基于質量守恒的白磷燃燒演示實驗的改進

向玉 萬青青 周青 張聰杰

摘要：人教版初中化學教材質量守恒定律一節中，紅磷燃燒實驗存在白煙逸散、管口堵塞以及不易引燃等問題。與文獻報道不同，作者通過注射器注入熱水來引燃白磷的裝置很好地改進了密閉體系中白磷燃燒實驗，而且還增加了實驗的趣味性。生成的產物五氧化二磷在密閉的環境中就得以處理，避免了空氣污染。反應前后物質的質量差僅有0.02 g，很好地詮釋了質量守恒定律。該改進實驗具有成功率高、引燃快、氣密性好、趣味性強等優點，提高了演示實驗的效果。

關鍵詞：質量守恒定律；白磷燃燒；實驗改進

文章編號：1008-0546（2022）11-0096-02

中圖分類號：G632.41

文獻標識碼：Bdoi：10.3969/j.issn.1008-0546.2022.11.022

在人民教育出版社2012年出版的九年級化學上冊教材中，第五單元課題1“質量守恒定律”設計了在密閉體系中的紅磷燃燒實驗方案，用于探究反應前后物質的質量關系。這個實驗可以讓學生從已知實驗出發，循序漸進地學習質量守恒定律。但教材中的實驗方案還存在白煙逸散、管口堵塞以及不易引燃等問題，一線教師不能得到理想的教學效果。

一、教材中紅磷燃燒實驗存在的問題

1．白煙逸散，污染空氣且引起誤差

該實驗需要在錐形瓶外加熱套在橡膠塞上的玻璃管，然后用熱玻璃管引燃錐形瓶中的紅磷。由于很難迅速塞緊錐形瓶，導致大量白煙逸散，造成空氣污染和反應前后稱量結果不相等的問題。

2．管口易被細沙堵塞

當玻璃管加熱后，需要快速將其與紅磷接觸。在這個過程中，若放紅磷處的細沙堆積過多，就容易使玻璃管下端管口被細沙堵塞，進而使得瓶內氣壓不能及時緩沖，造成橡膠塞沖出或錐形瓶炸裂的問題。

3．不易引燃，浪費課堂時間

加熱的玻璃管需要從錐形瓶外伸人瓶內，這個過程會使玻璃管溫度降低。加之該內容上課時間一般在秋冬季節，玻璃管冷卻速度就更快。而紅磷的著火點為260℃，因此不易一次引燃。若重復多次，必然影響課堂教學效果。

4．處理有毒產物存在風險

反應結束后，需要對有毒的五氧化二磷進行處理。教材設計的實驗需要先打開橡膠塞再進行處理，這會使部分五氧化二磷進入空氣中，危害實驗人員的健康以及污染環境。

二、白磷燃燒實驗改進的方案

針對白煙逸散和管口堵塞的問題，已有研究給1出了以下的一些在密閉體系中引燃紅磷或白磷等的解決方案：直接加熱裝有白磷的錐形瓶來引燃白磷[1，2]、使用電阻絲引燃紅磷[3]、使用MCH陶瓷加熱棒來引燃紅磷[4]、使用聚光燈、放大鏡聚焦熱量來引燃白磷[5，6]等。

以上方法由于隔著錐形瓶引燃紅磷（或白磷），時間都比較長。而且，實驗結束后五氧化二磷是如何處理的，文獻沒有提及。與文獻報道不同，我們通過注射器注入熱水來引燃白磷的裝置很好地改進了密閉體系中白磷燃燒實驗，又增加了實驗的趣味性。尤其是生成的產物五氧化二磷在密閉的環境中就得以處理，從而避免了空氣污染。

三、實驗過程

1．實驗器材與藥品

器材：錐形瓶（250 mL）、玻璃管、帶針頭的注射器（10 mL）、電子天平、單孔橡膠塞、氣球。

藥品：白磷、細沙、熱水。

2．實驗裝置圖

見圖1。

3．實驗步驟

（1）按照圖1連接實驗裝置，并檢查裝置的氣密性。

（2）向錐形瓶中加入適量細沙，鋪滿錐形瓶底部。取一塊綠豆大小的白磷置于錐形瓶底部，使其恰好對準注射器針頭（可以先在瓶口標記注射器的位置，再注入少量水在細沙上標記白磷的位置）。

（3）將注射器針筒取下，吸取2-3 mL熱水，再接回到針頭上，用電子天平稱量反應前物質的總質量（ml）。

（4）迅速推動注射器，用熱水引燃白磷。可觀察到白磷燃燒，產生大量白煙，氣球先變鼓后變癟。

（5）反應結束后，待裝置冷卻至室溫再次稱量物質的總質量（m2）。

4．實驗注意事項

（1）確保注射器針頭對準白磷，以此來保證熱水能與白磷接觸，進而引燃白磷。

（2）確保熱水的溫度高于白磷的著火點，溫度越接近沸水的溫度效果越好。

（3）在開始反應前，將氣球內空氣盡量排盡。

5．實驗結果

反應前后物質總質量相差0.02 g，非常接近，故可以認為反應前后質量未發生變化，重復5次實驗均成功（見圖2、圖3）。

四、實驗改進評價

1．提高了實驗的趣味性

在學生的已有認知中，水是用來滅火的。本改進實驗用熱水引燃白磷，其滴水生火的現象提高了實驗的趣味性，從而能激發學生的求知欲。同時，可以為學生學習第七單元燃燒的條件做鋪墊。

2．提高了實驗的安全性

本改進實驗保證了實驗始終在密閉體系中進行，有效避免了有毒的五氧化二磷逸散到空氣中。同時本改進實驗的玻璃管沒有細沙堵塞的問題，保證了瓶內壓強得以及時緩沖，避免了瓶塞沖出與錐形瓶炸裂的危險。

3．利于處理有毒產物

在實驗結束后，可以用注射器向錐形瓶中注水或堿液，以此來吸收五氧化二磷，保證了五氧化二磷在密閉的環境中得以處理，從而避免了空氣污染。

4．提高了課堂教學的效率

本改進實驗能將白磷一次性地、快速地引燃，成功率高，縮短了教師演示實驗的時間，提高了課堂教學的效率。

參考文獻

[1]趙紅，質量守恒定律演示實驗的改進[J]．中學化學教學參考，2003（3）：30．

[2]朱麗娜．質量守恒定律實驗改進二則[J]．教學儀器與實驗，2014，30（4）：41．

[3]何文杰．“紅磷燃燒前后質量的測定”實驗的改進[J]．實驗教學與儀器，2019，36（3）：26．

[4]莊鑫．密閉裝置中點燃紅磷的實驗改進[J]．化學教與學，2020（2）：83-84．

[5]白乙拉，劉景林，白海泉，淺談質量守恒定律實驗的改進[J]．實驗教學與儀器，2003（9）：10-11．

[6]張理達．質量守恒定律探究實驗的改進[J]．教學儀器與實驗，2006（8）：30．

*通訊聯系人，E-mail：zhouq@snnu.edu.cn