傾倒二氧化碳滅火實(shí)驗(yàn)需排除“煙囪效應(yīng)”的干擾

魏海 李德前 周梅華

摘要： 現(xiàn)行初中化學(xué)（或科學(xué)）教科書及學(xué)術(shù)期刊中編排設(shè)計(jì)的“二氧化碳滅火”實(shí)驗(yàn)，在傾倒（或通入）二氧化碳?xì)怏w時(shí)沒有排除“煙囪效應(yīng)”的干擾，難以準(zhǔn)確得出“二氧化碳?xì)怏w密度比空氣大”的實(shí)驗(yàn)結(jié)論。新設(shè)計(jì)的“傾倒二氧化碳滅火”實(shí)驗(yàn)避免了在傾倒二氧化碳?xì)怏w時(shí)的熱差作用，確保了實(shí)驗(yàn)結(jié)果的科學(xué)性與嚴(yán)謹(jǐn)性。

關(guān)鍵詞： 傾倒二氧化碳; 滅火實(shí)驗(yàn); 煙囪效應(yīng); 實(shí)驗(yàn)改進(jìn)

文章編號(hào)： 1005-6629（2019）11-0063-04? ? ? ? ? ? 中圖分類號(hào)： G633.8? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： B

1? 問題的提出

“傾倒二氧化碳滅火”是初中化學(xué)（或科學(xué)）教科書中的經(jīng)典實(shí)驗(yàn)，由于空間不大的燒杯內(nèi)點(diǎn)燃兩支蠟燭，大量上升的熱氣流容易沖散傾倒下來的二氧化碳?xì)怏w，造成實(shí)驗(yàn)不能出現(xiàn)“標(biāo)準(zhǔn)預(yù)設(shè)現(xiàn)象”。針對(duì)這一疑難情況，很多化學(xué)教育工作者對(duì)此實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了改進(jìn)和優(yōu)化。

我們發(fā)現(xiàn)，教科書中編排的“二氧化碳滅火”實(shí)驗(yàn)以及學(xué)術(shù)期刊中刊載的有關(guān)改進(jìn)實(shí)驗(yàn)，在傾倒二氧化碳?xì)怏w時(shí)還存在“煙囪效應(yīng)”的干擾（對(duì)二氧化碳?xì)饬飨陆敌纬砂物L(fēng)作用）。根據(jù)重力場中氣態(tài)物質(zhì)的運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)判斷[1，2]，這樣設(shè)計(jì)的二氧化碳滅火實(shí)驗(yàn)不能充分說明二氧化碳?xì)怏w的密度比空氣大（但仍能說明二氧化碳具有不燃燒、不支持燃燒的性質(zhì)）。

2? 文獻(xiàn)中有關(guān)二氧化碳滅火實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)

2.1? 教科書中二氧化碳滅火實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)

現(xiàn)行多個(gè)版本的初中化學(xué)（或科學(xué)）教科書中編排的這個(gè)實(shí)驗(yàn)，涉及的操作方法主要有以下四種。

（1） 高低不同的兩支蠟燭位于燒杯一側(cè)的底部（一般在燒杯尖嘴的對(duì)面，下同），從燒杯的尖嘴處沿?zé)瓋?nèi)壁將二氧化碳?xì)怏w緩慢倒入燒杯中進(jìn)行滅火，如現(xiàn)行人教版九年級(jí)化學(xué)教科書中編排的“傾倒二氧化碳”實(shí)驗(yàn)[3]（裝置見圖1）。

（2） 將一支蠟燭置于燒杯一側(cè)的底部，從燒杯的尖嘴處沿?zé)瓋?nèi)壁將二氧化碳?xì)怏w緩慢倒入燒杯中進(jìn)行滅火，如現(xiàn)行浙科版八年級(jí)科學(xué)教科書中編排的“二氧化碳滅火”實(shí)驗(yàn)[4]（裝置見圖2）。

圖1? 人教版九年級(jí)化學(xué)教科書中“

傾倒二氧化碳”實(shí)驗(yàn)

圖2? 浙科版八年級(jí)科學(xué)教科書中

“二氧化碳滅火”實(shí)驗(yàn)

（3） 高低不同的兩支蠟燭位于燒杯一側(cè)的底部，在燒杯的中上部懸空放置一塊玻璃隔板，從燒杯的尖嘴處沿?zé)瓋?nèi)壁把二氧化碳?xì)怏w緩慢倒入燒杯中，如現(xiàn)行滬教版九年級(jí)化學(xué)教科書中編排的“把二氧化碳?xì)怏w慢慢倒入燃有蠟燭的燒杯中”實(shí)驗(yàn)[5]、現(xiàn)行仁愛版九年級(jí)化學(xué)教科書中編排的“傾倒二氧化碳”實(shí)驗(yàn)[6]（裝置見圖3）。

圖3? 滬教版、仁愛版九年級(jí)化學(xué)教科書中“傾倒二氧化碳”實(shí)驗(yàn)

（4） 高低不同的兩支蠟燭位于燒杯一側(cè)的底部，在蠟燭對(duì)面的燒杯一側(cè)放置一個(gè)喇叭形紙筒，通過喇叭形紙筒將二氧化碳?xì)怏w向燒杯中傾倒，如現(xiàn)行粵教版九年級(jí)化學(xué)教科書中編排的“傾倒二氧化碳滅火”實(shí)驗(yàn)[7]（裝置見圖4）。

圖4? 粵教版九年級(jí)化學(xué)教科書中“傾倒二氧化碳滅火”實(shí)驗(yàn)

2.2? 學(xué)術(shù)期刊中二氧化碳滅火實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)方案

學(xué)術(shù)期刊中刊載的涉及二氧化碳滅火改進(jìn)實(shí)驗(yàn)的有很多方案，但與本研究有關(guān)的主要是以下三種。

（1） 在燒杯中間放一塊底部懸空（或底部有缺口）的隔板，在隔板的一側(cè)放置蠟燭，從隔板的另一側(cè)傾倒二氧化碳?xì)怏w[8～10]，實(shí)驗(yàn)裝置見圖5。

圖5? 在燒杯中間增加隔板進(jìn)行

二氧化碳滅火實(shí)驗(yàn)

（2） 在燒杯一側(cè)的底部放置蠟燭，在蠟燭對(duì)面的燒杯一側(cè)放置短頸漏斗（或自制的簡易漏斗、變形漏斗），將二氧化碳?xì)怏w倒入漏斗進(jìn)行熄滅蠟燭實(shí)驗(yàn)[11～14]，實(shí)驗(yàn)裝置見圖6。

圖6? 借助漏斗在燒杯中進(jìn)行二氧化碳滅火實(shí)驗(yàn)

（3） 在燒杯一側(cè)的底部放置蠟燭，從蠟燭對(duì)面的燒杯一側(cè)直接將二氧化碳?xì)怏w通入燒杯內(nèi)進(jìn)行滅火[15～18]，實(shí)驗(yàn)裝置見圖7。

圖7? 直接將二氧化碳?xì)怏w通入

燒杯內(nèi)進(jìn)行滅火實(shí)驗(yàn)

3? 煙囪效應(yīng)對(duì)二氧化碳滅火實(shí)驗(yàn)的干擾

豎向的流通空間出現(xiàn)了溫度差，形成的熱壓作用就會(huì)增強(qiáng)空氣對(duì)流，這種熱壓作用產(chǎn)生的通風(fēng)效應(yīng)又稱為“煙囪效應(yīng)”[19]。據(jù)測試，溫差在1.7℃時(shí)就會(huì)產(chǎn)生煙囪效應(yīng)。

3.1? 理論分析

上述二氧化碳滅火實(shí)驗(yàn)都是在燒杯內(nèi)進(jìn)行的，燒杯內(nèi)部為豎向通道，燃燒物蠟燭位于一個(gè)區(qū)域（在燒杯的一側(cè)），滅火劑二氧化碳位于另一個(gè)區(qū)域（在燒杯的另一側(cè)）。當(dāng)蠟燭被點(diǎn)燃后，兩個(gè)區(qū)域存在一定的溫度差（且溫差越大拔風(fēng)效應(yīng)越強(qiáng)），形成的熱壓作用就會(huì)促進(jìn)二氧化碳?xì)怏w下沉。而二氧化碳?xì)怏w在空氣中能夠大量地自然下沉，是該實(shí)驗(yàn)說明二氧化碳?xì)怏w密度比空氣大的最有力的證據(jù)[20]。

3.2? 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

我們?cè)O(shè)計(jì)了下面的兩個(gè)簡單實(shí)驗(yàn)，以驗(yàn)證上述二氧化碳滅火實(shí)驗(yàn)中是否存在煙囪效應(yīng)。

（1） 在空氣中點(diǎn)燃一段線香，發(fā)現(xiàn)白煙緩緩上升，說明白煙的平均密度比空氣小。然后點(diǎn)燃圖1裝置中的蠟燭，再將燃著的線香放入燒杯尖嘴處，發(fā)現(xiàn)白煙被吸入燒杯內(nèi)，并很快向下飄蕩，然后再從燒杯另一側(cè)冉冉升起（見圖8），這不僅

圖8? 將燃著的線香放在燒杯尖嘴處，白煙很快向下飄蕩

定性證明了煙囪效應(yīng)的存在，也說明如果傾倒的是密度比空氣小的氮?dú)饣虬睔庖部赡苁範(fàn)T火自下而上地熄滅[21]。

（2） 利用溫度傳感器，分別測試圖1、圖5裝置中蠟燭燃燒區(qū)域正上方及二氧化碳傾倒處的溫度，發(fā)現(xiàn)蠟燭燃燒區(qū)的溫度明顯高于二氧化碳傾倒處的溫度，而且借助于中間隔板或漏斗進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí)溫差更大，這就證明了煙囪效應(yīng)的存在。

4? 對(duì)二氧化碳滅火實(shí)驗(yàn)的再改進(jìn)

我們的改進(jìn)思路： （1）保留原實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)中“傾倒二氧化碳?xì)怏w”的操作，因?yàn)樵摬僮鞑粌H說明“二氧化碳?xì)怏w可以像液體那樣傾倒”，也是驗(yàn)證“二氧化碳?xì)怏w密度比空氣大”的必要操作。（2）在“傾倒二氧化碳?xì)怏w時(shí)”要排除煙囪效應(yīng)的干擾，確保二氧化碳?xì)怏w自然下沉。

4.1? 改進(jìn)方案Ⅰ

（1） 按圖9-A組裝好實(shí)驗(yàn)裝置[22]，確保硬紙板能將大燒杯兩側(cè)嚴(yán)嚴(yán)實(shí)實(shí)地隔開;點(diǎn)燃蠟燭后，立即將一瓶（用250mL集氣瓶盛裝）二氧化碳?xì)怏w緩緩倒入大燒杯內(nèi)沒有蠟燭的一側(cè)。然后，將硬紙板從細(xì)沙中輕輕提起，露出凹形缺口，蠟燭火焰立即自下而上依次熄滅（見圖9-B）。

（2） 上述實(shí)驗(yàn)的現(xiàn)象說明，從燒杯口傾倒二氧化碳?xì)怏w后，二氧化碳能很快大量地自然下沉，聚集在燒杯一側(cè)的底部，可知二氧化碳?xì)怏w的密度比空氣大。將硬紙板提起后蠟燭火焰依次熄滅，說明二氧化碳?xì)怏w具有不燃燒、不支持燃燒的性質(zhì)。

圖9? 傾倒二氧化碳?xì)怏w滅火的改進(jìn)實(shí)驗(yàn)裝置Ⅰ

4.2? 改進(jìn)方案Ⅱ

（1） 按圖10-A組裝好實(shí)驗(yàn)裝置，確保無底塑料瓶的瓶口完全插入細(xì)沙中且不漏氣。點(diǎn)燃蠟燭后，立即將一瓶（用250mL集氣瓶盛裝）二氧化碳?xì)怏w緩緩倒入無底塑料瓶內(nèi)，然后將無底塑料瓶輕輕提起，露出瓶口，蠟燭火焰立即自下而上依次熄滅[23]（見圖10-B）。

圖10? 傾倒二氧化碳?xì)怏w滅火的改進(jìn)實(shí)驗(yàn)裝置Ⅱ

（2） 根據(jù)上述實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象可知，二氧化碳?xì)怏w倒入無底塑料瓶后，能很快大量地自然下沉，聚集在無底塑料瓶底部，說明二氧化碳?xì)怏w的密度大于空氣。將無底塑料瓶提起后蠟燭火焰依次熄滅，說明二氧化碳?xì)怏w具有不燃燒、不支持燃燒的性質(zhì)。

需要說明的是，在上述兩個(gè)改進(jìn)方案中，蠟燭的多少、高低及熄滅的先后，僅僅是為了增加實(shí)驗(yàn)的趣味性，尤其是燭火熄滅的先后，對(duì)滅火氣體密度比空氣大還是小，已沒有直接的印證關(guān)系。

總之，進(jìn)行二氧化碳滅火實(shí)驗(yàn)，必須保留“傾倒二氧化碳?xì)怏w”的實(shí)驗(yàn)操作，并且在“傾倒二氧化碳?xì)怏w”時(shí)也必須要排除煙囪效應(yīng)的干擾。

參考文獻(xiàn)：

[1]宋華忠. 解讀中學(xué)物理氣體分子運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)[J]. 中學(xué)物理， 2014， （6）： 33～34.

[2]晉宏?duì)I. 重力場中混合理想氣體分子按高度分布的研究[J]. 大學(xué)物理， 2013， （5）： 3～8.

[3]課程教材研究所化學(xué)課程教材研究開發(fā)中心. 義務(wù)教育教科書·化學(xué)（九年級(jí)上冊(cè)）[M]. 北京： 人民教育出版社， 2012： 117.

[4]朱清時(shí). 義務(wù)教育教科書·科學(xué)（八年級(jí)下冊(cè)）[M]. 杭州： 浙江教育出版社， 2012： 97.

[5]中學(xué)化學(xué)國家課程標(biāo)準(zhǔn)研制組. 義務(wù)教育教科書·化學(xué)（九年級(jí)上冊(cè)）[M]. 上海： 上海教育出版社， 2013： 44.

[6]北京市仁愛教育研究所. 義務(wù)教育教科書·化學(xué)（九年級(jí)上冊(cè)）[M]. 北京： 北京教育出版社， 2012： 96.

[7]江琳才， 錢揚(yáng)義， 李開祥. 義務(wù)教育教科書·化學(xué)（九年級(jí)上冊(cè)）[M]. 北京： 科學(xué)出版社;? 廣州： 廣東教育出版社， 2012： 136.

[8]張道飛. 對(duì)傾倒二氧化碳熄滅蠟燭火焰實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)[J]. 教育與裝備研究， 2011， （9）： 18～19.

[9]韓素琴. 傾倒二氧化碳實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)[J]. 實(shí)驗(yàn)教學(xué)與儀器， 2015， （2）： 25.

[10]張君， 楊學(xué)剛. 自制儀器探究二氧化碳的性質(zhì)[J]. 中小學(xué)實(shí)驗(yàn)與裝備， 2018， （1）： 52～53.

[11]高玉蘭. 二氧化碳滅火實(shí)驗(yàn)裝置[J]. 實(shí)驗(yàn)教學(xué)與儀器， 1996， （1）： 11.

[12]李靜芬. 二氧化碳熄滅蠟燭火焰演示實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)[J]. 化學(xué)教學(xué)， 1997， （12）： 13.

[13]周德富， 雷開義. 廢物利用， 改進(jìn)二氧化碳的滅火實(shí)驗(yàn)[J]. 中學(xué)化學(xué)教學(xué)參考， 2014， （6）： 56.

[14]陳訴. 傾倒二氧化碳使蠟燭熄滅實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)[J]. 實(shí)驗(yàn)教學(xué)與儀器， 2016， （S1）： 68～69.

[15]馬可彪. 用自制的低成本教具演示二氧化碳滅火實(shí)驗(yàn)[J]. 考試周刊， 2011， （36）： 190～191.

[16]郭瑞斌， 李莉， 張斌. 奇妙的二氧化碳——CO2性質(zhì)驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)[J]. 化學(xué)教育， 2012， （11）： 95～97.

[17]王會(huì)有. 淺談初中化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)[J]， 化學(xué)教學(xué)， 2013， （5）： 53～55.

[18]詹林. 傾倒二氧化碳實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)與剖析[J]. 實(shí)驗(yàn)教學(xué)與儀器， 2018， （11）： 28～29.

[19]張忠擴(kuò)， 姚志飛. 煙囪效應(yīng)在建筑節(jié)能中的應(yīng)用[J]. 建筑節(jié)能， 2010， （10）： 18～19.

[20]李德前. 由燭火熄滅“異?！币l(fā)的思考——兼與何燦華老師商榷[J]. 基礎(chǔ)教育課程， 2008， （10）： 34～35.

[21]沈兆剛. 亦論二氧化碳的滅火實(shí)驗(yàn)[J]. 教學(xué)儀器與實(shí)驗(yàn)， 2013， （12）： 37～38.

[22]李德前. 二氧化碳性質(zhì)實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)二則[J]. 實(shí)驗(yàn)教學(xué)與儀器， 2004， （12）： 14～15.

[23]李德前. 二氧化碳性質(zhì)實(shí)驗(yàn)的綜合設(shè)計(jì)[J]. 化學(xué)教育， 2008， （10）： 49.