白磷在水中燃燒實驗的再改進

周來友

摘要：對白磷在水中燃燒的實驗裝置進行了改進。新裝置改變了實驗過程的供氧、燃燒和吸收的條件，縮小了白磷所處的水環(huán)境，使水環(huán)境的溫度能迅速達到并保持在80℃以上，以保證氧氣在水下離開導管后引發(fā)白磷發(fā)牛徹底的燃燒和不留殘余；借助氧氣的持續(xù)通入，反應產牛的污染物完全進入吸收裝置并被處理，消除了隱患，減少了污染。

關鍵詞：白磷在水中燃燒；實驗裝置設計；純氧空間；實驗改進；創(chuàng)新能力

文章編號：1005-6629（2017）8-0068-05

中圖分類號：G633.8

文獻標識碼：B

1白磷在水中燃燒實驗存在的主要問題

關于白磷在水中燃燒的實驗裝置和實驗方法，現有初中《化學》教材（九年級上冊，人民教育出版社出版，2012年6月第1版）中是這樣表述的：在500mL燒杯中加入300mL熱水，并放入用硬紙圈圈住（2012年以前版本教材沒這樣規(guī)定）的一小塊白磷，觀察現象。用導管對準上述燒杯中的白磷，通人少量氧氣（如圖1所示），觀察現象。

此方案存在的主要問題歸納起來有以下幾點：

（1）白磷燃燒不充分，不徹底，有殘留。

按照以前版本教材實驗時，把豆粒般大小的白磷直接放入盛熱水的燒杯底部以后，因白磷熔點較低（44.1℃）會熔化成油狀液滴，當把導管對準油狀液滴通入氧氣后，白磷燃燒曇花一現。余下來不及反應的白磷，因剛才瞬間發(fā)生化學反應的破壞和氧氣流的沖擊從而形成很多個白磷小液滴。這些白磷小液滴零亂分散在水中各處，實驗者需不斷追逐這些白磷小液滴繼續(xù)通入氧氣，操作很不方便，燃燒現象不明顯。

按現有版本教材的表述進行實驗，雖說克服了上述不足，但白磷所處的水環(huán)境仍然較大，白上而下通入氧氣不能保證白磷和氧氣充分接觸，實驗結束后白磷燃燒不徹底有殘留，只是和以前教材相比有所降低而已，即使通人足量的氧氣也是如此。

（2）用硬紙圈圈住白磷，并不是防止白磷熔化被沖散的最好辦法。

一是限制白磷的硬紙圈材質倘若選擇不好，有可能被水浸泡后松散開來，很有可能被燃著的白磷引燃，導致有一部分熔化的白磷飄走；二是硬紙圈是可燃物或含有其他可燃物，燃燒發(fā)生后究竟是硬紙圈引燃了白磷，還是白磷引燃了硬紙圈？這個問題并不明確。

（3）和以前版本的教材一樣，默認用熱水處理污染物，方法欠妥。

生成的五氧化二磷逸散在水中，能和水反應（冷水中反應生成偏磷酸，熱水中反應生成正磷酸即磷酸），故實驗結束后的廢液中除了含有磷酸、偏磷酸外，還含有殘余的五氧化二磷和更小的白磷小液滴等物質，顯然熱水只是溶解或容納這些物質，并不能降低這些物質的含量。

（4）很多教師缺乏安全意識，隨意處理廢液。

和以前版本類似實驗一樣，有的教師課下清洗儀器時，存在殘留的白磷發(fā)生二次燃燒的情況；還有教師課下直接把廢液倒入下水道。這樣做不但會造成小范圍的環(huán)境污染，而且還有可能產生更大的安全隱患。

2白磷在水中燃燒實驗的文獻綜述

現階段，國內公開發(fā)表的有關該實驗改進的介紹的確不少，既有針對以前版本教材的，也有針對現行版本教材的。下面，筆者根據查閱的文獻資料，僅從基本做法和存在問題兩個方面做研究綜述。

2.1基本做法

改進時，從燒杯、導氣管、熱水、白磷、氧氣這五種因素出發(fā)，改變其中的一種或幾種因素，就可產生下面一些常見的做法。

（1）限制白磷法。利用一個中間凹、邊緣凸的小物件或小籠子把白磷限制在燒杯中的小范圍之內進行改進。例如在燒杯中的熱水下面，把白磷放進小圓圈、小勺子、凹陷平臺、螺絲母等用品中，對準白磷通入氧氣；在熱水下面用玻璃小漏斗或是帶眼塑料小漏斗罩住白磷通入氧氣；把盛放白磷而且暢通的玻璃導氣管彎成“V”型浸入盛熱水的燒杯中通入氧氣等等。

（2）導管放大法。把通氧氣的導管改為試管、錐形瓶等倒扣住熱水中的白磷，引發(fā)燃燒，也可叫倒扣氧氣法。例如把充滿氧氣的試管或錐形瓶，倒插入盛熱水的燒杯中罩住白磷，容器內氧氣因被壓縮和熱膨脹，進入的少量水從下口下降或排出，致使里面氧氣和白磷接觸引發(fā)燃燒。

（3）縮小燒杯法。把燒杯換成較小的容器進行實驗。例如，在試管中加入一定量的熱水，把一小塊白磷放入試管底部，再把試管放入盛有熱水的燒杯中，然后向試管底部通人氧氣；把白磷放入盛少量熱水的離心試管里，緩慢通入氧氣。

（4）氧氣直通法。此法是讓氧氣直接持續(xù)接觸白磷進行實驗。例如，用T型管中間端連接盛空氣的注射器，另外兩頭分別連接帶有導管且塞緊單孔塞的兩只試管，試管中分別放入相同的白磷、燃燒平臺和水（一冷一熱），推動注射器活塞，使水面下降露出白磷引發(fā)燃燒。

（5）限溫限磷法。此法通過限制白磷和熱水溫度，通入氧氣使白磷燃燒。例如燒杯中放入超過40℃的熱水后把事先已固定好的白磷放人燒杯中，迅速對準白磷通入氧氣。

（6）上磷下氧法。實驗時，容器內上邊放白磷，從下邊供給氧氣。例如把白磷放入盛熱水的長頸漏斗里并從漏斗下端連續(xù)緩慢通入氧氣；把中下部卡著鋼絲清潔球或銅網的漏眼試管放入燒杯的熱水中，上端放人白磷，從試管底部往上通人氧氣；把白磷迅速放入盛有多半熱水少半氧氣的瓶子或試管里，塞緊塞子顛倒過來上下輕輕振蕩，氧氣上升碰撞下降的白磷發(fā)生燃燒，來回顛倒；預先將少量的二氧化錳放入具支試管里，再將長頸漏斗和鋼絲清潔球放入具支試管里，向具支試管里加入開水和白磷，向長頸漏斗里加入10%的H₂o₂溶液，就會看到有氣泡向上冒，氣泡經過鋼絲球時白磷燃燒。

（7）限氧限磷法。通過限制水中的白磷和氧氣氣泡對實驗進行改進。例如把兩端開口的玻璃管豎直放入燒杯中，下面圈住白磷，上面塞緊帶導管的膠塞，穿過膠塞的導管那部分在水中接近白磷，通入氧氣。endprint

2.2存在的問題

上述做法參差不齊，優(yōu)劣并存，但無不給人以啟迪，給人以智慧。針對各種改進方案存在的問題進行合并歸納，主要有以下幾點：

（1）多數改進白磷和氧氣的反應仍不夠充分、徹底，實驗結束后白磷有殘余。

（2）普遍默認的污染物的處理方式就是用浸沒白磷的熱水來吸收。對吸收完之后的廢液又該如何處理同樣沒有作進一步的說明。

（3）有的改進實驗不能保證白磷的燃燒被水封閉，容易引起人們的質疑。

（4）有的方法雖然白磷和氧氣反應較充分，幾乎沒有殘留。但操作上小有難度、不方便；或清洗時仍有安全隱患。

（5）個別改進實驗根本不能稱為白磷在水中燃燒，而是白磷赤裸裸地在氧氣中燃燒，改進者竟還提出這是改進原理，沒有意識到白磷在水中燃燒和在氧氣中燃燒是有區(qū)別的。

（6）普遍缺乏處理廢液的意識以及適應社會發(fā)展、關注社會環(huán)保的教育理念。

3白磷在水中燃燒實驗的再改進

針對現行教材表述進行實驗和當前改進現狀存在的問題，筆者以2016年蘇州中考化學試題第31題的實驗裝置為例，嘗試對水中白磷燃燒的實驗作進一步的改進探究，以體現其功能和價值。

3.1實驗改進的方案設計

3.1.1實驗改進裝置

實驗改進裝置（如圖2所示），由A、B、C三部分組成。A裝置用來現場供給和控制氧氣，也為B、C兩部分裝置發(fā)揮更大的作用提供動力支撐；B裝置在A裝置的配合下共同創(chuàng)造白磷在水下燃燒所處的外部純氧空間，并演示白磷在水中燃燒（和氧氣反應）的情況；C裝置用來吸收產生的五氧化二磷等污染物。

3 .1.2實驗操作

（1）在錐形瓶中加入l藥匙二氧化錳，用注射器吸入約40mL5%—10%的過氧化氫溶液，然后將注射器的針頭刺入橡皮塞中做好準備。

（2）在廣口瓶中先加入濃度為1%的氫氧化鈉溶液至其中上部，再滴加幾滴飽和酚酞溶液后旋緊雙孔塞。

（3）取一塊綠豆大小的白磷放入小試管中，再加入少量約80℃的熱水（熱水的高度以小試管高度一半左右為宜）觀察現象；將大試管稍作傾斜，讓小試管沿大試管內壁慢慢滑入大試管中；將雙孔塞的長導管伸到小試管中接近白磷正上方的位置，旋緊雙孔塞；最后將大試管放入燒杯中。

（4）按圖2接好裝置，檢查裝置的氣密性。在燒杯中加入200mL約80℃的熱水，若觀察到C裝置中浸沒在氫氧化鈉溶液中的長導管的末端有氣泡冒出，則證明裝置氣密性良好。

（5）推動注射器活塞制取并控制通入氧氣的速度。一開始緩慢推動注射器活塞，保證氧氣在水面下形成氣泡后脫離導管和白磷接觸。隨著實驗的進行，酌情改變通入氧氣的速度，觀察A、B、C三部分裝置中的實驗現象。

3.1.3現象結論

（1）裝置A中出現氣泡，說明錐形瓶中的過氧化氫在二氧化錳的催化作用下發(fā)生分解反應產生了氧氣。

（2）裝置B的小試管中加入熱水后，白磷不燃燒，這說明缺少氧氣。推動注射器活塞酌情調速，氧氣沿導管進入B的小試管中，水里有氣泡冒出，一開始水下白磷先冒出少量白煙，后來白磷被點燃，持續(xù)燃燒并產生大量白煙。這就說明當可燃物白磷溫度達到著火點時，盡管浸沒在水中，只要和氧氣充分接觸就能燃燒。

（3）白煙漸漸進入裝置C中而消失。這說明氧氣的持續(xù)通人很有必要，有利于B中白煙隨氣流進入裝置C中，最后被氫氧化鈉溶液完全吸收。

3.2改進實驗的優(yōu)點

（1）白磷和水接觸的水環(huán)境比較狹小，水的溫度又較高，所以向熱水里通入氧氣時，表面附著大量氣泡的白磷，更容易在水表面以下和氧氣氣泡進行充分的接觸，白磷燃燒比較充分、徹底，沒有殘留。

（2）實驗中產生的污染物得到了及時有效的處理，清洗儀器也比較安全。比起默認用熱水吸收污染物降低了風險，減輕了對環(huán)境的污染。

（3）增加產生氧氣的實驗裝置A，無需事先準備氧氣。供給氧氣經濟方便，節(jié)省藥品和時間。液體藥品的加入，便于控制產生氧氣和向水中白磷通人氧氣的速度。

（4）通人一段時間的氧氣以后，裝置B中小試管里水面環(huán)境不再是空氣空間，而是成為一個純氧氣空間，使燃燒實驗得以充分進行。

（5）課前精心準備試驗，確保白磷的燃燒發(fā)生在熱水的下面，燃燒被水封閉，增加了實驗的可信度，打消了質疑。

（6）更換熱水后，如果過氧化氫有剩余（沒有則進行更換），可以在其他班級繼續(xù)使用，便于進行多次實驗。

（7）整套改進裝置功能較多（詳見后文介紹）。

（8）對培養(yǎng)學生的創(chuàng)新精神和創(chuàng)新能力起到較好的示范作用。

3.3實驗改進的整體分析

如果說“裝置改進、操作簡化、材料節(jié)約、污染降低、反應徹底”是優(yōu)點的話，那么“統籌布局，整體考慮，相互配合”則是確保水下白磷完全燃燒成為可能，也是本實驗改進的設想。

（1）裝置A在整體中的作用： A從表面看是供給氧氣的實驗裝置，實際上卻是整個裝置的“心臟”，為整套裝置提供動力支撐和壓力支撐。它除了具有前邊介紹的優(yōu)點以外，最主要的作用就是控制氧氣和白磷的接觸程度，為白磷燃燒持續(xù)供給氧氣，給B中小試管的熱水外面創(chuàng)造了一個純氧空間，通過調速保證氧氣脫離導管后和白磷接觸而引起燃燒。

（2）裝置B中大試管的作用：

大試管中裝入小試管，容納氧氣，和裝置A聯袂給小試管內的熱水上方創(chuàng)造了一個動態(tài)的穩(wěn)定的純氧空間，為保證水下白磷和氧氣接觸更充分、燃燒更徹底創(chuàng)造了-一個有利的外部環(huán)境。

（3）裝置B小試管中熱水的高度以小試管高度一半左右為宜。

本實驗中，小試管中熱水的高度以一半左右為宜，這是課前圍繞本實驗的主要目標，經過多次實驗試驗出來的。首先，本實驗必須保證，通過控制氧氣的速度，使氧氣在水面下形成氣泡后，氣泡必須脫離導管才能和白磷不斷接觸，這就使白磷的燃燒必須有一段時間明顯被水封閉成為可能，從而引起人們對水中白磷燃燒的認同（白磷的燃燒應該被水封閉，否則叫白磷在氧氣中燃燒）。其次，本實驗還應確保在白磷的量大小（綠豆粒）不變、燃燒放熱平均瞬時不變的條件下，產生的煙霧能快速推進裝置C中。要實現這些目標，在其他因素固定不變的情況下，唯有調節(jié)水的用量。經課前實驗證明，本實驗中選定的小試管，所放熱水高度以一半左右為宜。endprint

（4）裝置B中盛放白磷的試管相對要小一些。

除了與達成實驗目標有關外，試管越小，越便于把白磷控制在試管底部狹小的空間之內，當向水里面通入氧氣時，白磷即使被沖散也跑不到哪里去，仍然保持較高的概率和氧氣進行接觸；試管越小，課前試驗時越容易找到最佳水量；試管越小，籠罩在純氧空間之內時，氧氣越容易達到飽和狀態(tài)；試管越小，盛的最佳水量也越少，通入氧氣時，水面下的氧氣氣泡相對來說也就越集中。以上這些因素，保證了水面下源源不斷且又密集的氧氣氣泡和水面下的白磷能夠最大限度地進行接觸（長導管伸到小試管中接近白磷正上方的位置也是這個原因），從而保證兩者的反應更充分、更徹底，沒有殘留。

（5）裝置B的燒杯和小試管中統一加入約80℃熱水的目的：

燒杯里的大量熱水除了檢查氣密性外，主要是為了給小試管加熱和保溫，使小試管里原本就是熱水的溫度始終接近80℃并汽化。在這一前提下，小試管里的熱水除了給白磷加熱，使白磷的溫度快速達到著火點以外，還因白磷氧化放出大量的熱加上自身原來就是熱的，小試管中的水在部分白磷氧化或燃燒過程中不斷吸收熱量，快速地汽化形成很多密集的氣泡。通入的氧氣有一部分脫離導管和白磷接觸，還有一部分氧氣進入水蒸氣密集的氣泡里，包裹氧氣的水蒸氣氣泡也會不斷撞擊白磷，如此反反復復，使白磷和氧氣充分接觸并劇烈燃燒。此外，還能抑制五氧化二磷粘在B裝置內壁上，便于它以煙霧的形式隨著氧氣流進入裝置C中。

（6）氫氧化鈉溶液和酚酞試劑的作用：

實驗過程中逸散的五氧化二磷屬于酸性氧化物，有劇毒，伴隨氧氣的不斷通入，被裝置中的氫氧化鈉溶液全部吸收了，最終生成磷酸鈉，6NaOH+P₂o₅=2Na₃Po₄+3H₂o，基本消除了對自身水體和周邊環(huán)境的污染。通過酚酞溶液顏色的變化，控制中和反應的發(fā)生程度，從而判斷氫氧化鈉溶液是否完全反應以及污染物是否完全處理掉。注意氫氧化鈉溶液不要太濃，最好為O.lmol/L，酚酞溶液是飽和的，防止酚酞迅速褪為無色，避免造成干擾。

4本實驗改進裝置的多種功能

本實驗裝置只要稍加變動，就會發(fā)現該裝置具有多種功能。下面略舉幾例：

（1）B中大試管內放入適當種類的固體干燥劑。當C中加滿水時，其短管和B相連接而長管另一端伸入量筒之內，本裝置可演示氧氣、氫氣、二氧化碳（見人民教育出版社網站教材培訓）的實驗室制取、干燥、收集和測量方法。

當裝置C中不加水時，裝置C正放也可演示氣體的制取、干燥和收集；當氣體密度小于空氣時，裝置C的短管和B裝置相連即可。裝置C倒放收集氣體時，密度大的氣體從短管（與B相連）通入，密度小的氣體從長管（與B相連）通入即可。

（2）C裝置略大一些，保留長管去掉橡皮塞和短管，盛放適量氫氧化鈣溶液，可演示碳、硫、磷、鐵、蠟燭等在氧氣中燃燒的實驗。

（3）B中加入堿性干燥劑，C裝置縮小放入吸水干燥劑，C裝置外部的短管加長，可對氫氣的化學性質進行全方位的演示。

任何一個實驗的改進都不會十全十美，本改進亦是如此。但是“裝置創(chuàng)新、操作簡化、材料節(jié)約、污染降低、統籌布局、相互配合”等，應是改進實驗的整體設想。這些實驗改進理念正好和當今社會或企業(yè)發(fā)展所倡導的理念相吻合，對培養(yǎng)學生的創(chuàng)新精神以及適應社會發(fā)展的創(chuàng)新能力是十分重要的。endprint