起使面粉充分扬起的操作，观察到的现象仅仅是面粉在瓶内扬起，没有发出声音并且大塑料瓶盖没有被稍稍冲开，由此对比实验可知，实验一发生了爆炸，只是蜡烛很快被熄灭面粉燃烧不完全而使现象不明显。

3、实验一中的较为明显的爆炸现象说明了什么问题？（发出“嘭”的一声，塑料瓶瓶盖被明显掀开，大塑料瓶口瞬间有一团黄色的火冲出，但蜡烛也同时熄灭，爆炸现象较为明显。塑料罐熔化。）

分析:多次实验只有一次现象较为明显，说明该实验装置有其不合理之处，实验成功率低，同时，从塑料罐熔化说明该塑料罐容积不够大，燃烧产生的热量很快使塑料罐损坏，蜡烛燃烧不充分而很快熄灭。

4、评价实验三。

优点：

1) 利用小药瓶在底部均匀扎孔，可以使面粉均匀雾化.

2) 装置简单,材料易得,具有实用性, 普及性,趣味性.

3) 实验现象更为明显,不仅能观察到爆炸现象,还能让学生更清楚地观察到粉尘的燃烧现象,增强感性认识.

4) 操作简单,安全可靠,便于学生参与.

5) 大大提高实验的成功率.

缺点：

用酒精棉球引燃，火焰很旺，不是很符合粉尘爆炸实验原理---当一旦有火焰或火星存在时，即可能引起爆炸。同时，燃烧产生大量热量是塑料罐易变型，实验重复操作性差。

5、实验结果。

本实验没有完成实验设想的所有改进，但对火源的选用、面粉的处理、容器的材料和大小都有相应的改进。

1) 火源的选用：实验效果表明，选用酒精棉球引燃更易观察到粉尘爆炸现象，该改进方法可行，而蜡烛引燃难操作、成功率低。

2) 面粉的处理：