運(yùn)用正交試驗(yàn)原理探究“火藥”最佳配比的實(shí)踐探索

翟志勇 張曹陽(yáng) 徐彧苗

一、研究背景

火藥是值得驕傲的四大發(fā)明之一[1]。民間流傳的“一硝二磺三木炭”就是火藥的簡(jiǎn)易配方[2]。由于受到傳統(tǒng)文化的影響，在民間紅白喜事以及大的慶典活動(dòng)中，都會(huì)使用煙花爆竹增加活動(dòng)氣氛。依據(jù)課本知識(shí)[1]，明確學(xué)生在學(xué)習(xí)中的主體地位，關(guān)注學(xué)生已有經(jīng)驗(yàn)、興趣愛(ài)好、個(gè)性特長(zhǎng)等發(fā)展特點(diǎn)[3]，為學(xué)有所長(zhǎng)的學(xué)生特別定制小課題。運(yùn)用正交試驗(yàn)法[4]研究傳統(tǒng)“火藥”各成分的最佳配比，主要目的就是要培養(yǎng)學(xué)生在一個(gè)真實(shí)問(wèn)題的情境下，運(yùn)用所學(xué)課堂知識(shí)和技能分析和解決實(shí)際問(wèn)題[5]的能力。初步學(xué)會(huì)收集各種證據(jù)，對(duì)問(wèn)題提出可能假設(shè)，初步建立解決實(shí)際問(wèn)題的思維框架[6]。同時(shí)關(guān)注學(xué)生學(xué)習(xí)過(guò)程，幫助學(xué)生在學(xué)習(xí)過(guò)程中體驗(yàn)、感悟、建構(gòu)并豐富已有的學(xué)習(xí)經(jīng)驗(yàn)[3]。本實(shí)驗(yàn)由于具有一定危險(xiǎn)性，因此只有在充分做好實(shí)驗(yàn)安全準(zhǔn)備的前提下，才能大膽探索、小心求證。本文經(jīng)過(guò)近半年的實(shí)踐探索，初步取得了實(shí)驗(yàn)預(yù)期效果。

二、實(shí)驗(yàn)過(guò)程

1.有關(guān)概念的界定

本文中研究的“火藥”主要是指目前市場(chǎng)上能夠買到的能夠發(fā)出“單一響聲”的那種最普通爆竹。(注：不是爆竹中“雙響”和“單鞭”。也不是所謂“煙花”)。

文中正交試驗(yàn)法[4]是解決多因子試驗(yàn)的一種有效方法。即多個(gè)因子、每個(gè)因子又有多個(gè)不同水平(不同狀態(tài))交織在一起影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果。在初步了解、判斷“火藥”成分的基礎(chǔ)上，運(yùn)用正交試驗(yàn)原理探究“火藥”最佳配比?！盎鹚帯比紵龝r(shí)發(fā)生的主要化學(xué)反應(yīng)是[2]：2KNO3+3C+S→N2↑+3CO2↑+K2S(固)+169千卡。

學(xué)生主體作用(地位)主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：一是主動(dòng)提出一個(gè)與所學(xué)知識(shí)相關(guān)的問(wèn)題；二是帶著問(wèn)題，在教師指導(dǎo)下，自主設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案，并開(kāi)展卓有成效的實(shí)驗(yàn)探究活動(dòng)；三是實(shí)驗(yàn)結(jié)果不僅收獲了重要的感悟——“安全第一”的思想，而且也培養(yǎng)了運(yùn)用正交試驗(yàn)法解決具體問(wèn)題的能力。

圖1 學(xué)生實(shí)驗(yàn)演示圖

2.主要儀器和藥品

燃燒匙、酒精燈、電子打火器、試管(25×180，1.5×15.5)、橡皮塞(Φ=20～25)、鐵架臺(tái)、鐵夾、防護(hù)屏、HCl(1:4)、NaOH(5%)、KSCN(0.1%)、品紅溶液(1%)。

3.“火藥”化學(xué)成分初探

首先取一個(gè)3～5厘米鞭炮，拆開(kāi)取其火藥部分，進(jìn)行觀察，然后用燃燒匙取少量在酒精燈上加熱并點(diǎn)燃。發(fā)現(xiàn)：其中“火藥”燃燒速度極快，并產(chǎn)生耀眼白光。初步判斷，“火藥”里面可能含有鎂粉或鋁粉。接著，再取少量樣品加入適量1:4稀鹽酸，發(fā)現(xiàn)反應(yīng)中有氣泡產(chǎn)生。待反應(yīng)停止后，進(jìn)行過(guò)濾，將澄清的濾液分在2支試管中。在其中一支試管中加入5% NaOH溶液，發(fā)現(xiàn)溶液顏色出現(xiàn)少量的淡黃色沉淀(白色+黃色)，繼續(xù)滴加NaOH至過(guò)量，沉淀不溶解。說(shuō)明白色沉淀是Mg(OH)2而不是Al(OH)3，黃色沉淀可能是Fe(OH)3。接著向另一支試管中滴入1滴0.1 mol/L KSCN溶液，溶液顏色立即出現(xiàn)血紅色，說(shuō)明濾液中含有Fe3+。上述實(shí)驗(yàn)初步可以判斷“火藥”中含有鎂粉和鐵粉。另外“火藥”燃燒后的產(chǎn)物加入品紅溶液后褪色，褪色后再加熱溶液又能出現(xiàn)品紅顏色，說(shuō)明“火藥”中確實(shí)含有S元素(如圖2所示)。

圖2 “火藥”燃燒后產(chǎn)物加入品紅溶液后褪色(左)與品紅(右)對(duì)比實(shí)驗(yàn)

4.運(yùn)用正交試驗(yàn)法探究“火藥”最佳配方

(1)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案

影響“火藥”爆炸威力的主要因素除了“一硝二磺三木炭”外，還有金屬鎂粉、鐵粉。首先將硝酸鉀、硫磺、木炭按照質(zhì)量比5:1:1進(jìn)行搭配，確定為1個(gè)因素，加上鎂粉、鐵粉一共取3個(gè)因素、2個(gè)水平。根據(jù)正交試驗(yàn)法選取3因素2水平正交試驗(yàn)表，即L4(23)安排實(shí)驗(yàn) (見(jiàn)表1)。

表1 L4(23)實(shí)驗(yàn)安排表(單位：克)

(2)確定實(shí)驗(yàn)效果的評(píng)價(jià)表

火藥配比實(shí)驗(yàn)效果評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)(見(jiàn)表2)。

表2 火藥配比實(shí)驗(yàn)效果評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

(3)操作要點(diǎn)

第一，藥品用量從目前各組實(shí)驗(yàn)配方中再次減量至配方劑量的1/3，如：第一組實(shí)驗(yàn)，實(shí)際用量?jī)H為0.3克(下同)。第二，如何點(diǎn)燃“火藥”？使用電子打火器，手柄離火焰比較長(zhǎng)，長(zhǎng)度大于30 cm。避免直接使用火柴或打火機(jī)點(diǎn)燃酒精燈。第三，實(shí)驗(yàn)操作者需要帶上護(hù)目眼鏡、手套，實(shí)驗(yàn)者需要穿上實(shí)驗(yàn)服，實(shí)驗(yàn)操作臺(tái)上需要增加防護(hù)屏保護(hù)裝置，確保實(shí)驗(yàn)者人身安全。實(shí)驗(yàn)裝置如圖3、圖4所示。

圖3 電子打火器

圖4 實(shí)驗(yàn)裝置圖

(4)初步結(jié)論

從表1得到的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較分析，初步得到“火藥”配方的最佳配方。即：在“火藥”配方中，除了“一硝二磺三木炭”之外，鐵粉比鎂粉對(duì)火藥配方的影響更大?！盎鹚帯敝信浞阶罴雅浔葹镕e:Mg:(KNO3+C+S)的質(zhì)量比為0.1:0.2:0.7。

按照以上最佳配比進(jìn)行3次實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。發(fā)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)的效果與普通爆竹相比，聲響的威力更大。說(shuō)明實(shí)驗(yàn)結(jié)論正確。

三、補(bǔ)充說(shuō)明與建議

本實(shí)驗(yàn)在教材中的地位是這樣描述的：“硫在自然界中分布很廣，硫和硫的化合物在生產(chǎn)、生活中有著廣泛的應(yīng)用?！盵5]從黑火藥到酸雨，黑火藥只是作為理解硫的化學(xué)性質(zhì)的一個(gè)重要引證。教材的重點(diǎn)是要突出硫和硫的化合物之間的相互轉(zhuǎn)換關(guān)系，了解酸雨的形成、危害與防治。本實(shí)驗(yàn)的探究在教材中并沒(méi)有提及。但以之創(chuàng)設(shè)真實(shí)的問(wèn)題情境還是可以的。真實(shí)、具體的問(wèn)題情境是學(xué)生化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)形成和發(fā)展的重要平臺(tái)，也為學(xué)生化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)培養(yǎng)提供了真實(shí)的表現(xiàn)機(jī)會(huì)[7]。實(shí)驗(yàn)本身及過(guò)程固然非常危險(xiǎn)，稍不留神就會(huì)有意外事故發(fā)生。但始終把實(shí)驗(yàn)安全放在首位，整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程可以做到安全、可控、有效，給每一位實(shí)驗(yàn)者都留下了刻骨銘心的印象。這個(gè)實(shí)驗(yàn)再次證明了“知識(shí)應(yīng)該從實(shí)驗(yàn)中來(lái)，實(shí)驗(yàn)是最好的教師，空談和舌辯都無(wú)濟(jì)于事”。

學(xué)生在這次實(shí)驗(yàn)中及實(shí)驗(yàn)后，做了深刻的反思，收獲了重要感悟—“實(shí)驗(yàn)安全第一”的思想，并提出了以下實(shí)驗(yàn)建議。

(1)此次實(shí)驗(yàn)原本想用DIS壓力探頭，但是必須全部密閉才能測(cè)壓，而“火藥”燃燒會(huì)瞬間放出大量氣體，非常危險(xiǎn)，可能試管會(huì)當(dāng)場(chǎng)炸裂，導(dǎo)致玻璃飛濺，引發(fā)安全隱患?？紤]到安全第一，最終選用了以觀察橡皮塞飛出的遠(yuǎn)近觀測(cè)單位時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生的壓力，還是比較合理的。

(2)根據(jù)實(shí)驗(yàn)的情況和性質(zhì)進(jìn)行必要的防護(hù)是必要的。如穿好實(shí)驗(yàn)服，戴好橡膠手套、護(hù)目鏡等。

(3)遵循化學(xué)藥品的性質(zhì)和化學(xué)反應(yīng)的規(guī)律，既不盲目樂(lè)觀蠻干，又不能過(guò)分主觀臆測(cè)化學(xué)反應(yīng)的過(guò)程。不可圖省事而省去必要的安全措施。

(4)做好實(shí)驗(yàn)后的處理工作。特別是用過(guò)的試劑、廢液、廢棄物不能隨意丟棄，要按照環(huán)保要求進(jìn)行必要處理。