傾倒二氧化碳熄滅蠟燭火焰的實驗創(chuàng)新設(shè)計

湖北省武漢市第一初級中學(430024) 李少坤

湖北省武漢市長虹中學(430064) 余勇軍

1 研究背景

現(xiàn)行義務(wù)教育9年級化學教科書中設(shè)計的實驗大都具有操作簡單、耗時較少、趣味性強的特點，這些實驗使學生增強了對所學知識的理解，也有助于提高其學習化學的興趣。但是有些實驗在實際操作中現(xiàn)象并不明顯或根本沒有出現(xiàn)書中所說的實驗現(xiàn)象；有些實驗雖然可行，但是實驗裝置復(fù)雜、實驗時間長、效果不理想。人教版義務(wù)教育教科書9年級化學上冊第117頁，設(shè)計了“傾倒二氧化碳”熄滅蠟燭火焰的實驗來比較二氧化碳與空氣密度的大小，并證明在通常情況下二氧化碳不能支持燃燒，也不能燃燒。實驗裝置如圖1所示。

圖1 傾倒二氧化碳

實驗過程中，經(jīng)常會出現(xiàn)以下問題。一是兩支蠟燭同時在燒杯中燃燒釋放熱量，引起氣體受熱膨脹，向燒杯中傾倒二氧化碳時，有時會出現(xiàn)兩支蠟燭都不熄滅的現(xiàn)象。二是如果傾倒的角度、方向或速度控制不當，還會出現(xiàn)高蠟燭先熄滅低蠟燭后熄滅，或者兩支蠟燭同時熄滅的現(xiàn)象。實驗失敗后，學生不能觀察到預(yù)期的實驗現(xiàn)象，重新制取二氧化碳再次進行實驗，又會消耗一定的時間，還不能確保實驗成功，教學節(jié)奏被打亂，對教學效果造成不良影響。三是如果兩支蠟燭燃燒時火焰較大，放出熱量較多，在燒杯口移開玻璃片的過程中，還會出現(xiàn)實驗者手部被燙傷的現(xiàn)象。

2 已有的改進成果

針對該實驗中存在的上述問題，許多研究者提出了眾多改進方案，經(jīng)歸納總結(jié)，主要分為“通入法”和“隔離傾倒法”這兩種改進方式。具體內(nèi)容如下。

2.1 通入法

王會有老師在《淺談初中化學實驗教學》指出用圖2(A)所示裝置進行實驗，通入二氧化碳氣體后，發(fā)現(xiàn)燃著的蠟燭由下而上依次熄滅，但不能得出“二氧化碳的密度比空氣的大”的結(jié)論，因為導氣管末端位于燒杯底部，將二氧化碳氣體換成比空氣密度略小的氮氣時，排出的氮氣先充滿燒杯底部，也能使燃著的蠟燭由下而上依次熄滅。因而采用向圖2(B)所示裝置中通入二氧化碳的方式對此實驗進行改進。由于使用導管向燒杯內(nèi)通氣，按通常制取二氧化碳的速率，獲得足以使蠟燭熄滅所需的二氧化碳，需要一定的時間，而且兩支蠟燭在燒杯內(nèi)燃燒片刻后，會放出較多熱量，使燒杯壁發(fā)燙，燒杯內(nèi)的溫度升高，會導致從導管口流出的二氧化碳氣體受熱膨脹向上運動溢出。筆者用該裝置進行多次嘗試，實驗效果并不是很理想。

圖2 通入法改進方式

2.2 隔離傾倒法

肖利輝在《9年級化學上冊教材幾個實驗的改進》中在燒杯內(nèi)一側(cè)放一塊玻璃片，使燒杯分隔成“燃燒區(qū)”和“傾倒區(qū)”，再從燒杯中背離蠟燭的一側(cè)(傾倒區(qū))緩緩將集氣瓶中的二氧化碳倒入，如圖3(A)所示。潘國榮、劉俊在《CO2熄滅蠟燭火焰實驗小型化改進》中采用了類似的方法，在燒杯中間放置長玻璃立片，將燒杯內(nèi)部平分成兩個區(qū)域，如圖3(B)所示。

陳勇、周良建在《CO2熄滅蠟燭火焰實驗的再改進》中使用“寬背板金屬階梯”，點燃蠟燭后使燒杯內(nèi)分成“熱區(qū)”和“冷區(qū)”。熱區(qū)(燃燒區(qū))內(nèi)空氣受熱迅速上升，造成冷區(qū)(傾倒區(qū))內(nèi)空氣迅速下降形成空氣流動，便于向冷區(qū)(背板后的傾倒區(qū)域)倒入的二氧化碳迅速通過階梯下方懸空區(qū)域，使燃著的蠟燭由下至上依次熄滅，如圖3(C)所示。

李娜在《傾倒二氧化碳熄滅階梯蠟燭實驗的改進》中使用帶凹槽的臺階式木塊與玻璃槽組合而成的裝置，向左側(cè)較寬的凹槽處傾倒二氧化碳，二氧化碳從右側(cè)臺階處的凹槽孔流出，使燃著的蠟燭由下至上依次熄滅，如圖3(D)所示。

圖3 隔離傾倒法改進方式

以上改進實驗雖然提高了實驗成功率，但部分實驗裝置制作較復(fù)雜，還有部分改進實驗需要二氧化碳的量較多，不便于推廣做學生分組實驗。而且魏海、李德前、周梅華在《傾倒二氧化碳滅火實驗需排除“煙囪效應(yīng)”的干擾》中通過實驗研究，指出上述改進實驗均存在“煙囪效應(yīng)”的干擾，原因如下:由于使用擋板或帶凹槽的木塊將燒杯或玻璃槽分成了兩個區(qū)，即蠟燭燃燒形成的熱區(qū)和傾倒二氧化碳的冷區(qū)，當蠟燭被點燃后，兩個區(qū)域存在一定的溫度差，形成的熱壓作用就會增強空氣對流，促進二氧化碳氣體下沉，形成“煙囪效應(yīng)”，而且溫差越大，“煙囪效應(yīng)”越強。魏海等用燃燒線香時產(chǎn)生的白煙在燒杯內(nèi)的運動，有力地證明了該實驗中“煙囪效應(yīng)”的存在，如圖4所示。他們指出如果傾倒的是密度比空氣小的氮氣或氨氣，也可能使燃著的蠟燭自下而上依次熄滅。

圖4 線香燃燒產(chǎn)生的白煙在燒杯內(nèi)的運動

劉知新教授在《化學教學論(第五版)》中指出設(shè)計化學實驗時要盡可能采用簡單的實驗裝置，用較少的實驗步驟和試劑，產(chǎn)生明顯的實驗現(xiàn)象，在較短的時間內(nèi)完成實驗；設(shè)計的實驗還應(yīng)有利于在教學中實現(xiàn)化學實驗的認識論、方法論和教學論功能。對于該實驗，筆者以魏海等的研究成果及理念為基礎(chǔ)，結(jié)合多年的教學經(jīng)驗和平時的思考與積累，從實驗裝置和實驗方法上采用創(chuàng)新設(shè)計，取得了良好的實驗效果，具體設(shè)計內(nèi)容如下。

3 創(chuàng)新設(shè)計方案

3.1 實驗用品

二氧化碳1瓶(125 mL)、燒杯2個(250 mL)、打火機1個、長度相近的短蠟燭(長度約2 cm)2支、鐵片支架1根。

3.2 實驗裝置

實驗裝置圖如圖5所示。

圖5 創(chuàng)新設(shè)計實驗的裝置

3.3 實驗步驟及現(xiàn)象

(1)點燃鐵片支架兩端的蠟燭后，向其中一個燒杯內(nèi)傾倒二氧化碳氣體，如圖6所示。

圖6 向燒杯中傾倒二氧化碳

(2)分別將兩支燃著的蠟燭緩慢放入兩個燒杯中，直至放入燒杯底部。

當蠟燭處于燒杯上部或中部時，兩個燒杯中的蠟燭都能繼續(xù)燃燒，如圖7所示。

圖7 將燃著的蠟燭放在燒杯上部或中部

當蠟燭處于燒杯下部或底部時，倒入二氧化碳的燒杯內(nèi)，蠟燭熄滅；未倒入二氧化碳的燒杯內(nèi)，蠟燭持續(xù)燃燒，如圖8所示。

圖8 將燃著的蠟燭放在燒杯下部或底部

3.4 創(chuàng)新改進后實驗具有的優(yōu)點

(1)實驗裝置簡單、操作方便，實驗用品容易獲取，且藥品用量較少，可廣泛應(yīng)用于學生的分組實驗和課外探究活動。

(2)實驗不受外界條件的影響，成功率高，且實驗的再現(xiàn)程度高。從燒杯中取出蠟燭，將熄滅的蠟燭點燃后，再次將其緩慢放入兩個燒杯中，又會出現(xiàn)圖7、圖8所示的實驗現(xiàn)象，并且該操作可以重復(fù)進行2～3次。

(3)實驗現(xiàn)象直觀、明顯，可視性與趣味性強，有利于提升學生的學習興趣。

(4)實驗有利于學生體驗對比研究物質(zhì)性質(zhì)的方法，提升實驗探究能力。

(5)實驗過程中沒有“煙囪效應(yīng)”的干擾。通過現(xiàn)象對比，學生很容易準確得出在通常條件下，二氧化碳的密度比空氣的大，且不能支持燃燒，也不能燃燒的結(jié)論。

(6)實驗有助于學生理解“燈火實驗”的原理，提升在地窖、深井或坑洞等環(huán)境中活動時的安全意識。

4 創(chuàng)新設(shè)計方案的拓展改進

“傾倒二氧化碳”熄滅蠟燭火焰的實驗?zāi)康氖翘骄吭谕ǔl件下二氧化碳的密度比空氣大，且不能支持燃燒，也不能燃燒。為達到此目的，對此實驗裝置和實驗方法進行進一步改進，可使裝置和操作進一步簡化，只需一個燒杯和一根小木條即可完成實驗，拓展設(shè)計的內(nèi)容如下。

4.1 實驗步驟及現(xiàn)象

(1)將木條點燃后，移開集氣瓶口的玻璃片(瓶中裝滿二氧化碳)，將燃著的木條放在集氣瓶口，觀察到木條不熄滅，如圖9(A)所示。

(2)瓶口對準燃著的木條，將集氣瓶迅速倒轉(zhuǎn)過來，倒扣在火焰正上方，觀察到木條熄滅，如圖9(B)所示。

圖9 拓展改進的實驗

4.2 拓展改進的實驗具有的優(yōu)點

(1)實驗用品少、裝置簡單、操作方便，可極大節(jié)省教師準備實驗的時間，可廣泛應(yīng)用于學生的分組實驗和課外探究活動。

(2)實驗現(xiàn)象直觀、明顯，可視性與趣味性強，有利于提升學生的學習興趣和探究欲望。

(3)實驗有利于學生體驗對比研究物質(zhì)性質(zhì)的方法，提升實驗探究能力。

(4)實驗過程中沒有“煙囪效應(yīng)”的干擾。通過現(xiàn)象對比，學生很容易準確得出在通常條件下，二氧化碳的密度比空氣大，且不能支持燃燒，也不能燃燒的結(jié)論。

(5)“證明二氧化碳是否集滿”是初中化學二氧化碳制取研究中的一個重要實驗，人教版義務(wù)教育教科書9年級化學上冊第115頁設(shè)計的實驗裝置如圖10所示。將燃著的木條放在集氣瓶口證明二氧化碳是否收集滿時，還必須將導管伸入瓶底持續(xù)向瓶中通入氣體。在完成該實驗時，很多學生只注意了將燃著的木條放在集氣瓶口這步操作，而沒有注意將導管伸入瓶底持續(xù)向瓶中通入氣體這步操作，更沒有關(guān)注和理解這兩步操作的原因。拓展改進的實驗有助于學生關(guān)注和理解“證明二氧化碳是否集滿”實驗的兩步操作和內(nèi)在原理。

圖10 證明二氧化碳是否集滿