氣爆的探究( Inquiry of Explosion for Flammable Gases and Vapors )

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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:

  1. 電子點火槍
  2. 8號橡皮塞
  3. 橡皮塞鑽孔器
  4. 雙氧水3%
  5. 二氧化錳
  6. 養樂多空罐
  7. 20ml 針筒
  8. 瓦斯點火槍
  9. 棉花棒
  10. 噴霧瓶
  11. 鎂帶
  12. 捲尺
  13. 燒杯
  14. 打火機
  15. 水盆
  16. 捲尺
  17. 酒精
  18. 乙醚
  19. 汽油
  20. 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].