檢驗蠟燭燃燒產物能用“通氣法”嗎?

韓富軍 任新林

武漢市教育科學研究院(430070) 湖北省武漢市翠微中學(430051)

1 問題的提出

2021～2022學年度武漢市部分學校九年級調研考試物理化學綜合試卷中有一道試題(節選):

圖1 例題圖示

[例1]如圖1所示,點燃蠟燭,小心地往燭焰里插根玻璃管,使a端置于焰心處,則b端觀察到的現象是________。然后將玻璃管上移,使a端置于外焰處,在b端連接導管,插入足量澄清石灰水中,石灰水中發生反應的化學方程式為________。

通過多次實驗發現:當a端置于焰心處時,b端觀察到有白煙出現;但當a端置于外焰處,b端連接導管,將導管插入澄清石灰水中,不僅澄清石灰水沒有變渾濁,而且導管口也沒有氣泡冒出。當然,在命制這道試題時,考慮到短時間難以觀察到石灰水中的現象,只要求學生寫出石灰水中發生反應的化學方程式。但在驗證實驗中,澄清石灰水長時間不變渾濁,到底是由于導管容積有限,導出的生成物太少,還是檢驗蠟燭燃燒的產物不適合直接用“通氣法”呢?

2 文獻綜述

直接接觸法檢驗蠟燭燃燒產物是“對蠟燭及其燃燒的探究”中一個重要的探究實驗。人教版化學教材中,實驗采用在火焰上方分別罩一個干燥燒杯和內壁蘸有澄清石灰水燒杯的方法,通過觀察燒杯內出現的現象來推測蠟燭燃燒產物中是否含有水和二氧化碳。很多研究者對蠟燭燃燒產物的驗證提出了不同的改進方案,現將眾多改進方案分為以下幾類:

2.1 直接接觸法

在一個較大的密閉裝置(或接近密閉體系)內,使蠟燭燃燒,讓燃燒產物直接接觸干冷的玻璃容器(或無水硫酸銅固體)和澄清石灰水。

如熊言林[1]將蠟燭放在倒扣的燒杯中燃燒,燒杯中放置從VC銀翹片上剪下來的泡狀容器,容器中分別裝有無水硫酸銅和澄清石灰水,如圖2所示,通過觀察泡狀容器中的現象來證明蠟燭的燃燒產物;童四姐[2]用一個大鐘罩將裝有澄清石灰水的小燒杯和燃著的蠟燭罩住,通過觀察鐘罩內壁的現象和澄清石灰水的情況來證明蠟燭燃燒生成了水和二氧化碳;潘國榮[3]等研究者用大燒杯罩住裝有澄清石灰水的小燒杯和燃著的蠟燭,通過晃動燒杯底部的紙板來快速證明蠟燭的燃燒產物二氧化碳;葉紅艷[4]巧用液封集氣瓶,使蠟燭燃燒的產物直接與澄清石灰水接觸以驗證蠟燭燃燒產物;薛蕾[5]等研究者讓蠟燭在一個裝有澄清石灰水和硫酸銅試紙的密閉抽濾瓶中燃燒,用注射器連接支管口,通過注射器補入較多的空氣并形成密閉裝置,如圖3所示,以驗證蠟燭燃燒生成了水和二氧化碳。

以上實驗改進都是直接讓蠟燭在密閉容器內燃燒,密閉容器中直接放置檢驗試劑,可以更方便地檢驗蠟燭燃燒產物。

圖2 熊言林檢驗蠟燭燃燒產物實驗裝置圖

圖3 薛蕾檢驗蠟燭燃燒產物實驗裝置圖

2.2 注劑法

注劑法主要是使蠟燭在一個容器內燃燒,先通過容器內壁的水霧證明蠟燭燃燒產物中水的存在,再向容器內注入澄清石灰水,蓋緊容器口,振蕩,通過現象證明燃燒產物中二氧化碳的存在。

如張一鳴[6]等研究者將蠟燭放在一個燒杯中燃燒,用倒扣漏斗罩住燒杯,在倒扣漏斗的頸部連接注射器,當觀察到燒杯和漏斗內壁出現白霧后,通過注射器向其中注入澄清石灰水,以證明燃燒產物,如圖4所示;魏少興[7]將蠟燭放在一個盛滿氧氣的密閉集氣瓶中燃燒,觀察到集氣瓶內壁出現白霧后,通過分液漏斗向其中注入澄清石灰水,以證明燃燒產物,如圖5所示;胡巢生[8]將蠟燭放在一個集滿氧氣的集氣瓶中燃燒,觀察到集氣瓶內壁出現白霧后,向其中注入澄清石灰水,并蓋上玻璃片,以證明燃燒產物。

圖4 張一鳴檢驗蠟燭燃燒產物實驗裝置圖

圖5 魏少興檢驗蠟燭燃燒產物實驗裝置圖

值得一提的是,“注劑法”所加入的澄清石灰水是在水霧出現后加入的,檢驗二氧化碳的生成更有說服力,避免了“直接接觸法”中因石灰水受熱蒸發產生的白霧對檢驗蠟燭燃燒產物——水造成的干擾。

2.3 “罩焰”法

與教材上的演示實驗類似,“罩焰”法主要通過容器將燃燒產物初步收集起來,觀察收集容器內壁出現的水霧情況證明水的存在;然后向容器中注入澄清石灰水,通過石灰水變渾濁證明二氧化碳的存在。

如顧正燕[9]用倒扣的長頸漏斗罩住火焰,在漏斗口系上塑料袋,當觀察到塑料袋中出現水霧后,倒轉塑料袋,并向其中注入澄清石灰水,以證明蠟燭燃燒的產物水和二氧化碳;劉桂軍[10]等研究者分別在蠟燭火焰上方倒扣分液漏斗、U型管和具支試管,當觀察到容器內壁出現水霧后,倒轉容器,注入澄清石灰水,以證明燃燒產物水和二氧化碳;周建東[11]在蠟燭火焰上罩一個接有長導管的倒扣漏斗,并將長導管伸入裝有澄清石灰水的直立粗玻璃管內,如圖6所示,通過導管內產生的水霧和澄清石灰水變混濁的現象證明蠟燭燃燒的產物水和二氧化碳;胡海銘[12]和程素芳[13]在蠟燭火焰上方罩一個二球安全漏斗,向安全漏斗的其中一球中加入適量石灰水,當觀察到漏斗內有水霧出現后,將膠頭滴管伸入安全漏斗口,擠壓膠頭,以振蕩石灰水,證明蠟燭燃燒的產物水和二氧化碳;劉宇[14]在蠟燭火焰上放置一個三角架,三角架上放置一個裝澄清石灰水的回型槽,并在回型槽上放一個底部開孔的燒杯以證明燃燒的產物水和二氧化碳,如圖7所示;許麗丹[15]在蠟燭火焰上方罩一個錐形瓶,10 s后,倒轉錐形瓶,注入澄清石灰水,并在錐形瓶口塞上塞子或棉花,振蕩錐形瓶,以證明燃燒生成了二氧化碳。

圖6 周建東檢驗蠟燭燃燒產物實驗裝置圖

相較于教材上的實驗,以上實驗要么改進了用來“罩焰”的實驗儀器,要么在檢驗二氧化碳時塞上了塞子或蓋上了玻璃片,避免了二氧化碳的逸散,實驗現象更明顯。

2.4 通氣法

還有些研究者用漏斗罩在火焰上方,漏斗頸連接導管,并將生成的產物依次通過無水硫酸銅和澄清石灰水,用“通氣法”證明蠟燭燃燒產物中含有水和二氧化碳。

圖8 劉認培檢驗蠟燭燃燒產物實驗裝置圖

據文獻報道,最早用“通氣法”驗證蠟燭燃燒產物的是研究者劉認培[16],他在蠟燭燃燒火焰上方罩一個倒扣漏斗,用導管將漏斗、球形干燥管和裝有澄清石灰水的洗氣瓶連接,并在尾導管口連接抽氣機,以便燃燒產物向既定方向流動,如圖8所示;周開軍[17]在蠟燭火焰上方罩一個倒扣漏斗,然后依次連接裝有無水氯化鈷試紙的試管和裝有澄清石灰水的試管,在尾導管口連接過濾泵來調節氣體流動,如圖9所示,以證明蠟燭燃燒產物;魏銳[18]等研究者直接將導管靠近火焰上方,導管中放置硫酸銅粉末,通過多次抽動注射器具調節氣體的流動,以證明水的生成;在火焰上方罩一個玻璃容器(如玻璃注射器),依次連接裝有澄清石灰水的青霉素小瓶和注射器,多次抽動注射器調節氣體流動,以證明二氧化碳的生成,如圖10所示;徐新峰[19]在蠟燭火焰上方罩一個自制燈罩,并連接裝有澄清石灰水的具支試管和吸氣囊,觀察燈罩內壁的現象和澄清石灰水中的現象以證明蠟燭燃燒的產物;汪洋等研究者[20]在探究蠟燭燃燒產物的實驗設計中直接讓蠟燭的燃燒產物通過無水硫酸銅和澄清石灰水,見圖11,以驗證水和二氧化碳的生成。

圖9 周開軍檢驗蠟燭燃燒產物實驗裝置圖

圖10 魏銳檢驗蠟燭燃燒產物實驗裝置圖

圖11 汪洋檢驗蠟燭燃燒產物實驗裝置圖

以上改進實驗都是將蠟燭放在一個敞開的體系中燃燒,用漏斗(或其他儀器)罩在火焰上方,再依次連接檢驗裝置以檢驗蠟燭燃燒的產物。大多數研究者為了讓燃燒產物順利通過后續的檢驗試劑,采用在裝置尾端抽氣的方法,而有些研究者[20]則讓生成的受熱膨脹氣體直接通過后續的檢驗試劑。

3 驗證是否能用“通氣法”探究蠟燭燃燒產物

能直接用“通氣法”檢驗蠟燭燃燒的產物嗎?還是必須通過在裝置尾端抽氣,讓生成物被動通過檢驗試劑而達到檢驗蠟燭燃燒產物的目的呢?

按照教材上的實驗操作,驗證水蒸氣存在的實驗成功率很高;受諸多因素影響,檢驗二氧化碳氣體生成的實驗卻難以成功。下面,通過以下實驗對蠟燭燃燒是否產生二氧化碳進行驗證。

3.1 開放體系中使用直接“通氣法”

實驗儀器:朗威DISLab8.0數據采集器、壓強傳感器、計算機、膠頭滴管、漏斗、導管、膠皮管(部分夾持儀器省略)。

實驗藥品:蠟燭、澄清石灰水。

圖12 開放體系中用直接“通氣法”檢驗蠟燭燃燒產物

實驗1-1:如圖12所示,用膠頭滴管在水平導管處小心注入少量澄清石灰水,形成一小段水平液柱。點燃蠟燭后,將一個倒扣漏斗罩在火焰上方,并用膠皮管連接導管。觀察10 min,石灰水液柱在導管中的位置始終不發生移動,也未觀察到澄清石灰水變渾濁的現象。

實驗1-2:如圖13所示,在尾導管口連接壓強傳感器。打開DISLab8.0實驗軟件系統,點擊“通用軟件”,系統自動識別接入的傳感器,并顯示當前壓強,將采集設置調為0(即當前大氣壓強調整為0)。點燃蠟燭后,將倒扣漏斗罩在蠟燭火焰上方,實驗結果如圖14所示,壓強的示數始終在-0.01～0.1 KPa之間,壓強幾乎不變。

圖13 開放體系中用數字化實驗裝置檢驗直接“通氣法”時的壓強變化

圖14 開放體系中用直接“通氣法”檢驗蠟燭燃燒產物的數字化實驗結果

以上實驗說明,在一個敞開的體系中,采用“通氣法”的方式讓氣體主動導入到澄清石灰水等試劑中是不可能的。數字化實驗結果顯示:導管口壓強幾乎跟大氣壓強一致。沒有壓強差,氣體無法導入到后續裝置內。

3.2 密閉體系中使用直接“通氣法”

如果蠟燭在密閉容器中燃燒,結果又如何呢?

實驗儀器:朗威DISLab8.0數據采集器、壓強傳感器、計算機、集氣瓶、燃燒匙、導管、膠皮管、燒杯。

實驗藥品:蠟燭、澄清石灰水。

實驗2-1:按圖15所示的裝置連接儀器,導管伸入澄清石灰水液面之下。點燃蠟燭后立即塞緊橡皮塞,可以觀察到,在5 s內,導管口平均產生約10個氣泡(扣除因塞橡皮塞而產生的氣泡),后澄清石灰水馬上被倒吸入集氣瓶中,且在實驗過程中,燒杯中的澄清石灰水始終不變渾濁。可以推測,澄清石灰水中鼓出的氣泡大部分是裝置內受熱膨脹的空氣。

圖15 密閉體系中用直接“通氣法”檢驗蠟燭燃燒產物

實驗2-2:按圖16所示的裝置連接儀器,導管口連接壓強傳感器(數字化實驗的調整和設置同實驗1-2)。點燃蠟燭后立即塞緊橡皮塞,可以觀察到,只需5s的時間,導管口壓強就從最大正壓變為負壓,如圖17所示。該實驗進一步說明,要想在實驗2-1中觀察到燒杯中的澄清石灰水出現渾濁幾乎不可能,因為壓強從正壓到負壓之間的時間非常短,蠟燭燃燒產生的二氧化碳還未導入到燒杯中,就因為裝置中產生的負壓將澄清石灰水倒吸入集氣瓶中。

圖17 密閉體系內用直接“通氣法”檢驗蠟燭燃燒產物的數字化實驗結果

3.3 開放、密閉體系中分別使用被動“通氣法”

實驗儀器:漏斗、導管、膠皮管、橡皮塞、集氣瓶、洗耳球、100 mL注射器(部分夾持儀器省略)。

實驗藥品:蠟燭、澄清石灰水。

實驗3-1:按圖18所示的裝置連接儀器,導管伸入澄清石灰水液面之下。點燃蠟燭后,用洗耳球或注射器來抽氣,使氣體向右移動。可以觀察到,1 min之內,澄清石灰水就開始變渾濁。

圖18 開放體系中用被動“通氣法”檢驗蠟燭燃燒產物

實驗3-2:按圖19所示的裝置連接儀器,確保裝置氣密性良好后,在尾導管口連接洗耳球或注射器,點燃蠟燭后立即塞緊橡皮塞。通過多次實驗發現,當用洗耳球或注射器進行抽氣時,很難使氣體持續向右移動,而且即使在抽氣的情況下,石灰水也很容易倒吸入左側的集氣瓶中,難以在右側集氣瓶中觀察到石灰水變渾濁的現象。

圖19 密閉體系內用被動“通氣法”檢驗蠟燭燃燒產物

4 結論

以上實驗說明:①無論在開放體系還是密閉體系,采用直接“通氣法”都無法驗證蠟燭燃燒的產物;②在密閉體系內,采用被動“通氣法”,即在原有直接“通氣法”的裝置上安裝一個抽氣裝置,該抽氣裝置可以是洗耳球、注射器、醫用負壓引流器[21]等,無法驗證蠟燭燃燒產物;③在開放體系中,采用被動“通氣法”可以快速驗證蠟燭燃燒產物。由此可見,想用“通氣法”驗證蠟燭燃燒產物,需要使蠟燭在一個敞開的體系中燃燒,并在體系中加入抽氣裝置,這樣可以在壓強穩定的情況下使氣體向既定方向流動,以確保燃燒產物充分“通過”檢測試劑,也便于觀察實驗現象,快速得到實驗結果。