翟志勇 张曹阳 徐彧苗

一、研究背景

火药是值得骄傲的四大发明之一[1]。民间流传的“一硝二磺三木炭”就是火药的简易配方[2]。由于受到传统文化的影响，在民间红白喜事以及大的庆典活动中，都会使用烟花爆竹增加活动气氛。依据课本知识[1]，明确学生在学习中的主体地位，关注学生已有经验、兴趣爱好、个性特长等发展特点[3]，为学有所长的学生特别定制小课题。运用正交试验法[4]研究传统“火药”各成分的最佳配比，主要目的就是要培养学生在一个真实问题的情境下，运用所学课堂知识和技能分析和解决实际问题[5]的能力。初步学会收集各种证据，对问题提出可能假设，初步建立解决实际问题的思维框架[6]。同时关注学生学习过程，帮助学生在学习过程中体验、感悟、建构并丰富已有的学习经验[3]。本实验由于具有一定危险性，因此只有在充分做好实验安全准备的前提下，才能大胆探索、小心求证。本文经过近半年的实践探索，初步取得了实验预期效果。

二、实验过程

1.有关概念的界定

本文中研究的“火药”主要是指目前市场上能够买到的能够发出“单一响声”的那种最普通爆竹。(注：不是爆竹中“双响”和“单鞭”。也不是所谓“烟花”)。

文中正交试验法[4]是解决多因子试验的一种有效方法。即多个因子、每个因子又有多个不同水平(不同状态)交织在一起影响实验结果。在初步了解、判断“火药”成分的基础上，运用正交试验原理探究“火药”最佳配比。“火药”燃烧时发生的主要化学反应是[2]：2KNO3+3C+S→N2↑+3CO2↑+K2S(固)+169千卡。

学生主体作用(地位)主要体现在以下几个方面：一是主动提出一个与所学知识相关的问题；二是带着问题，在教师指导下，自主设计实验方案，并开展卓有成效的实验探究活动；三是实验结果不仅收获了重要的感悟——“安全第一”的思想，而且也培养了运用正交试验法解决具体问题的能力。

图1 学生实验演示图

2.主要仪器和药品

燃烧匙、酒精灯、电子打火器、试管(25×180，1.5×15.5)、橡皮塞(Φ=20～25)、铁架台、铁夹、防护屏、HCl(1:4)、NaOH(5%)、KSCN(0.1%)、品红溶液(1%)。

3.“火药”化学成分初探

首先取一个3～5厘米鞭炮，拆开取其火药部分，进行观察，然后用燃烧匙取少量在酒精灯上加热并点燃。发现：其中“火药”燃烧速度极快，并产生耀眼白光。初步判断，“火药”里面可能含有镁粉或铝粉。接着，再取少量样品加入适量1:4稀盐酸，发现反应中有气泡产生。待反应停止后，进行过滤，将澄清的滤液分在2支试管中。在其中一支试管中加入5% NaOH溶液，发现溶液颜色出现少量的淡黄色沉淀(白色+黄色)，继续滴加NaOH至过量，沉淀不溶解。说明白色沉淀是Mg(OH)2而不是Al(OH)3，黄色沉淀可能是Fe(OH)3。接着向另一支试管中滴入1滴0.1 mol/L KSCN溶液，溶液颜色立即出现血红色，说明滤液中含有Fe3+。上述实验初步可以判断“火药”中含有镁粉和铁粉。另外“火药”燃烧后的产物加入品红溶液后褪色，褪色后再加热溶液又能出现品红颜色，说明“火药”中确实含有S元素(如图2所示)。

图2 “火药”燃烧后产物加入品红溶液后褪色(左)与品红(右)对比实验

4.运用正交试验法探究“火药”最佳配方

(1)设计实验方案

影响“火药”爆炸威力的主要因素除了“一硝二磺三木炭”外，还有金属镁粉、铁粉。首先将硝酸钾、硫磺、木炭按照质量比5:1:1进行搭配，确定为1个因素，加上镁粉、铁粉一共取3个因素、2个水平。根据正交试验法选取3因素2水平正交试验表，即L4(23)安排实验 (见表1)。

表1 L4(23)实验安排表(单位：克)

(2)确定实验效果的评价表

火药配比实验效果评价标准(见表2)。

表2 火药配比实验效果评价标准

(3)操作要点

第一，药品用量从目前各组实验配方中再次减量至配方剂量的1/3，如：第一组实验，实际用量仅为0.3克(下同)。第二，如何点燃“火药”？使用电子打火器，手柄离火焰比较长，长度大于30 cm。避免直接使用火柴或打火机点燃酒精灯。第三，实验操作者需要带上护目眼镜、手套，实验者需要穿上实验服，实验操作台上需要增加防护屏保护装置，确保实验者人身安全。实验装置如图3、图4所示。

图3 电子打火器

图4 实验装置图

(4)初步结论

从表1得到的实验数据进行比较分析，初步得到“火药”配方的最佳配方。即：在“火药”配方中，除了“一硝二磺三木炭”之外，铁粉比镁粉对火药配方的影响更大。“火药”中配方最佳配比为Fe:Mg:(KNO3+C+S)的质量比为0.1:0.2:0.7。

按照以上最佳配比进行3次实验验证。发现实验的效果与普通爆竹相比，声响的威力更大。说明实验结论正确。

三、补充说明与建议

本实验在教材中的地位是这样描述的：“硫在自然界中分布很广，硫和硫的化合物在生产、生活中有着广泛的应用。”[5]从黑火药到酸雨，黑火药只是作为理解硫的化学性质的一个重要引证。教材的重点是要突出硫和硫的化合物之间的相互转换关系，了解酸雨的形成、危害与防治。本实验的探究在教材中并没有提及。但以之创设真实的问题情境还是可以的。真实、具体的问题情境是学生化学学科核心素养形成和发展的重要平台，也为学生化学学科核心素养培养提供了真实的表现机会[7]。实验本身及过程固然非常危险，稍不留神就会有意外事故发生。但始终把实验安全放在首位，整个实验过程可以做到安全、可控、有效，给每一位实验者都留下了刻骨铭心的印象。这个实验再次证明了“知识应该从实验中来，实验是最好的教师，空谈和舌辩都无济于事”。

学生在这次实验中及实验后，做了深刻的反思，收获了重要感悟—“实验安全第一”的思想，并提出了以下实验建议。

(1)此次实验原本想用DIS压力探头，但是必须全部密闭才能测压，而“火药”燃烧会瞬间放出大量气体，非常危险，可能试管会当场炸裂，导致玻璃飞溅，引发安全隐患。考虑到安全第一，最终选用了以观察橡皮塞飞出的远近观测单位时间内产生的压力，还是比较合理的。

(2)根据实验的情况和性质进行必要的防护是必要的。如穿好实验服，戴好橡胶手套、护目镜等。

(3)遵循化学药品的性质和化学反应的规律，既不盲目乐观蛮干，又不能过分主观臆测化学反应的过程。不可图省事而省去必要的安全措施。

(4)做好实验后的处理工作。特别是用过的试剂、废液、废弃物不能随意丢弃，要按照环保要求进行必要处理。