可燃氣安全爆炸演示器

楊春峰

摘 要：為了演示可燃氣的化學性質、化學反應與能量的關系、燃燒與爆炸的實驗過程，筆者設計了可燃氣安全爆炸演示器。本裝置由底座、起爆臺、帶刻度塑料氣瓶、中電壓模塊、遙控器和激光器組成，采取遙控引爆和激光引爆的方式，能夠完成大多數可燃氣的安全爆炸演示實驗，具有實驗安全、可重復操作、實驗現象明顯并能觀察爆炸瞬間的優點，基本可以作為實驗裝置引入高中化學教學中。

關鍵詞：可燃氣；安全爆炸；演示器

當前在學習可燃氣化學性質、燃燒與爆炸、化學反應與能量的實驗時還沒有成型的可燃氣安全爆炸演示裝置。如果作為化學實驗儀器，需要滿足三個條件：①裝置能夠反復使用，操作穩定性高；②裝置兼容性強，能夠演示大多數可燃氣的爆炸實驗；③實驗安全，能夠一人操作，適合高中化學實驗教學。演示實驗時，操作的安全性是首要因素，同時還要考慮是否有利于觀察實驗現象。本文從安全性、重復操作性、明顯的實驗現象三個方面考慮，設計了可燃氣安全爆炸演示器。

由于不同的可燃氣爆炸極限不同， 引爆能量及燃點有差異，因此，從以下三個方面選擇演示的氣體：①爆炸極限寬；②燃燒速度快，爆炸效果明顯；③能方便收集氣體，反應物及產物無毒，無害。有三類這樣的氣體：一是以空氣中的氧氣為氧化劑的可燃氣。二是混合氣體，如氫氣與乙炔的混合氣、汽油蒸汽等。三是不需氧氣參與的反應，如氫氣與氯氣的混合氣、氯氣與甲烷的混合氣，甚至引入其他強氧化劑等。本裝置可采用遙控電火花引爆和激光引爆兩種方式，可用于引爆大多數可燃氣，適用面廣。

可燃氣安全爆炸演示器由底座、起爆臺、帶刻度塑料氣瓶、中電壓模塊、遙控器和激光器（選配）組成。底座及擋板選用有機玻璃材質。底座由擋板分隔成起爆臺和電源控制兩塊區域。底座下方設有基座，方便布線。底座左側中心設置圓臺狀的起爆臺，起爆臺與放電針整合在一起，能夠使氣瓶穩固地倒扣在起爆臺上。放電針穿過起爆臺中心，高度不小于10厘米，使電火花能位于氣瓶中心位置，起到防風的效果。定制的整體成型的內置式陶瓷放電針，具有隱藏高電壓、抗氧化、耐高溫、不易彎折的特性，能夠隨裝置反復使用。底座右側區域較小，上面是電源開關，下面用于放置電池和中電壓模塊。電線向下穿過底座從下方連接放電針。選用干電池作為電源，經過中壓模塊升壓至約1800伏，保證在放電針兩極間產生連續電火花，放電能量不小于1焦耳，適合引爆大多數可燃氣。氣瓶采用無色透明且帶有體積刻度的塑料瓶，便于收集氣體時可以用氣體流量計控制氣體體積。每個裝置配備多個不同容積的氣瓶，可分為200毫升、500毫升和廣口、細口共四種氣瓶。大號氣瓶適合爆炸極限窄的可燃氣；小號氣瓶適合爆炸極限寬的可燃氣。帶刻度的氣瓶有利于控制可燃氣與氧化性氣體的物質的量比，使混合氣恰好完全反應，放出大量的反應熱并增強實驗效果。經驗證實，氣瓶為消耗品，在要求不嚴的情況下，可以選用純水瓶代替。放電針與底座之間、中電壓模塊中所有電子元件以及其他連接處都用玻璃膠重新粘接，保證在實驗中元器件之間連接牢固。選配1瓦的袖珍激光器，光斑溫度不低于500℃，即酒精燈外焰的溫度，基本高于大多數可燃氣的燃點。激光器可用于演示光引發的爆炸反應，尤其用于氯氣與甲烷等烴類物質的取代反應。

操作實驗前，先收集可燃氣的混合氣。如果是排水集氣法，在瓶蓋上放置一塊干燥劑。演示爆炸實驗時，再臨時丟掉干燥劑。如果氣體易溶于水，可以選用排有機溶劑的方法收集可燃氣。演示實驗時，先觀察周圍環境是否適宜爆炸實驗，尤其裝置上方不能有易碎、易掉落的物品。將氣瓶倒扣在放電針上，打開電源，遠離裝置，按壓遙控器。由遙控器控制中電壓連續放電，由放電針放電產生足夠能量的電火花，引爆混合氣。本裝置采用倒扣的全透明塑料氣瓶，有利于觀察實驗現象并且觀察爆炸瞬間的實驗現象。

筆者在進行可燃氣的實驗時，意外發現，連續的電火花可以用于直接點燃可燃氣流，如甲烷氣流、氫氣流。本裝置的優點是：提供連續電火花引爆和激光引爆的方式，實現了遠程控制引爆，有利于觀察實驗現象，探索化學反應與反應熱的關系，掌握可燃氣爆炸的性質，開展安全教育。本裝置基本成型，可以作為實驗儀器引入到高中化學實驗中。

參考文獻：

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