對(duì)蠟燭燃燒現(xiàn)象的探究

黃婷楊+晶晶+魏銳

1為什么會(huì)形成火焰

化學(xué)課上，大多數(shù)學(xué)生都被“火是什么”、“火是不是物質(zhì)”等問(wèn)題所困擾。在通常的教學(xué)中我們不討論火的本質(zhì)，但是當(dāng)給學(xué)生略加解釋時(shí)，他們會(huì)露出釋疑的喜悅。

化學(xué)反應(yīng)伴隨有能量的轉(zhuǎn)化，物質(zhì)燃燒時(shí)釋放的能量以光和熱的形式釋放出來(lái)。釋放的能量使待反應(yīng)的反應(yīng)物熔化、氣化、撕裂成分子片斷或孤立的原子，它們才是反應(yīng)歷程中每一步反應(yīng)的真正反應(yīng)物。這些微粒彌散在空氣中發(fā)生化學(xué)反應(yīng)并釋放出光子，形成無(wú)數(shù)個(gè)小小的“光點(diǎn)”，這些小光點(diǎn)匯聚在一起就是火焰。若可燃物為氣態(tài)（例如氫氣）、可燃物氣化或者在反應(yīng)過(guò)程中有可燃的氣態(tài)中間產(chǎn)物生成（如蠟燭、木柴等），燃燒時(shí)就會(huì)形成火焰。

而那些由于反應(yīng)物熔點(diǎn)較高無(wú)法氣化的反應(yīng)，或者反應(yīng)過(guò)程中沒(méi)有大量氣態(tài)可燃物生成的反應(yīng)，只能表現(xiàn)為發(fā)光，而不能形成火焰。例如，碳的沸點(diǎn)非常高，因此木炭在空氣中燃燒的現(xiàn)象為紅熱，在氧氣中燃燒的現(xiàn)象則表現(xiàn)為發(fā)出明亮的光。這些現(xiàn)象都是發(fā)光，而非火焰。對(duì)于碳化不完全的木炭，其中除了含有C元素外還含有H、O等元素，燃燒過(guò)程中可以產(chǎn)生氣態(tài)的中間產(chǎn)物，因此可形成微弱的火焰。且鐵絲在燃燒過(guò)程中，固體小顆粒飛濺出去便形成火星四射的現(xiàn)象，且鎂的熔點(diǎn)比鐵低很多，在燃燒過(guò)程中可以部分氣化，所以燃燒現(xiàn)象除了發(fā)光之外，還可以看到隱約飄忽的火焰。

2火焰為何呈拉長(zhǎng)的水滴形

每個(gè)人都能夠輕松地用筆在紙上畫出蠟燭火焰的形狀，但是有多少人問(wèn)過(guò)自己，“為什么蠟燭的火焰呈拉長(zhǎng)的水滴形？”“為什么不論正立還是橫放蠟燭，蠟燭的火焰總是向上？”如果提出這些問(wèn)題，我們能夠輕松給出答案嗎？關(guān)于火焰的形狀，是由于在重力作用下，熱的空氣輕（密度?。猩细〉内厔?shì)；冷的空氣重（密度大），有下沉的趨勢(shì)；冷熱空氣流動(dòng)，形成對(duì)流。如圖1所示，蠟燭燃燒產(chǎn)生的高溫氣體，以及火焰周圍被加熱的空氣，都會(huì)向上流動(dòng)；同時(shí)周圍的冷空氣補(bǔ)充進(jìn)來(lái)，就形成了對(duì)流。正是對(duì)流使火焰總是向上，而且把蠟燭的火焰拉長(zhǎng)了。

圖1對(duì)流對(duì)火焰形狀的影響在燃燒過(guò)程中，對(duì)流還起到一個(gè)至關(guān)重要的作用，就是不斷地補(bǔ)充反應(yīng)物——氧氣，并通過(guò)氣體流動(dòng)使氧氣與燃料快速、充分地混合，使燃燒更劇烈。我們知道，在地球引力的作用下，物體都有下降以獲得更低的勢(shì)能的趨勢(shì)，這樣重的物體（密度大）就“搶占”了低的空間，輕的物體（密度?。﹦t“被迫”上升，從而形成對(duì)流。

對(duì)流是一個(gè)與我們的生活息息相關(guān)又很容易被忽視的規(guī)律，這種規(guī)律的應(yīng)用也非常普遍。例如，走馬燈在宋代就已經(jīng)出現(xiàn)了。如圖2所示，在一個(gè)方形或圓柱形的紙燈籠中，插一根鐵絲做立軸，軸上方裝一個(gè)葉輪，在軸的中央裝兩根交叉細(xì)鐵絲，在鐵絲每一端粘上人、馬之類的剪紙。當(dāng)燈籠內(nèi)燈燭點(diǎn)燃后，熱氣上升，形成氣流，從而推動(dòng)葉輪旋轉(zhuǎn)，于是剪紙隨輪軸轉(zhuǎn)動(dòng)。它們的影子投射到燈籠紙罩上。從外面看，便出現(xiàn)“車馳馬驟、團(tuán)團(tuán)不休”的繁華情景了。

圖2走馬燈示意圖實(shí)驗(yàn)卡片1旋轉(zhuǎn)的紙杯走馬燈

（1）取一個(gè)紙杯，在靠近杯底1 cm的地方，剪出一個(gè)寬2.5 cm、高10 cm的長(zhǎng)方形扇葉，共剪4個(gè)等距離分布的這樣的洞。在杯底中央處用針穿上線，使杯身能夠用線拉起。

（2）在桌面上立一支點(diǎn)燃的蠟燭，提起棉線并使杯口朝下，垂直放在燭火上方，如圖3所示。當(dāng)熱空氣向上流動(dòng)，流經(jīng)扇葉片出口時(shí)，就能使紙杯轉(zhuǎn)動(dòng)。

圖3自制紙杯走馬燈同理，熱氣球、孔明燈能夠被放飛升空也借助了對(duì)流的原理。一般的孔明燈是用很細(xì)的竹條做成圓桶形，外面以薄白紙包圍且開口朝下。在底部的支架中間綁上一塊沾有煤油或花生油的粗布，將油布點(diǎn)燃，燈內(nèi)的油布燃燒一陣后產(chǎn)生熱空氣，孔明燈便膨脹，放手后整個(gè)燈會(huì)冉冉升空。

熱氣球或孔明燈能夠形象地說(shuō)明熱的空氣變輕了，可以上升?？梢院?jiǎn)便地演示這個(gè)實(shí)驗(yàn)嗎？借助溯因思維，若使孔明燈更容易升空，需要使制作材料更輕，越輕越有利。那么，借助放大思維，我們周圍有哪些材料又輕又便于獲取呢？可能比較容易想到塑料袋。哪種塑料袋最輕？經(jīng)常在冰箱里用的薄膜保鮮袋就是一個(gè)很好的實(shí)驗(yàn)材料。

實(shí)驗(yàn)卡片2模擬孔明燈

（1）取一個(gè)冰箱用的保鮮袋，兩只手各捏住袋子的袋口兩邊，罩在火焰上方。注意不要讓火焰燒到保鮮袋。

（2）很快看到保鮮袋鼓了起來(lái)，松開手，可以看到保鮮袋上升。

通過(guò)上述實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步體驗(yàn)了對(duì)流的存在。在生活中，暖氣片都裝在較低的位置，因?yàn)槠洚a(chǎn)生的熱空氣上升，熱交換更迅速；空調(diào)都裝在較高的位置，因?yàn)槔淇諝庀陆担@樣熱交換更迅速。同樣，水的對(duì)流也是如此，燒水做飯的熱源總是從炊具的下面加熱，這樣可以使熱交換更迅速；當(dāng)冷熱水的位置反過(guò)來(lái)，即熱水在上、冷水在下時(shí)，因?yàn)閷?duì)流相對(duì)較弱，熱交換的效率就低很多，“開水養(yǎng)魚”的實(shí)驗(yàn)?zāi)g(shù)利用的就是這個(gè)原理。

實(shí)驗(yàn)卡片3高低溫液體的相對(duì)位置對(duì)對(duì)流的影響

（1）向一大燒杯熱水中滴入幾滴紅墨水，攪拌得到紅色的熱水。取4只集氣瓶，2只裝滿紅色的熱水，2只裝滿無(wú)色、常溫的水。

（2）在紅色熱水集氣瓶上蓋1張硬紙片，壓緊硬紙片，翻轉(zhuǎn)瓶身置于冷水瓶上，使瓶口相對(duì)。

（3）慢慢抽出硬紙片，可以看到紅色水并沒(méi)有往下流，跟下方的無(wú)色冷水明顯地分開。

（4）重復(fù)上述步驟，但是將紅色熱水瓶置于無(wú)色冷水瓶的下面，紅色熱水很快就跟無(wú)色冷水混合在一起了。

實(shí)驗(yàn)卡片4“開水養(yǎng)魚”的實(shí)驗(yàn)?zāi)g(shù)

把一條小魚放在盛有水的圓底燒瓶中，加熱上部，過(guò)一會(huì)看到水沸騰了，但是小魚卻安然無(wú)恙。（注：鑒于動(dòng)物保護(hù)組織越來(lái)越強(qiáng)調(diào)動(dòng)物倫理，建議不要在課堂上演示類似涉及動(dòng)物的實(shí)驗(yàn)。）

圖4“開水養(yǎng)魚”魔術(shù)裝置我們把話題再回到對(duì)流對(duì)蠟燭燃燒的影響上，對(duì)流不僅把火焰拉成長(zhǎng)水滴形，而且因?yàn)閷?duì)流，補(bǔ)充進(jìn)來(lái)的冷空氣冷卻了燭身頂部的外圍，形成杯子的形狀，蠟油就儲(chǔ)存在這個(gè)“燭杯”里，不輕易流下來(lái)，使其能夠源源不斷地沿著燭芯向上輸送并燃燒。

3學(xué)生對(duì)“燭杯”成因的有趣解釋

對(duì)于形成燭杯的現(xiàn)象，一位學(xué)生卻給出這樣的解釋：把火焰看做一個(gè)點(diǎn)，燃燒產(chǎn)生的熱由該“熱點(diǎn)”向外輻射。距“熱點(diǎn)”距離相等處（以該點(diǎn)為中心的圓弧上）溫度相同，距離越遠(yuǎn)，溫度越低，于是把蠟熔化成杯形（如圖5所示）。

圖5學(xué)生關(guān)于燭杯形成的“熱點(diǎn)”模型從學(xué)生提出的這個(gè)猜想中，可以看出學(xué)生的抽象與類比遷移能力。這一解釋中有兩條重要的假設(shè)：其一，把火焰抽象成一個(gè)點(diǎn)，類似于物理中的質(zhì)點(diǎn)模型，學(xué)生在物理課中剛剛學(xué)過(guò)就類比遷移到對(duì)這一現(xiàn)象的解釋中來(lái)。當(dāng)然，學(xué)生具有對(duì)事物進(jìn)行抽象思維的能力，即使學(xué)生沒(méi)有學(xué)過(guò)質(zhì)點(diǎn)模型，在處理兩個(gè)事物（火焰和蠟燭）之間的關(guān)系時(shí)，也可能會(huì)忽略火焰的形狀、顏色、分層結(jié)構(gòu)等“次要因素”，抽象出其中的“熱點(diǎn)”這一“主要因素”，繼而進(jìn)行演繹推理。我們目前還沒(méi)有證據(jù)說(shuō)明直接進(jìn)行抽象思維以及借助類比進(jìn)行推理兩種思維方式哪種可能性更大，但學(xué)生的認(rèn)識(shí)基于直接經(jīng)驗(yàn)同時(shí)又比直接經(jīng)驗(yàn)抽象的特點(diǎn)在人類的思維過(guò)程中同樣具有普遍性。其二，熱傳遞等距處溫度相同。在大學(xué)化工課程中才會(huì)對(duì)傳熱問(wèn)題進(jìn)行定量討論，盡管在以往的科學(xué)課中學(xué)生沒(méi)有學(xué)習(xí)過(guò)這一規(guī)律，但學(xué)生憑借生活經(jīng)驗(yàn)形成了這種樸素的科學(xué)觀念。

對(duì)于“加熱使火焰下方呈現(xiàn)杯形”的猜想可以采用追問(wèn)的方式反駁：在物理學(xué)中，將物體抽象成質(zhì)點(diǎn)的前提是物體在研究體系中的相對(duì)大小很小，或者其大小和形狀對(duì)于要研究的問(wèn)題（如物體的運(yùn)動(dòng)）的影響可不考慮。那么，對(duì)于蠟燭火焰，是否可以將其看成熱點(diǎn)呢？進(jìn)行這種抽象的前提條件是什么呢？與蠟燭的直徑相比，火焰的大小和形狀是否可以忽略？如果火焰的大小并不能忽略不計(jì)，也就是說(shuō)不可抽象為熱點(diǎn)，那么是什么導(dǎo)致杯形的形成呢？由此，對(duì)流冷卻而形成“燭杯”的假設(shè)合理性更強(qiáng)。

“燭杯”成因的對(duì)流解釋和“熱點(diǎn)”解釋的爭(zhēng)論，可用非對(duì)流存在下（蠟燭失重燃燒）是否仍形成杯形作為依據(jù)。

4火焰的溫度有多高

在中學(xué)化學(xué)教學(xué)中，常用一根火柴梗橫置于火焰中，通過(guò)不同位置的碳化程度定性地判斷火焰不同位置的溫度；法拉第則通過(guò)加熱紙片得到的碳化環(huán)予以說(shuō)明。前者只能說(shuō)明一條線上溫度的差異，而后者則可說(shuō)明一個(gè)切面上不同部位的溫度差異。紙片實(shí)驗(yàn)與火柴梗實(shí)驗(yàn)相比，更加鮮活和形象化。

實(shí)驗(yàn)卡片5火焰溫度的布局

我們知道，在火焰中心部分有燭芯，有這種可燃性的氣體，它的外圍則是蠟燭燃燒時(shí)必不可少的空氣，而在火焰中心與外圍之間，卻發(fā)生著劇烈的化學(xué)作用。外圍的空氣和內(nèi)部的可燃性氣體，彼此影響，相互反應(yīng)，并在內(nèi)部氣體不斷遭到破壞的同時(shí)，發(fā)出了熱和光。

如果我們檢查一下，蠟燭的熱力到底在什么地方，就會(huì)發(fā)現(xiàn)它的部署非常奇妙。比方說(shuō)，取一張紙湊到燭火上烤，蠟燭的熱力表現(xiàn)在哪兒呢？實(shí)驗(yàn)顯示，它不在中心部分，而是成為一個(gè)環(huán)形（如圖6所示），剛巧在前面所談的發(fā)生化學(xué)作用的地方。倘若沒(méi)有過(guò)于嚴(yán)重的干擾，即使實(shí)驗(yàn)做得很不正規(guī)，紙上的火痕也都將是環(huán)形的。

圖6紙被加熱

形成環(huán)形火痕紙片與火焰接觸的一面會(huì)被熏黑，因此應(yīng)在紙的另一面觀察燒焦的環(huán)形。用紙片得到環(huán)形火痕，比火柴梗能更直觀地展現(xiàn)火焰的高溫區(qū)域。但該實(shí)驗(yàn)方法的不足在于將紙壓在火焰上時(shí)，火焰鋪開，實(shí)際環(huán)形火痕的直徑比蠟燭火焰的直徑要大。

以上實(shí)驗(yàn)定性地說(shuō)明了蠟燭不同部位火焰的溫度差異。那么，火焰不同部位的溫度到底有多高呢？

采用差分干涉法對(duì)蠟燭火焰溫度進(jìn)行測(cè)量，當(dāng)空氣中氧氣濃度為21 %時(shí)，分別在距離蠟燭頂部0 cm、1 cm和2 cm的截面處測(cè)定溫度，測(cè)量結(jié)果如圖7所示?？梢钥闯?，蠟燭火焰的最高溫度接近2000 K，且火焰溫度由中心到外圍先升高后降低，呈雙峰形狀。

1、2、3分別為距離蠟燭頂部

0cm、1 cm、2 cm的截面溫度

圖7蠟燭火焰不同位置徑向溫度分布電子散斑干涉（ESPI）、光折變?nèi)⒏缮娣ǖ绕渌姆墙佑|式方法都可以用來(lái)測(cè)量火焰的溫度，然后借助計(jì)算機(jī)程序處理，可以得到火焰的三維溫度場(chǎng)，更加直觀地呈現(xiàn)火焰溫度的變化情況。例如酒精燈火焰的三維溫度場(chǎng)如圖8所示。

圖8酒精燈火焰的三維溫度場(chǎng)上述實(shí)驗(yàn)在中學(xué)階段顯然無(wú)條件實(shí)施，而用高溫探頭探測(cè)酒精燈火焰不同部位的溫度，在中學(xué)教學(xué)中更具推廣性。該實(shí)驗(yàn)測(cè)得酒精燈火焰溫度最高的部位可達(dá)到700 ℃左右，復(fù)證了火焰從里到外溫度先升高后降低的普遍規(guī)律。該文還指出酒精燈火焰的最高溫度不是出現(xiàn)在外焰，而是出現(xiàn)在內(nèi)焰。外焰的酒精蒸氣受外界空氣影響較大，而且和外界空氣的能量交換劇烈，火焰的溫度受到很大的影響；焰心部位因空氣較稀薄，酒精蒸氣燃燒不充分，因此焰心的溫度也不高。內(nèi)焰酒精蒸氣穩(wěn)定，與空氣接觸適中，燃燒較充分，發(fā)出的光最明亮，因此最高溫度在內(nèi)焰出現(xiàn)。

實(shí)驗(yàn)卡片6用高溫傳感器測(cè)定酒精燈火焰的溫度（錢揚(yáng)義等，2003）

酒精燈的3層火焰常有跳動(dòng)，因此不能直接手持探頭測(cè)量3層火焰的溫度。本實(shí)驗(yàn)用如圖9所示的裝置進(jìn)行，探頭從燈芯位置開始，通過(guò)調(diào)節(jié)燈座的高度，依次測(cè)量酒精燈各部分火焰的溫度。測(cè)量的原則是：每隔50 s調(diào)整一次探頭的位置（用調(diào)節(jié)燈座的高度的方法）以測(cè)量不同部位火焰的溫度；每次調(diào)整的高度為0.5 cm（以直尺為標(biāo)度）；調(diào)整的時(shí)間為10 s，在10 s內(nèi)提前完成調(diào)整的，達(dá)到10 s后方可重新計(jì)時(shí)。

圖9用高溫探頭測(cè)定酒精燈火焰的溫度由于火焰經(jīng)常跳動(dòng)，測(cè)量火焰各部位瞬時(shí)溫度，其意義不大。本實(shí)驗(yàn)的測(cè)量結(jié)果是各個(gè)部位（每個(gè)部位采集50個(gè)數(shù)據(jù)）的平均溫度，實(shí)驗(yàn)平行地進(jìn)行3次。

圖10是3個(gè)實(shí)驗(yàn)的溫度曲線的整合圖，3條曲線比較接近。因此，3個(gè)平行實(shí)驗(yàn)得出的數(shù)據(jù)是合理的，能正確地反映酒精燈火焰的溫度變化情況。

圖10三次平行實(shí)驗(yàn)的溫度整合（1）酒精燈3層火焰溫度的大小順序?yàn)椋貉嫘?lt;外焰<內(nèi)焰，焰心和內(nèi)焰溫度較穩(wěn)定，外焰溫度不穩(wěn)定，劇烈波動(dòng)。

（2）焰心的平均溫度為432.3 ℃，內(nèi)焰的平均溫度為665.5 ℃，外焰的平均溫度為519.9 ℃。

（3）最高溫度出現(xiàn)在內(nèi)焰，酒精燈可以獲得的最高溫度為695.2 ℃（平均值）。

5火焰的顏色與亮度受什么影響

火焰由持續(xù)發(fā)光發(fā)熱的氧化還原反應(yīng)產(chǎn)生，我們看到的火焰是反應(yīng)釋放出的光子的可見(jiàn)光部分。影響火焰顏色的因素有很多，其中中間產(chǎn)物的分子光譜和固體顆粒物的熱輻射是主要原因，原子發(fā)射光譜與原子吸收光譜也有少量的影響。

在火焰中，高溫“撕碎”了氣態(tài)燃料分子，形成各種各樣的不完全的燃燒中間產(chǎn)物（主要為自由基或碳顆粒）?；鹧嬷谐渥愕哪芰渴怪虚g產(chǎn)物（主要是自由基）的電子激發(fā)，發(fā)出可見(jiàn)光。例如，甲烷燃燒過(guò)程中，其淡藍(lán)色火焰主要為自由基的光譜；又如，蠟燭火焰的淡藍(lán)色區(qū)域。

假如火焰溫度繼續(xù)升高，或者燃料組成中的含碳量增加。在有碳顆粒生成的情況下，灼熱碳顆粒的熱輻射，會(huì)發(fā)出明亮的光。從乙烷、乙烯到乙炔，由于燃料中含碳量的增加，燃燒產(chǎn)生的碳顆粒增多，產(chǎn)生的黑煙也依次變濃；火焰的顏色也由淡藍(lán)色過(guò)渡為明亮的白色。與汽油相比，柴油和煤油燃燒時(shí)生成的煙更多、火焰更亮也是這個(gè)原因。酒精噴燈的火焰亮度比酒精燈要暗，是因?yàn)榫凭珖姛羧紵龝r(shí)空氣充足且溫度高，生成的碳顆粒少。蠟燭火焰最明亮的淡黃色區(qū)域就主要是由碳顆粒的熱輻射所致。

白金受熱后是不會(huì)熔化的，如果把白金絲放在火焰里燒，它發(fā)的光更亮。

現(xiàn)在，筆者用一根管子來(lái)輸送氫氣，另外這兒還有一種名叫氧氣的物質(zhì)，氫氣得到它的幫助就可以燃燒。不過(guò)，氫氧混合物產(chǎn)生的熱量，雖然遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)燭焰所含的熱量，可它發(fā)出的光度卻很弱。

但是，假如取點(diǎn)固體物質(zhì)往氫氧混合物的火焰中一放，那它立刻變得光芒四射，閃亮通明了。例

如，拿一塊既不著火也不汽化的石灰（因?yàn)樗黄?，所以仍保持固體狀態(tài)，保持本身熱量）放進(jìn)氫氧焰里，火焰光度馬上會(huì)發(fā)生顯著的變化。

大家看，氫在氧的幫助下燃燒起來(lái)了，它的熱力極其強(qiáng)大，可它的光度還是小得可憐，這顯然不是因?yàn)闊崃坎蛔?，而是由于缺乏在燃燒中能夠保持固體狀態(tài)的微粒。如果把這塊石灰往氫氧焰里一放，它吐出的火焰亮度大增，由石灰發(fā)出的燦爛光華，可以與電燈媲美。（法拉第，1860）

若增大氧氣的濃度，燃燒更加充分，碳顆粒減少，火焰的亮度隨之減弱。例如，增大酒精噴燈的空氣進(jìn)氣量，火焰顏色會(huì)變淺。蠟燭火焰最明亮的淡黃色區(qū)域再向外延伸，亮度減弱，就是由于和氧氣混合更加充分，碳顆粒減少所致。

由此可見(jiàn)，火焰的顏色和亮度與溫度并無(wú)一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系。通常認(rèn)為，要生成碳顆粒，火焰的溫度應(yīng)高于1 300 K。若火焰溫度較低，還沒(méi)有碳顆粒生成，火焰會(huì)較暗。例如蠟燭焰心處溫度最低、亮度最小。若火焰溫度很高，加之氧氣充足，碳顆粒充分燃燒，火焰也會(huì)變暗。

將膠頭滴管的尖嘴深入蠟燭火焰的不同部位，吸取該部位的煙氣，然后襯在一張白紙上觀察滴管內(nèi)煙氣的顏色?？梢园l(fā)現(xiàn)火焰最明亮的部位吸取出的煙氣顏色最深。