高中化學(xué)通識教育之水下燃燒之謎*

代黎娜

化學(xué)是一門以實驗為基礎(chǔ)的學(xué)科，絕大多數(shù)化學(xué)定律都是在大量實驗的基礎(chǔ)上歸納總結(jié)出來的，化學(xué)實驗對化學(xué)的發(fā)展和教學(xué)都起著極其重要的作用。在課堂上演示好化學(xué)實驗，可以極大地幫助學(xué)生掌握化學(xué)實驗的探究方法，更有助于學(xué)生深刻的理解所要研究的化學(xué)規(guī)律及本質(zhì)，從而激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)化學(xué)的濃厚興趣，轉(zhuǎn)變以往被動的知識灌輸模式，讓學(xué)生走向積極、主動的自主性學(xué)習(xí)，從而實現(xiàn)課堂的有效性、高效性。

燃燒幾乎是日常生活中的“必需品”，家里做飯燒天然氣，開車出行燒燃油，更令人驚訝的是有些物質(zhì)竟然可以在水中燃燒。下面我們將揭開水下燃燒神秘的面紗，并演示“隔空點火”實驗來激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的熱情，讓化學(xué)課堂變得更有活力、更加豐富。

一、燃燒的本質(zhì)

1.燃燒

燃燒是一種發(fā)光發(fā)熱的化學(xué)反應(yīng)，光和熱是燃燒過程中伴隨的現(xiàn)象。圖1所示為各種物質(zhì)在空氣中燃燒的現(xiàn)象。

圖1 各種物質(zhì)燃燒的現(xiàn)象

2.燃燒必備的3個條件

(1)可燃物：能與助燃物起劇烈反應(yīng)的物質(zhì)，可以是固體、液體和氣體。

(2)助燃物：能支持和幫助可燃物燃燒的物質(zhì)，可以是固體、液體和氣體。

(3)火源：能引起可燃物燃燒的熱能源都叫火源。

從燃燒的定義和燃燒的條件可以深層理解為只要可燃物與助燃物反應(yīng)產(chǎn)生發(fā)光、發(fā)熱的現(xiàn)象，都叫作燃燒，助燃物可以是氫氣、氯氣等，而不一定是氧氣。如圖2和圖3所示，硫黃在不同氣體中的燃燒現(xiàn)象。

圖2 火山口硫黃在空氣中燃燒

圖3 硫黃在氯氣中燃燒

二、水下燃燒之謎

有些物質(zhì)在水中、土中亦可以燃燒(如圖4所示)，這里面到底隱藏著什么奧秘呢？現(xiàn)在就讓我們揭開水下燃燒之謎。

圖4 燃燒棒從空氣中到水中的燃燒過程

燃燒棒是通過特定的氧化劑和還原劑混合而成，燃燒棒中的主要成分有鎂粉、鋁粉、氯酸鉀、石蠟、紅磷、金屬鈉、甘油和二氧化硅，各種成分含量見表1。

表1 燃燒棒中各種物質(zhì)所占質(zhì)量百分比

根據(jù)燃燒的3個條件可知，必須有可燃物和助燃物才能燃燒，燃燒棒在水下燃燒，難道真的沒有助燃物嗎？不，肯定有！可燃物鎂粉、石蠟、紅磷、鈉和甘油要想燃燒，必定需要助燃物，那么助燃物是什么呢？答案是：氧氣。而氧氣又是從哪里來的呢？可以通過下面的化學(xué)反應(yīng)方程式[2]觀賞。

其中，氯酸鉀制氧氣可選擇的催化劑多種多樣，此處催化劑為Al2O3，實驗中常見的催化劑見表2[2]。

表2 各種催化劑對相同質(zhì)量氯酸鉀分解反應(yīng)的影響

氯酸鉀受熱且在催化劑Al2O3的作用下，短時間內(nèi)生成大量氧氣，氧氣聚集形成氧氣泡[3](如圖5所示)，燃燒棒內(nèi)的可燃物在氧氣泡里劇烈燃燒，發(fā)出光和熱，這便是我們看到的水下燃燒之謎。

圖5 燃燒棒端口氧氣泡演變示意圖

三、燃燒實驗發(fā)散思維——“隔空點火”小實驗

在課堂演示燃燒實驗的過程中，除了廣為人知的可燃物在空氣中燃燒實驗外，可以將燃燒棒在水下的燃燒現(xiàn)象展示給學(xué)生，激發(fā)學(xué)生探究自然規(guī)律的熱情。除了常規(guī)演示實驗外，還可以利用“非常規(guī)”實驗，充分點燃學(xué)生學(xué)習(xí)的激情。

“隔空點火”演示實驗具體操作方法為：首先，將一根蠟燭點燃，待蠟燭燃燒穩(wěn)定后，將蠟燭熄滅，由于焰火熄滅而冒出一束煙霧(如圖6b所示)；然后，在煙霧飛散前的2～3秒之內(nèi)，將點燃的打火機(jī)或火柴靠近這束煙霧的末端，將煙霧點燃(如圖6c所示)；最后，這束煙霧由上而下燃燒，并將蠟燭重新點燃(如圖6d所示)。這就是所謂的隔空點火演示實驗，其原理是石蠟蒸汽溫度降低凝結(jié)成石蠟小顆粒，形成白煙，白煙有一定的溫度，當(dāng)火源靠近時，石蠟小顆粒達(dá)到著火點，重新復(fù)燃了。

圖6 “隔空點火”實驗演示過程

通過課堂演示隔空點火創(chuàng)新實驗，不僅可以開闊學(xué)生的眼界，也可以讓學(xué)生明白對于易燃易爆危險品，如汽油、天然氣，遠(yuǎn)離火源的原因。為了加深學(xué)生的印象，可以演示另一個隔空點火實驗——將燃燒穩(wěn)定的酒精燈熄滅，然后將燃燒的火柴“靠近”燈芯，不需要接觸，燈芯即可復(fù)燃。

四、結(jié)語

生活中的燃燒現(xiàn)象種類繁多，根據(jù)不同的用途，燃燒過程也不太一樣。有表演型燃燒，有求生火種(wetf i re)可以水上燃燒，也有像燃燒棒水下燃燒等。

通過高中化學(xué)通識教育課程之水下燃燒之謎的研究，讓學(xué)生親自動手感受隔空點火、酒精燈復(fù)燃的神奇，培養(yǎng)學(xué)生的動手能力，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)化學(xué)的興趣，激發(fā)學(xué)生對自然科學(xué)探究的熱情。

參考文獻(xiàn)

[1]王小慶.真正優(yōu)化物理實驗實現(xiàn)高效物理課堂[J].中學(xué)物理教學(xué)參考,2015(12):58-59.

[2]張允.氯酸鉀制氧氣的催化劑選擇[J]. 實驗教學(xué)與儀器,2004,21(9):27-27.

[3]歐陽的華,潘功配,關(guān)華.煙火藥水下燃燒氣泡的實驗研究[J].實驗力學(xué),2009,24(4):347-352.