傾倒二氧化碳滅火實驗需排除“煙囪效應”的干擾

魏海 李德前 周梅華

摘要： 現行初中化學（或科學）教科書及學術期刊中編排設計的“二氧化碳滅火”實驗，在傾倒（或通入）二氧化碳氣體時沒有排除“煙囪效應”的干擾，難以準確得出“二氧化碳氣體密度比空氣大”的實驗結論。新設計的“傾倒二氧化碳滅火”實驗避免了在傾倒二氧化碳氣體時的熱差作用，確保了實驗結果的科學性與嚴謹性。

關鍵詞： 傾倒二氧化碳; 滅火實驗; 煙囪效應; 實驗改進

文章編號： 1005-6629（2019）11-0063-04? ? ? ? ? ? 中圖分類號： G633.8? ? ? ? ? ? 文獻標識碼： B

1? 問題的提出

“傾倒二氧化碳滅火”是初中化學（或科學）教科書中的經典實驗，由于空間不大的燒杯內點燃兩支蠟燭，大量上升的熱氣流容易沖散傾倒下來的二氧化碳氣體，造成實驗不能出現“標準預設現象”。針對這一疑難情況，很多化學教育工作者對此實驗進行了改進和優化。

我們發現，教科書中編排的“二氧化碳滅火”實驗以及學術期刊中刊載的有關改進實驗，在傾倒二氧化碳氣體時還存在“煙囪效應”的干擾（對二氧化碳氣流下降形成拔風作用）。根據重力場中氣態物質的運動特點判斷[1，2]，這樣設計的二氧化碳滅火實驗不能充分說明二氧化碳氣體的密度比空氣大（但仍能說明二氧化碳具有不燃燒、不支持燃燒的性質）。

2? 文獻中有關二氧化碳滅火實驗的設計

2.1? 教科書中二氧化碳滅火實驗的設計

現行多個版本的初中化學（或科學）教科書中編排的這個實驗，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的底部（一般在燒杯尖嘴的對面，下同），從燒杯的尖嘴處沿燒杯內壁將二氧化碳氣體緩慢倒入燒杯中進行滅火，如現行人教版九年級化學教科書中編排的“傾倒二氧化碳”實驗[3]（裝置見圖1）。

（2） 將一支蠟燭置于燒杯一側的底部，從燒杯的尖嘴處沿燒杯內壁將二氧化碳氣體緩慢倒入燒杯中進行滅火，如現行浙科版八年級科學教科書中編排的“二氧化碳滅火”實驗[4]（裝置見圖2）。

圖1? 人教版九年級化學教科書中“

傾倒二氧化碳”實驗

圖2? 浙科版八年級科學教科書中

“二氧化碳滅火”實驗

（3） 高低不同的兩支蠟燭位于燒杯一側的底部，在燒杯的中上部懸空放置一塊玻璃隔板，從燒杯的尖嘴處沿燒杯內壁把二氧化碳氣體緩慢倒入燒杯中，如現行滬教版九年級化學教科書中編排的“把二氧化碳氣體慢慢倒入燃有蠟燭的燒杯中”實驗[5]、現行仁愛版九年級化學教科書中編排的“傾倒二氧化碳”實驗[6]（裝置見圖3）。

圖3? 滬教版、仁愛版九年級化學教科書中“傾倒二氧化碳”實驗

（4） 高低不同的兩支蠟燭位于燒杯一側的底部，在蠟燭對面的燒杯一側放置一個喇叭形紙筒，通過喇叭形紙筒將二氧化碳氣體向燒杯中傾倒，如現行粵教版九年級化學教科書中編排的“傾倒二氧化碳滅火”實驗[7]（裝置見圖4）。

圖4? 粵教版九年級化學教科書中“傾倒二氧化碳滅火”實驗

2.2? 學術期刊中二氧化碳滅火實驗的改進方案

學術期刊中刊載的涉及二氧化碳滅火改進實驗的有很多方案，但與本研究有關的主要是以下三種。

（1） 在燒杯中間放一塊底部懸空（或底部有缺口）的隔板，在隔板的一側放置蠟燭，從隔板的另一側傾倒二氧化碳氣體[8～10]，實驗裝置見圖5。

圖5? 在燒杯中間增加隔板進行

二氧化碳滅火實驗

（2） 在燒杯一側的底部放置蠟燭，在蠟燭對面的燒杯一側放置短頸漏斗（或自制的簡易漏斗、變形漏斗），將二氧化碳氣體倒入漏斗進行熄滅蠟燭實驗[11～14]，實驗裝置見圖6。

圖6? 借助漏斗在燒杯中進行二氧化碳滅火實驗

（3） 在燒杯一側的底部放置蠟燭，從蠟燭對面的燒杯一側直接將二氧化碳氣體通入燒杯內進行滅火[15～18]，實驗裝置見圖7。

圖7? 直接將二氧化碳氣體通入

燒杯內進行滅火實驗

3? 煙囪效應對二氧化碳滅火實驗的干擾

豎向的流通空間出現了溫度差，形成的熱壓作用就會增強空氣對流，這種熱壓作用產生的通風效應又稱為“煙囪效應”[19]。據測試，溫差在1.7℃時就會產生煙囪效應。

3.1? 理論分析

上述二氧化碳滅火實驗都是在燒杯內進行的，燒杯內部為豎向通道，燃燒物蠟燭位于一個區域（在燒杯的一側），滅火劑二氧化碳位于另一個區域（在燒杯的另一側）。當蠟燭被點燃后，兩個區域存在一定的溫度差（且溫差越大拔風效應越強），形成的熱壓作用就會促進二氧化碳氣體下沉。而二氧化碳氣體在空氣中能夠大量地自然下沉，是該實驗說明二氧化碳氣體密度比空氣大的最有力的證據[20]。

3.2? 實驗驗證

我們設計了下面的兩個簡單實驗，以驗證上述二氧化碳滅火實驗中是否存在煙囪效應。

（1） 在空氣中點燃一段線香，發現白煙緩緩上升，說明白煙的平均密度比空氣小。然后點燃圖1裝置中的蠟燭，再將燃著的線香放入燒杯尖嘴處，發現白煙被吸入燒杯內，并很快向下飄蕩，然后再從燒杯另一側冉冉升起（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的存在，也說明如果傾倒的是密度比空氣小的氮氣或氨氣也可能使燭火自下而上地熄滅[21]。

（2） 利用溫度傳感器，分別測試圖1、圖5裝置中蠟燭燃燒區域正上方及二氧化碳傾倒處的溫度，發現蠟燭燃燒區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行實驗時溫差更大，這就證明了煙囪效應的存在。

4? 對二氧化碳滅火實驗的再改進

我們的改進思路： （1）保留原實驗設計中“傾倒二氧化碳氣體”的操作，因為該操作不僅說明“二氧化碳氣體可以像液體那樣傾倒”，也是驗證“二氧化碳氣體密度比空氣大”的必要操作。（2）在“傾倒二氧化碳氣體時”要排除煙囪效應的干擾，確保二氧化碳氣體自然下沉。

4.1? 改進方案Ⅰ

（1） 按圖9-A組裝好實驗裝置[22]，確保硬紙板能將大燒杯兩側嚴嚴實實地隔開;點燃蠟燭后，立即將一瓶（用250mL集氣瓶盛裝）二氧化碳氣體緩緩倒入大燒杯內沒有蠟燭的一側。然后，將硬紙板從細沙中輕輕提起，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） 上述實驗的現象說明，從燒杯口傾倒二氧化碳氣體后，二氧化碳能很快大量地自然下沉，聚集在燒杯一側的底部，可知二氧化碳氣體的密度比空氣大。將硬紙板提起后蠟燭火焰依次熄滅，說明二氧化碳氣體具有不燃燒、不支持燃燒的性質。

圖9? 傾倒二氧化碳氣體滅火的改進實驗裝置Ⅰ

4.2? 改進方案Ⅱ

（1） 按圖10-A組裝好實驗裝置，確保無底塑料瓶的瓶口完全插入細沙中且不漏氣。點燃蠟燭后，立即將一瓶（用250mL集氣瓶盛裝）二氧化碳氣體緩緩倒入無底塑料瓶內，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? 傾倒二氧化碳氣體滅火的改進實驗裝置Ⅱ

（2） 根據上述實驗現象可知，二氧化碳氣體倒入無底塑料瓶后，能很快大量地自然下沉，聚集在無底塑料瓶底部，說明二氧化碳氣體的密度大于空氣。將無底塑料瓶提起后蠟燭火焰依次熄滅，說明二氧化碳氣體具有不燃燒、不支持燃燒的性質。

需要說明的是，在上述兩個改進方案中，蠟燭的多少、高低及熄滅的先后，僅僅是為了增加實驗的趣味性，尤其是燭火熄滅的先后，對滅火氣體密度比空氣大還是小，已沒有直接的印證關系。

總之，進行二氧化碳滅火實驗，必須保留“傾倒二氧化碳氣體”的實驗操作，并且在“傾倒二氧化碳氣體”時也必須要排除煙囪效應的干擾。

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