一种研究可燃性气体爆炸极限的演示装置的制作方法

本公开涉及化学领域，具体地，涉及一种研究可燃性气体爆炸极限的演示装置。
背景技术：
：可燃性气体的爆炸会带来不可估量的危害，快速简便确定该可燃性气体的爆炸极限具有十分重要的意义，工业上研究爆炸极限的装置较为复杂，难以直观地进行演示。技术实现要素：本公开的目的是提供一种研究可燃性气体爆炸极限的演示装置，本公开的演示装置能够演示研究可燃性气体爆炸极限的过程。为了实现上述目的，本公开提供一种研究可燃性气体爆炸极限的演示装置，其特征在于，所述演示装置包括可燃性气体发生器、氧气发生器、气体混合器和燃烧器；所述可燃性气体发生器包括顶部开口且用于盛放第一反应液和第一反应固体的第一容器、密封所述第一容器顶部开口的第一密封件、由上至下穿过所述第一密封件且延伸入所述第一反应液中的第一透明管，所述第一透明管管壁上设置有体积刻度；所述氧气发生器包括顶部开口且用于盛放第二反应液和第二反应固体的第二容器、密封所述第二容器顶部开口的第二密封件、由上至下穿过所述第二密封件且延伸入所述第二反应液中的第二透明管，所述第二透明管管壁上设置有体积刻度；所述气体混合器包括顶部开口的第三容器和密封所述第三容器顶部开口的第三密封件，所述第三容器盛放有体积测量液，所述气体混合器还包括由上至下穿过所述第三密封件且延伸入所述体积测量液中的第三透明管，所述第三透明管管壁上设置有体积刻度；所述第一容器通过第一连通管与所述第三容器连通以将第一容器产生的可燃性气体通入所述第三容器中，所述第二容器通过第二连通管与所述第三容器连通以将第二容器产生的氧气通入所述第三容器中，所述第三容器通过第三连通管与所述燃烧器连通以将第三容器中的气体通入燃烧器进行燃烧；所述第一连通管上设置有用于通断所述第一连通管的第一阀门，所述第二连通管上设置有用于通断所述第二连通管的第二阀门，所述第三连通管上设置有用于通断所述第三连通管的第三阀门。可选的，所述第一透明管的下部设置有用于固定所述第一反应固体的第一固定机构；所述第二透明管的下部设置有用于固定所述第二反应固体的第二固定机构。可选的，所述第一反应液为硫酸水溶液，第一反应固体为锌片，所述第一固定机构为橡皮筋；所述第二反应液为过氧化氢水溶液，所述第二反应固体为二氧化锰颗粒，所述第二固定机构包括用于包裹二氧化锰颗粒的棉花团和用于将棉花团绑在第二透明管上的橡皮筋。可选的，所述第三连通管通过防止火焰从燃烧器进入第三容器中的气路单向阀与燃烧器相连。可选的，所述燃烧器包括沿轴向竖直设置的通气管和与通气管顶端连通的锥形管，所述锥形管的内径由下至上逐渐增加，所述通气管的底端与所述第三连通管连通。可选的，所述锥形管中设置有用于吸附液体的棉花团，所述液体中含有表面活性剂和蔗糖。可选的，所述第一容器和第二容器均为锥形瓶，所述第一密封件和第二密封件均为双孔橡皮塞，所述第一阀门、第二阀门和第三阀门均为玻璃活塞。可选的，所述第一透明管、第二透明管和第三透明管均为碱式滴定管。可选的，所述第三容器为顶部内磨口的磨口锥形瓶，所述第三密封件为下端外磨口的玻璃管，所述玻璃管的外磨口与磨口锥形瓶的内磨口相贴合，所述第三透明管由上至下穿过所述玻璃管，所述玻璃管的侧壁设置有分别连通第一连通管、第二连通管和第三连通管的三个开口。本公开提供的演示装置能够演示氢气等可燃性气体爆炸极限的研究过程，具有准确性、简便性、安全性、实用性等特点。本公开的其他特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。附图说明附图是用来提供对本公开的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本公开，但并不构成对本公开的限制。在附图中：图1是本公开演示装置一种具体实施方式的结构示意图。附图标记说明100第一反应液101第一反应固体102第一固定机构200第二反应液201第二反应固体202第二固定机构11第一容器12第一密封件13第一透明管21第二容器22第二密封件23第二透明管31第三容器32第三密封件33第三透明管41第一连通管42第二连通管43第三连通管44气路单向阀51第一阀门52第二阀门53第三阀门61通气管62锥形管具体实施方式以下结合附图对本公开的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本公开，并不用于限制本公开。如图1所示，本公开提供一种研究可燃性气体爆炸极限的演示装置，所述演示装置包括可燃性气体发生器、氧气发生器、气体混合器和燃烧器；所述可燃性气体发生器包括顶部开口且用于盛放第一反应液100和第一反应固体101的第一容器11、密封所述第一容器11顶部开口的第一密封件12、由上至下穿过所述第一密封件12且延伸入所述第一反应液100中的第一透明管13，所述第一透明管13管壁上设置有体积刻度；所述氧气发生器包括顶部开口且用于盛放第二反应液200和第二反应固体201的第二容器21、密封所述第二容器21顶部开口的第二密封件22、由上至下穿过所述第二密封件22且延伸入所述第二反应液中的第二透明管23，所述第二透明管23管壁上设置有体积刻度；所述气体混合器包括顶部开口的第三容器31和密封所述第三容器31顶部开口的第三密封件32，所述第三容器31盛放有体积测量液，所述气体混合器还包括由上至下穿过所述第三密封件32且延伸入所述体积测量液中的第三透明管33，所述第三透明管33管壁上设置有体积刻度；所述第一容器11通过第一连通管41与所述第三容器31连通以将第一容器11产生的可燃性气体通入所述第三容器31中，所述第二容器21通过第二连通管42与所述第三容器31连通以将第二容器21产生的氧气通入所述第三容器31中，所述第三容器31通过第三连通管43与所述燃烧器连通以将第三容器31中的气体通入燃烧器进行燃烧；所述第一连通管41上设置有用于通断所述第一连通管41的第一阀门51，所述第二连通管42上设置有用于通断所述第二连通管42的第二阀门52，所述第三连通管43上设置有用于通断所述第三连通管43的第三阀门53。本公开演示装置的使用方式如下：首先按照图1方式组装好装置，并在第一容器11、第二容器21和第三容器31中分别装入第一反应液100和第一反应固体101、第二反应液200和第二反应固体201、体积测量液，使第一容器11产生可燃性气体，例如氢气(锌与硫酸反应)、乙炔(电石与水反应)等，使第二容器21产生氧气，此时第一阀门51、第二阀门52和第三阀门53均处于关闭状态，由于第一反应液100和第二反应液200各自没过第一透明管13和第二透明管23下部，从而使气体压迫部分第一反应液100和第二反应液200沿第一透明管13和第二透明管23上升，此时观察第一透明管13和第二透明管23上刻度即可获知每个容器中产生气体的体积。待两个透明管中液位不再变化，接着打开第一阀门51和第二阀门52使一定体积的可燃性气体和一定体积的氧气通过第一连通管41和第二连通管42进入第三容器31中，并将第三容器31中的体积测量液向上排入第三透明管33中，观察第一透明管13、第二透明管23和第三透明管33上刻度变化即可获知进入第三容器31中气体的体积，然后关闭第一阀门51和第二阀门52，打开第三阀门53，使第三容器31中的混合气体通过第三连接管43进入燃烧器中进行燃烧，此时观察燃烧器中可燃性气体的燃烧情况，判断混合气体是否处于爆炸状态。通过多次改变可燃性气体与氧气体积比例的实验，即可确定可燃性气体在氧气中的爆炸极限。根据本公开，每次在第一容器和第二容器中加入的反应固体和反应液体可以设计好比例使二者正好反应完，且产生的气体体积不大于透明管的体积。为了提高演示的方便性，如图1所示，所述第一透明管13的下部可以设置有用于固定所述第一反应固体101的第一固定机构102；所述第二透明管23的下部可以设置有用于固定所述第二反应固体201的第二固定机构202。通过第一固定机构和第二固定机构可以将第一反应固体和第二反应固体固定在第一透明管和第二透明管的下部，从而使产生的气体将第一容器和第二容器中的第一反应液和第二反应液排至第一固定机构和第二固定机构下方时，第一反应固体和第二反应固体与第一反应液和第二反应液即发生分离，此时两个容器中的反应停止，不再产生气体，而当两个容器中的气体使用完后，两个容器中的液面上升，反应液继续与反应固体反应产生气体。一种实施方式，如图1所示，所述第一反应液100为硫酸水溶液，第一反应固体101为锌片，所述第一固定机构102为橡皮筋；所述第二反应液200为过氧化氢水溶液，所述第二反应固体201为二氧化锰颗粒，所述第二固定机构202包括用于包裹二氧化锰颗粒的棉花团和用于将棉花团绑在第二透明管23上的橡皮筋。该实施方式中的可燃性气体为氢气，通过硫酸与锌片反应生成氢气，所述硫酸水溶液优选为稀硫酸水溶液，更优选浓度在40重量％以下；通过二氧化锰颗粒作为催化剂催化过氧化氢分解为水和氧气，过氧化氢水溶液优选浓度在30重量％以下，通过棉花团将二氧化锰颗粒包裹其中，可以有效防止二氧化锰颗粒掉落至第二容器的底部。根据本公开，燃烧是持续过程，且可发生蔓延，为了防止火焰从燃烧器进入第三容器中，如图1所示，所述第三连通管43可以通过防止火焰从燃烧器进入第三容器31中的气路单向阀44与燃烧器相连，气路单向阀是本领域技术人员所熟知的，例如可以包括阀体、阀片和弹簧等，本公开不再具体赘述，气路单向阀可以使第三容器对燃烧器处于正压状态时第三容器与燃烧器连通，而一旦第三容器的气压与燃烧器相同，则气路单向阀关闭，此时火焰无法从燃烧器蔓延至第三容器中，提高了装置的安全性。根据本公开，为了加快燃烧的散热，如图1所示，所述燃烧器可以包括沿轴向竖直设置的通气管61和与通气管61顶端连通的锥形管62，所述锥形管62的内径可以由下至上逐渐增加，所述通气管61的底端可以与所述第三连通管43连通。此时燃烧器可以采用三角漏斗，在锥形管中采用带火星的木条点燃来自第三容器的混合气体即可使混合气体发生燃烧。进一步地，为了提高实验的准确性，所述锥形管62中可以设置有用于吸附液体的棉花团，所述液体中可以含有表面活性剂和蔗糖，表面活性剂可以使通向锥形管的混合气体通过棉花团时产生气泡，从而点燃气泡即可使混合气体燃烧，防止外界空气与混合气体混合影响实验准确性，表面活性剂可以来自洗洁精或肥皂等。蔗糖有助于提高溶液水分子间的氢键，提高气泡的稳定性和大小。本公开中的装置可以采用中学化学仪器进行搭建而成，一种实施方式，例如如图1所示，所述第一容器11和第二容器21均可以为锥形瓶，所述第一密封件12和第二密封件22均可以为双孔橡皮塞，所述第三密封件32可以为四孔橡胶塞，所述第一透明管13、第二透明管23和第三透明管33均可以为碱式滴定管，所述第一阀门51、第二阀门52和第三阀门53均可以为玻璃活塞，所述第一连通管、第二连通管和第三连通管均可以为导管。另一种实施方式，所述第三容器31可以为顶部内磨口的磨口锥形瓶，所述第三密封件32可以为下端外磨口的玻璃管，所述玻璃管的外磨口可以与磨口锥形瓶的内磨口相贴合，所述第三透明管33可以由上至下穿过所述玻璃管，所述玻璃管的侧壁可以设置有分别连通第一连通管41、第二连通管42和第三连通管43的三个开口。通过磨口锥形瓶和玻璃管可以提高二者的密封性，而且还可以提高第三容器中储存体积测量液的体积。下面将通过实施例来进一步说明本公开，但是本公开并不因此而受到任何限制。本公开实施例中，可燃性气体发生器的第一容器11为规格为150ml的锥形瓶，第一透明管13为规格为50ml的碱式滴定管，第一密封件12为双孔橡皮塞，第一连通管41为带玻璃活塞(第一阀门51)的导气管，第一固定机构102为橡皮套，第一反应固体101为长条锌片，第一反应液100为常温下密度为1.20g/ml稀硫酸。可燃性气体发生器具体使用方式如下：使用时双孔橡皮塞分别插入碱式滴定管和导气管，碱式滴定管的下端套上橡皮套，橡皮套下方插入用于反应的长条锌片。往锥形瓶中加入120ml稀硫酸，插入碱式滴定管并套紧双孔橡皮塞，关闭导气管的玻璃活塞。碱式滴定管下端的锌片接触稀硫酸后开始反应生成氢气，产生的氢气将反应液压入碱式滴定管。当反应液的液面下降到与锌片全部脱离后，反应停止。打开导气管玻璃活塞，碱式滴定管中液面下降将氢气排到第三容器31。本公开实施例中，氧气发生器的第二容器21为规格为150ml的锥形瓶，第二透明管23为规格为50ml的碱式滴定管，第二密封件22为双孔橡皮塞，第二连通管42为带玻璃活塞(第二阀门52)的导气管，第二固定机构202为橡皮筋和棉花团，第二反应固体201为二氧化锰颗粒，第二反应液200为常温下浓度为5重量％的过氧化氢溶液。氧气发生器的使用方法如下：使用时双孔橡皮塞分别插入碱式滴定管和导气管，碱式滴定管的下端用橡皮筋固定内部包裹有二氧化锰颗粒的棉花团。往锥形瓶中加入120ml的5重量％过氧化氢溶液，插入碱式滴定管并套紧双孔橡皮塞，关闭导气管玻璃活塞。碱式滴定管下端的二氧化锰颗粒接触过氧化氢后开始反应生成氧气，产生的氧气将反应液压入碱式滴定管。当反应液的液面下降到与棉花全部脱离后，反应停止。打开导气管玻璃活塞，碱式滴定管中液面下降将氧气排到第三容器31。本公开实施例中，气体混合器的第三容器31为规格为150ml的磨口锥形瓶(内磨口)，第三密封件32为外管，第三透明管33为碱式滴定管，燃烧器为规格为50ml的塑料三角漏斗，第三连通管43为带有玻璃活塞(第三阀门53)的导气管，使用的药品有用溶有蔗糖的洗洁精、水。其中在碱式滴定管的下端装外管，外管下口处理成标准外磨口，可与上述锥形瓶紧密磨合在一起。外管通过两个导气管连通第一容器和第二容器，通过带有玻璃活塞的导气管用于将混合气体放出进入气路单向阀生成气泡。气体混合器和燃烧器的使用方法如下：使用时锥形瓶中装满水，塑料三角漏斗下端插入气路单向阀，气路单向阀再连接带玻璃活塞的导气管。三角漏斗中滴入2ml溶有蔗糖的洗洁精。分别控制两个玻璃活塞第(一阀门51和第二阀门52)，可以将一定体积的氢气和氧气分别导入磨口锥形瓶中进行充分混合。导入的气体将磨口锥形瓶中的水压入碱式滴定管中，通过碱式滴定管上液面的上升读数可以判断导入的气体体积。打开并控制三角漏斗下方玻璃活塞，碱式滴定管中液面下降，将混合气体缓慢通过气路单向阀进入三角漏斗的洗洁精中形成含有混合气体的肥皂泡。洗洁精中可以溶解有蔗糖，使水分子间氢键明显增强，可以得到大而稳定的肥皂泡。点燃该肥皂泡，通过肥皂泡的不燃烧、安静燃烧、爆炸等现象判断爆炸极限。由于该爆炸仅限于气体肥皂泡的爆炸，并有气路单向阀阻断，爆炸产生的火焰不会被引到磨口锥形瓶中，确保安全。研究爆炸极限的实验步骤如下：1、检验气密性：按如图1将仪器装配好，关闭所有玻璃活塞。分别往三个碱式滴定管中加水，如加到一定量的水后液面均无法再下降且保持液面高度不变，说明整个装置气密性良好。2、固定锌片和二氧化锰颗粒：将三片锌片用橡皮筋固定在碱式滴定管离下管口5cm管壁上；将二氧化锰颗粒用棉花团包裹，用橡皮筋固定在另一碱式滴定管离下管口5cm管壁上，再分别加入密度为1.20g/ml的稀硫酸和5重量％过氧化氢溶液。3、检验氢气的纯度：药品加入一段时间后，实现固液分离效果，氢气、氧气生成后均收集在锥形瓶中。打开玻璃活塞(第一阀门51)，使氢气进入中间磨口锥形瓶，氢气将水压入碱式滴定管，关闭玻璃活塞(第一阀门51)。打开玻璃活塞(第三阀门53)，控制气流进入三角漏斗形成氢气肥皂泡，关闭玻璃活塞(第三阀门53)。点燃后如果出现清脆的爆鸣声，说明氢气不纯。将磨口锥形瓶中气体全部排出，再次通入氢气并排出形成肥皂泡，直至点燃时氢气的肥皂泡安静的燃烧，说明该氢气是纯净的。4、检验氧气的纯度：在检验氢气的纯度之后，打开玻璃活塞(第二阀门52)，使氧气进入磨口锥形瓶，氧气将水压入碱式滴定管，关闭玻璃活塞(第二阀门52)。打开玻璃活塞(第三阀门53)，控制气流进入形成氧气肥皂泡，关闭玻璃活塞(第三阀门53)。用带火星的木条靠近，如果出现爆鸣声，说明氧气中还混有氢气，不纯净。将磨口锥形瓶中气体全部排出，再次通入氧气并排出形成肥皂泡，直至带火星的木条可以安静的复燃，说明该氧气是纯净的。5、测定氢气在氧气中燃烧的爆炸极限：(1)测定氢气爆炸的最大体积分数：氢气体积如果远远大于氧气体积，其燃烧就如纯净氢气的燃烧，呈现安静燃烧的现象。只有当氢气体积小于一定比例时，才会发生爆炸。因此，使用二分法寻找氢气在氧气中燃烧的爆炸极限：由于50ml碱式滴定管一部分插入锥形瓶中无法读数，取可读数的氧气体积40.00ml，控制每次氧气排入磨口锥形瓶的体积为1.00ml，氢气排入磨口锥形瓶的体积从40.00ml开始试探，如果不爆炸，再降1.00ml试探(表1)。经过多次试探，发现氧气为1.00ml，氢气为37.00ml时混合气体安静的燃烧；氧气为1.00ml，氢气为36.00ml时混合气体爆炸；再减小区间，当氧气为1.00ml，氢气为36.50ml时混合气体爆炸。通过以上数据，说明氢气爆炸的最大体积分数当氧气为1.00ml，氢气体积超过为36.50ml时即氢气的体积分数为97.33％。由于氢气较轻，为了确保与氧气充分混合，在通入磨口锥形瓶时应按先通氢气、后通氧气的顺序操作(下同)。表1.探究氢气爆炸的最大体积分数氢气体积(ml)40.0039.0038.0037.0036.0036.50氧气体积(ml)1.001.001.001.001.001.00是否爆炸安静燃烧安静燃烧安静燃烧安静燃烧爆炸爆炸(2)测定氢气开始爆炸的最小体积分数：按照(1)中的方法，氢气体积固定为1.00ml，氧气体积从37.00ml起开始试探，如此时不爆炸，氧气再降1.00ml试探(表2)。经过多次试探，发现氢气为3.00ml，氧气为20.00ml时安静的燃烧，而且燃烧时火焰更旺；氢气为4.00ml，氧气为20.00ml时轻微爆炸；氢气为3.50ml，氧气为20.00ml时轻微爆炸。通过以上数据，说明氢气爆炸的最小体积分数当氢气为3.50ml，氧气体积超过为20.00ml时即氢气在氧气能够爆炸最小体积分数为14.89％。由此可得，氢气在氧气中的爆炸极限是14.89％-97.33％。表2.探究氢气爆炸的最小体积分数6探究氢气爆炸极限与温度的关系基于正常的生活条件，完全纯净的氢气和氧气的混合爆炸是不现实的，含有水蒸气、在不同的阳光暴晒导致爆炸等更常见。而阳光暴晒所带来的是气体温度的变化，因此研究温度对爆炸极限的影响更有现实意义。为了研究爆炸极限与温度的关系，将磨口锥形瓶中的常温下的水分别换成冰水和沸水，针对氢气爆炸的最高体积分数进行对照研究，最终发现，在冰水环境下，氢气爆炸的最大体积分数变为当氢气体积为35.5ml，氧气体积为1.00ml时发生轻微爆炸，即爆炸的最大氢气体积分数变为97.26％。在沸水环境下，氢气爆炸的最大体积分数变为当氢气体积为37.00ml，氧气体积为0.50ml时发生轻微爆炸，即爆炸的最大氢气体积分数变为98.67％。通过以上数据，可以得出氢气的爆炸极限与温度有关，温度越高，氢气爆炸极限范围越大，越容易爆炸。通过以上方法，可以测定氢气等可燃性气体在氧气中的爆炸极限并研究温度对爆炸极限的影响。该装置设计巧妙、操作简单、现象明显、安全环保，可以作为中学阶段学生研究可燃性气体爆炸极限的演示装置。以上结合附图详细描述了本公开的优选实施方式，但是，本公开并不限于上述实施方式中的具体细节，在本公开的技术构思范围内，可以对本公开的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本公开的保护范围。另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合，为了避免不必要的重复，本公开对各种可能的组合方式不再另行说明。此外，本公开的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本公开的思想，其同样应当视为本公开所公开的内容。当前第1页12