氣爆的探究
原始設計者：彰師大
在養樂多空罐中置入部份可燃性氣體(例如酒精、乙醚、汽油、氫氣) ，罐中仍保留部分氧氣與可燃性氣體混合。取8號橡皮塞鑽孔後裝在電子點火槍(或瓦斯點火槍)的槍管前頭 (恰可塞緊養樂多罐口形成密閉空間) (如圖一)，然後藉著點火槍的火花引爆這些氣體，來探究氣爆的相關特性。
- 實驗材料：
- 電子點火槍
- 8號橡皮塞
- 橡皮塞鑽孔器
- 雙氧水3%
- 二氧化錳
- 養樂多空罐
- 20ml針筒
- 瓦斯點火槍
- 棉花棒
- 噴霧瓶
- 鎂帶
- 捲尺
- 燒杯
- 打火機
- 水盆
- 捲尺
- 酒精
- 乙醚
- 汽油
- 醋
- 細橡膠管
現象說明
酒精是易燃的液體，揮發性也佳。液體酒精容易點燃，但燃燒只限於接觸空氣的表面。然而，揮發成氣體的酒精，若與空氣混合，微量的火花就足於引發劇烈爆炸。汽油、乙醚、丙酮也都有類似性質，只是存在某些差異性。酒精可和水均勻混合，故燃燒中的酒精可用水潑滅，但是汽油則不行。氫氣更是極度易燃，使用氫氣更要小心，時時刻刻都要遠離火花或明火。
探究問題
- 2.1思考酒精為何能燃燒？從酒精分子式推論它的燃燒產物可能是甚麼？
- 2.2衛生紙燃燒，衛生紙沾95%酒精燃燒，衛生紙沾50%酒精燃燒，解釋三種現象為何不同？
- 2.3酒精、汽油、乙醚在養樂多罐中所引起的爆炸有何不同？
- 2.4在養樂多罐中添加酒精，你能想出幾種不同的添加方法？這些方法有何優劣？
- 2.5哪些變因可能會影響酒精槍射擊的距離？
- 2.6乙醚爆炸較不容易成功，能否設計出簡易的方法，解決此一問題？
- 2.7氫氣槍灌注進去的氫氧比率，對射擊距離有何影響？原因為何？
實作項目
- 3.1水盆中裝入約深1公分的自來水，易開罐裝滿水倒立在水盆中，易開罐上端凹槽注入半滿酒精，以瓦斯點火槍點燃。討論燃燒產物為何。
- 3.1.1記錄觀測結果
- 3.1.2由酒精分子式，推論燃燒產物。
- 3.2摺衛生紙一張成長條形，以長鐵夾夾住此衛生紙一端，置於水盆上方，小心以瓦斯點火槍點燃，觀察燃燒現象。在燒杯中裝少量酒精。摺衛生紙一張成長條形，以長鐵夾夾住此衛生紙一端，沾滿95%酒精，置於水盆上方，小心以瓦斯點火槍點燃，觀察燃燒現象。改沾50%酒精重燒一次，觀察燃燒現象。
- 3.2.1記錄觀測結果。
- 3.2.2分析討論實驗結果，解釋其原因。
- 3.3取8號橡皮塞鑽孔後裝在電子點火槍(或瓦斯點火槍)的槍管前頭 (恰可塞緊養樂多罐口形成密閉空間) (如圖一)，在養樂多空罐中置入部份可燃性液體或氣體(液體再揮發成氣體)，這些可燃性氣體(例如酒精、乙醚、汽油、氫氣等)，罐中仍保留部分氧氣與可燃性氣體混合，然後藉著點火槍的火花引爆這些氣體。 附註:將鎂帶2公分，置入20ml針筒中，再吸取全滿的醋，排水法收集氫氣。
- 3.3.1尋找影響酒精槍爆炸威力(射擊距離)的變因。
- 3.3.2尋找養樂多空罐添加酒精的方法。
- 3.3.3觀測酒精、乙醚、汽油、氫氣在養樂多空罐中爆炸的差異性(聲音大小、射擊距離等)。
- 3.4乙醚在上述爆炸實驗中常會失敗，嘗試找出其原因。
- 3.4.1收集乙醚的相關資訊並討論思考，提出假設。
- 3.4.2自行設計變化操作模式，進行乙醚爆炸實驗，從觀察中思考問題，反覆探究。
- 3.4.3找出乙醚爆炸實驗穩定的操作條件。
- 3.5嘗試氫氣和氧氣不同比例的混合，找出最大爆炸威力。
- 3.5.1測量針筒容積(ml) ，測量養樂多空罐容積(ml) ，算出下表各種比例下的氫氧體積。先以空氣對養樂多空罐練習裝填。(利用細橡皮導管導引氣體)
- 3.5.2以相同規格針筒分別製造氫氣與氧氣，氫氣製造如3.3所述，但醋只吸取至所需體積，氧氣製造則在針筒中置入少量二氧化錳(約黃豆大小)，再吸取3%雙氧水至所需體積。
- 3.5.3以排水法將所需要的氫或氧打入養樂多罐中混合，進行爆炸實驗。測量距離。
| 氫 : 氧 體積比 | 第一次 射擊距離 (公分) | 第二次 射擊距離 (公分) | 第三次 射擊距離 (公分) | 第四次 射擊距離 (公分) | 第五次 射擊距離 (公分) |
| 1 : 3 | |||||
| 1 : 2 | |||||
| 1 : 1 | |||||
| 2 : 1 | |||||
| 3 : 1 |
分析與結論
- 4.1 能應用以前所具備的能力，對觀察到的現象做出合理的推論，分析出相關性，結論出可能的定性關係。
- 4.2 能進一步從觀察記錄中，產生問題，並設計實驗，以驗證新發現的問題。
- 4.3 能從所記錄資料，進行定量實驗的設計，從表中的定量數據，歸納出實驗結果。
教學目標與評量
- 5.1 能實際操作、記錄數據。
- 5.2 能分析數據表所呈現的結果 。
- 5.3讓學生學習科學素養，即探究現象、提出假說、實驗證明假說，最後精緻化結果。
- 5.4利用同性質的實驗，歸納出有意義的結論，將所得結論應用在實驗操作中。此外也讓學生能應用自己已具備的科學知識，解釋實驗觀測現象。
參考資料
[1] http://www.mathesongas.com/pdfs/products/Lower-(LEL)-&-Upper-(UEL)-Explosive-Limits-.pdf
[2] 日本札幌建築物「整棟被被炸毀」，止汗劑、髮膠、殺蟲劑都可能造成「噴霧爆炸」. 關鍵評論網. 2018-12-18 [2019-08-24] （中文）.
[3] 江志雄. 打火機曬到漏氣 駕駛點菸炸穿車頂. 自由時報. 2017-06-25 [2019-08-24] （中文（繁體））.
[4] sciexplore2016.colife.org.tw/Upload/Explosion氫氣爆炸極限2016 全國科學探究競賽 這樣教我就懂
[5] 魏國金. 美26年來最慘礦災 美礦場氣爆25死. 自由時報. 2010-04-07 [2019-08-24] （中文）.
[6] Mexico pipeline blast kills 66 and injures dozens more. BBC News. 19 January 2019 [19 January 2019].
