探究“燃燒的條件和滅火方法”的創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)

趙映荷 楊艷

關(guān)鍵詞：燃燒的條件;滅火方法;創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)

一、問題提出

“探究燃燒的條件”實(shí)驗(yàn)是現(xiàn)行人教版初中化學(xué)教材中的經(jīng)典實(shí)驗(yàn)[1]（見圖1），該實(shí)驗(yàn)既是對氧氣相關(guān)知識的鞏固，又是用控制變量法進(jìn)行科學(xué)探究思維的深化。

教材實(shí)驗(yàn)裝置簡單、便于操作、易于觀察，但存在以下不足：一是實(shí)驗(yàn)要求在通風(fēng)櫥或抽風(fēng)設(shè)備下進(jìn)行，常規(guī)教室無此條件，而在敞開體系中實(shí)驗(yàn)會產(chǎn)生大量白煙，五氧化二磷有毒，無益于師生身體健康，在敞開體系中燃燒，觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象時(shí)有火焰燒到身上的危險(xiǎn);二是白磷熔點(diǎn)為44.1 ℃，在熱水中易熔化成黃泥狀物而自由游動，增加了準(zhǔn)確通入氧氣或空氣的難度，通入氣體后白磷易分散成細(xì)微顆粒在水面燃燒，產(chǎn)生大量白煙逸散到空氣中;三是僅僅探究了燃燒的條件，沒有探究燃燒是否一定需要氧氣，燃燒結(jié)束后氧氣是否一定被耗盡，沒有一體化探究燃燒的條件和滅火方法，探究的趣味性、真實(shí)性、直觀性、綜合性不強(qiáng);四是實(shí)驗(yàn)后的廢液沒有處理。

二、創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)

1. 儀器、藥品及材料

儀器：水槽、鐘罩、燃燒匙（3個(gè)）、50 mL燒杯（2個(gè)）、氧氣傳感器、鑷子、鑰匙。

藥品：紅磷、白磷、蠟燭、10%氫氧化鈉溶液、酚酞。

材料：橡皮塞、40 ℃溫控開關(guān)（2個(gè)）、蜂鳴器、LED燈珠、水泵、PVC水管、導(dǎo)線、5號電池及電池盒、1 mL注射器、銅絲、火柴、濾紙。

2. 實(shí)驗(yàn)裝置（圖2）及注意事項(xiàng)

儀器：水槽、鐘罩、燃燒匙（3個(gè)）、50 mL燒杯（2個(gè)）、氧氣傳感器、鑷子、鑰匙。

藥品：紅磷、白磷、蠟燭、10%氫氧化鈉溶液、酚酞。

材料：橡皮塞、40 ℃溫控開關(guān)（2個(gè)）、蜂鳴器、LED燈珠、水泵、PVC水管、導(dǎo)線、5號電池及電池盒、1 mL注射器、銅絲、火柴、濾紙。

2. 實(shí)驗(yàn)裝置（圖2）及注意事項(xiàng)

（1）裝白磷和紅磷的燃燒匙高度差1 cm左右，距放蠟燭的燃燒匙5 cm左右，且不在同側(cè)。

（2）燃燒匙底部打孔，便于從熱水中提出時(shí)不帶出水，裝白磷的燃燒匙底部需墊濾紙，防止白磷在熱水中熔化提出水面時(shí)漏掉。

（3）實(shí)驗(yàn)開始前白磷在熱水中，紅磷在空氣中，當(dāng)紅磷和白磷同時(shí)燃燒后一起放入熱水中，熄滅后再一起提出熱水。

（4）兩個(gè)燃燒匙正下方一顛一倒放置兩個(gè)50 mL燒杯，上面燒杯中放80 ℃左右的熱水，下面燒杯抬高上面燒杯，防止熱水冷卻。

（5）如果要觀察到火焰由下而上跳躍，白磷只需豌豆大小。如果要觀察到上下兩團(tuán)火焰同時(shí)燃燒，白磷的量則需要多點(diǎn)。為保證實(shí)驗(yàn)效果，紅磷要足量。

（6）選擇2個(gè)40 ℃溫控開關(guān)并聯(lián)，提高報(bào)警及自動噴水幾率。

3.實(shí)驗(yàn)原理

（1）物質(zhì)燃燒的三個(gè)條件：可燃物、氧氣、溫度達(dá)到可燃物著火點(diǎn)，缺一不可。滅火原理：清除可燃物、隔絕氧氣、降低溫度至著火點(diǎn)以下，缺一即可。

（2）酚酞遇氫氧化鈉溶液變紅色，氫氧化鈉溶液吸收五氧化二磷，硫酸銅溶液吸收剩余白磷，減少污染。

（3）如圖3所示，燃燒時(shí)放熱，溫控開關(guān)接通電源，蜂鳴器報(bào)警，LED燈珠閃爍，水泵抽水形成紅色水幕降溫。

4.探究過程、現(xiàn)象及結(jié)論

按照圖2裝置進(jìn)行探究并完成表1記錄。

5.實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及分析

結(jié)合實(shí)驗(yàn)探究過程和表2記錄情況分析可知：當(dāng)氧氣濃度低于15.4%時(shí)蠟燭熄滅，白磷燃燒，證明不同物質(zhì)燃燒所需的最低氧氣濃度不同。熱水中白磷不燃燒但提出水面后燃燒，證明燃燒需要氧氣;白磷燃燒引燃紅磷，證明不同物質(zhì)的著火點(diǎn)不同，燃燒需要達(dá)到可燃物的著火點(diǎn)。將燃燒的白磷和紅磷放入熱水中時(shí)火焰熄滅，證明可以通過隔絕氧氣的方法滅火;將白磷和紅磷再次提出熱水，白磷燃燒但紅磷沒有立刻燃燒，證明可以通過降低溫度至可燃物著火點(diǎn)以下的方法滅火;如果火焰熄滅后已無白磷但紅磷剩余，證明可以通過清除可燃物的方法滅火。由此構(gòu)建圖4的燃燒模型和圖5的滅火模型。

三、創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)的優(yōu)點(diǎn)

1.密閉裝置綠色環(huán)保

變教材中敞口實(shí)驗(yàn)為密閉裝置內(nèi)實(shí)驗(yàn)，并用氫氧化鈉溶液吸收白煙（P2O5 + 6NaOH == 2Na3PO4 +3H2O），有效抑制有毒物質(zhì)五氧化二磷逸散，保證師生身體健康;實(shí)驗(yàn)中如果還有白磷殘留，可以借助硫酸銅溶液進(jìn)行處理（11P + 15CuSO4 + 24H2O == 5Cu3P +6H3PO4 + 15H2SO4）。

2.定性實(shí)驗(yàn)定量呈現(xiàn)

引入氧氣傳感器從定量角度證實(shí)不同可燃物燃燒所需的氧氣最低濃度不同，讓傳統(tǒng)教學(xué)內(nèi)容與現(xiàn)代教學(xué)工具融合，變不可視氧氣濃度為可視氧氣濃度數(shù)據(jù)的呈現(xiàn)，提高實(shí)驗(yàn)的真實(shí)性和直觀性。

3.現(xiàn)象明顯趣味性強(qiáng)

密閉裝置內(nèi)蠟燭、白磷、紅磷依次燃燒，白磷和紅磷在燃燒與熄滅中交替進(jìn)行，鎂條在剩余氣體中燃燒，燃燒放熱接通溫控開關(guān)，引起蜂鳴器報(bào)警，LED燈珠閃爍，水泵噴水形成紅色水幕，現(xiàn)象明顯、趣味性強(qiáng)，充分刺激了學(xué)生的視覺和聽覺，增強(qiáng)了實(shí)驗(yàn)的趣味性。

4.一組實(shí)驗(yàn)多條結(jié)論

蠟燭燃燒前后對比可知：燃燒需要氧氣，并通過氧氣傳感器數(shù)據(jù)顯示蠟燭火焰熄滅后還有氧氣剩余;白磷燃燒前后對比可知：燃燒需要氧氣，但所需氧氣濃度小于蠟燭;由白磷燃燒引燃紅磷可知：不同可燃物的著火點(diǎn)不同;此時(shí)，如果將同時(shí)燃燒的紅磷和白磷同時(shí)放入熱水中，由火焰熄滅可知：隔絕氧氣是滅火的一種方法;再次將白磷和紅磷提出水面，由白磷燃燒但紅磷沒有立即燃燒可知：降低環(huán)境溫度至著火點(diǎn)以下可以滅火;火焰熄滅后如果紅磷有剩余而白磷已完全燃燒可知：清除可燃物是滅火的另一種方法。一組實(shí)驗(yàn)即可一體化探究燃燒的條件和滅火方法。

5.創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)落實(shí)素養(yǎng)

一體化設(shè)計(jì)并改進(jìn)實(shí)驗(yàn)裝置，落實(shí)科學(xué)探究與創(chuàng)新意識的素養(yǎng);基于真實(shí)情境探究燃燒條件和滅火方法，建構(gòu)“燃燒模型”并進(jìn)行修正，培養(yǎng)證據(jù)推理與模型認(rèn)知能力;引入氧氣傳感器監(jiān)測氧氣濃度，讓傳統(tǒng)教學(xué)內(nèi)容與現(xiàn)代教學(xué)工具融合，提高實(shí)驗(yàn)真實(shí)性和直觀性，感悟變化觀念和平衡思想;引入火警報(bào)警、自動噴水裝置，提高科學(xué)態(tài)度和社會責(zé)任[2]

四、實(shí)驗(yàn)反思

蠟燭、白磷、紅磷依次在密閉裝置內(nèi)燃燒，增強(qiáng)實(shí)驗(yàn)的對比性和科學(xué)性，但本實(shí)驗(yàn)無法實(shí)現(xiàn)鎂條在密閉裝置內(nèi)的燃燒，僅通過磷燃燒后在水槽中加水，使鐘罩內(nèi)外液面高度一致，減少打開橡皮塞后空氣進(jìn)入的可能性，保證裝置內(nèi)剩余氣體成分基本不變，從而證明鎂可以在氮?dú)庵腥紵?，?shí)驗(yàn)還不太嚴(yán)謹(jǐn)，有待進(jìn)一步改進(jìn)。