“水中白磷燃燒”實驗的再改進

周良建 陳勇 蔣明會 丁玲

摘要： 對已有的“水中白磷燃燒”實驗進行歸類、分析，結合當前中學化學實驗的實際，對該實驗進行再改進。改進后的實驗具有裝置簡練、便于攜帶、操作便捷、現象明顯、材料節省、綠色環保、安全可靠、拓展性強等優點。

關鍵詞： 水中白磷燃燒; 裝置優化; 實驗改進; V形玻管

文章編號： 10056629（2022）01006104

中圖分類號： G633.8

文獻標識碼： B

1 問題及概述

“熱水中白磷燃燒”實驗（見圖1）是人教版九年級化學上冊第七單元課題1中的演示實驗[1]。針對該實驗裝置存在的問題，眾多學者與一線教師對其進行了一系列改進。對已有的改進實驗進行分析后發現，雖各具一些優點，但也存在許多不足之處。

以錢勝[2]、郭強[3]、張艷琴[4]為代表的“簡易型”裝置（如圖2所示）所用器材易得，操作簡便，白磷燃燒現象明顯。但實驗過程中產生的白煙不能被有效吸收處理，對人體和環境產生一定影響。同時，部分實驗白磷用量較多，不能完全反應，易產生大量白磷碎屑，不便于處理和回收再利用。

以錢勝[5]、郭強[6]、譚文生[7]、劉信友[8]等為代表的“環保Ⅰ型”裝置（如圖3所示）由于本身為封閉系統，能防止白磷燃燒后產生的白煙外逸，利用裝置內的熱水還能吸收白煙，能減少實驗對環境的影響。該類裝置還可供學生分組實驗，有利于培養學生的動手能力和觀察能力。但這類裝置使用時，需課前預先裝入氧氣、白磷和熱水，為防止水溫下降影響實驗結果，裝好試劑后必須盡快進行實驗。

以吳國權[9]、周來友[10]等為代表的“環保Ⅱ型”裝置（如圖4所示）能快速便捷地提供氧氣，通過控制氧氣與白磷的接觸與分離，可反復呈現水中白磷燃燒與熄滅的現象，對反應后產生的白煙也進行了吸收處理。但這類裝置部分設計結構復雜，不能快速組裝、拆卸與搬運，不便于多個班級連續授課使用。

2 裝置的優化與改進

通過對上述已有改進實驗的分析與比較，在吸取這類實驗優點的基礎上，本研究小組對其進行了整合式優化與再改進，從而制作出如圖5所示的改進裝置。

2.1 實驗用品

碎屑狀白磷、氧氣袋、細沙、50mL小燒杯、6mm內徑V形管、膠皮管、小氣球、醫用棉簽、紙巾、50mL醫用注射器、溫度計（100℃）、盛有開水的保溫杯、小刀

2.2 制作方法

（1） 用實驗室常見的6mm內徑玻璃管加熱制成V形管，并在V形管中裝入少量細沙蓋住底部。再將紙巾呈螺旋狀包裹在醫用棉簽小木棒上，制成柱徑為4～5mm的圓柱形螺旋紙棒（以下簡稱“紙棒”），將紙棒從玻璃管一側插入至V形管底部并用水潤濕。同時，在該側玻璃管口套上一個小氣球。從V形管另一側放入少許白磷碎屑，用少量水送至V形管底部，并連接好膠皮管放入小燒杯中備用。

（2） 用50mL注射器收集氧氣，作為向V形管中注入氧氣的供氣裝置。

2.3 制作原理

（1） 6mm玻璃管內徑小，利于給管內白磷快速加熱，同時也便于通入的氧氣與白磷充分接觸。制成V形管后，管口兩端高，中間低，有助于白磷在V形管底部的水中貯存。實驗時，當停止通入氧氣，管內水快速流回浸沒白磷使其熄滅。

（2） 細沙可使液態白磷附著在其表面，阻止白磷隨水流動。

（3） “無針尖注射頭”可有效控制實驗過程中的氧氣流速，防止氧氣流速過快造成液態白磷從玻璃管中溢出。

（4） “紙棒”與玻璃管內壁的縫隙呈螺旋上升狀，可使實驗中產生的白煙被水充分吸收，末端氣球的使用能防止未吸收完的少量白煙污染環境。

（5） 實驗結束后，轉動小木棒可帶動“紙棒”旋轉，既能清洗玻璃管內壁，也方便將“紙棒”從玻璃管中取出。

（6） 用注射器代替供氣裝置，氧氣不易流失，方便攜帶與貯存，且便于實驗時控制氧氣流速。

2.4 操作方法及現象

將V形管上的膠皮管與裝有氧氣的注射器連接，向裝有冷水和白磷的V形管中通入氧氣，可觀察到冷水中白磷不燃燒。向小燒杯中倒入約80℃的熱水，將V形管底部裝有白磷的部分浸沒在熱水中。待白磷熔化后，可觀察到液態的白磷附著在細沙表面，緩慢推動注射器活塞，當通入氧氣與白磷充分接觸時，白磷即被點燃并持續燃燒。當停止通入氧氣，V形管中的水流回浸沒白磷，白磷立即熄滅。

2.5 操作注意事項

（1） “紙棒”直徑在4～5mm之間為宜，且不宜塞得太緊，以便“紙棒”潤濕后玻璃管內的氣體能夠流通。

（2） 玻璃管內細沙不宜太多，熱水以80℃左右為宜。既能確保玻璃管受熱均勻，又便于吸收白磷燃燒后產生的熱量。

（3） 玻璃管中碎屑狀白磷顆粒直徑應小于2mm。向玻璃管中注入氧氣時，每次燃燒持續4～5s暫停注入氧氣，防止因白磷燃燒過于劇烈而使玻璃管炸裂。

3 改進裝置的優點

3.1 攜帶方便，便于演示和存放

改進優化后的裝置所用儀器少，不僅方便教師在講臺上進行實驗演示，還便于教師在臺下手持裝置移動演示，讓學生能近距離觀察實驗現象。在裝置內氧氣和白磷未用完的情況下，將注射器與膠皮管分離開可暫時存放，方便多個班級連續授課，而不影響實驗結果。

在對注射器中氧氣的貯存時間與白磷燃燒現象的有關研究發現（見表1），室溫15℃時，注射器中50mL氧氣在8小時以內使用，白磷均能正常燃燒，不會對實驗現象產生影響。

3.2 操作便捷，現象明顯可控

課堂演示時，由于藥品已提前裝入該裝置中，教師只需通過“連裝置→推活塞→倒熱水→推活塞”的簡單四步操作，即可讓學生觀察到通入氧氣時冷水中白磷不燃燒，而熱水中白磷燃燒的現象。若在推動活塞過程中暫時停頓，還可觀察到熱水中白磷燃燒與熄滅交替出現的有趣現象。若實驗中發現氧氣不足，可將注射器取下，將注射器與制取氧氣的發生裝置或氧氣袋導管連接，只需5秒即可快速收集50mL氧氣。改進裝置具有隨取隨用、操作便捷、現象可控、成功率高的特點。利用本裝置在我校30個教學班級進行課堂演示實驗，成功率達到100%。

3.3 節約環保，廢料易于處理

改進后的實驗裝置，氧氣和白磷用量明顯減少。利用試劑瓶內的少量白磷碎屑即可完成實驗演示。同時，實驗中產生的廢料也易于處理并再利用，對環境和人體不構成任何影響。當實驗完畢，玻璃管中若殘留有少量白磷，可繼續通入氧氣使之完全反應。玻璃管中的廢液用適量的稀氨水進行中和處理，可用作盆栽營養液，真正做到環保節約和廢物利用。

在對白磷用量與燃燒現象可持續時間的研究中發現（見表2），直徑約為2mm（1/2粒綠豆大小）的白磷顆粒，結合50mL氧氣使用，在保證每次燃燒現象持續5s的情況下，可供三個教學班級連續兩次課堂演示，而不需要添加任何藥品。

3.4 分組實驗，拓展學習途徑

本實驗裝置具有良好的安全性，不單可用于教師課堂演示實驗，還可用于學生分組實驗以及課外拓展實驗。在學生對該裝置與燃燒條件已有認知的基礎上，可拓展用于課后延時服務活動中，讓化學興趣小組的學生對該裝置及藥品進行適當改進，設計其他實驗方案進一步驗證燃燒需要的可燃物以及可燃物的著火點溫度。這樣不僅激發學生的學習熱情，拓展學生的思維，更能促進學生科學探究與創新意識的化學學科核心素養的養成。

參考文獻：

[1]人民教育出版社編著. 義務教育課程標準實驗教科書·化學（九年級上冊）[M]. 北京： 人民教育出版社， 2012： 129.

[2][5]錢勝， 馮紅霞. 對“白磷在水下燃燒實驗”的多種改進[J]. 化學教學， 2011， （3）： 38～39.

[3][6]郭強， 支維洲， 楊嶸， 趙越. “白磷在水下燃燒實驗”的再改進[J]. 化學教學， 2011， （11）： 39～40.

[4]張艷琴， 史祥利. 探究“燃燒的條件”實驗改進[J]. 濰坊教育學院學報， 2012， 25（4）： 93～94.

[7]譚文生. 對“白磷在水下燃燒實驗”的趣味性設計[J]. 化學教學， 2011， （12）： 42.

[8]劉信友. “白磷在水下燃燒實驗”的微量化設計[J]. 化學教學， 2015， （3）： 54.

[9]吳國權. 白磷水下燃燒演示實驗的再研究[J]. 化學教育， 2013， 34（3）： 58～59.

[10]周來友. 白磷在水中燃燒實驗的再改進[J]. 化學教學， 2017， （8）： 68～72.