蠟燭燃燒探究實驗背后的故事

□文/無錫市南長實驗中學 耿雁冰

供圖/視覺中國

翻開人教版九年級化學教材，同學們在第一單元就會接觸到一個關于蠟燭的實驗：對蠟燭及其燃燒的探究。這個實驗的主要目的，是讓同學們體會化學探究學習的特點以及關注點，如關注物質的性質、關注物質的變化、關注物質變化的過程以及對結果的解釋和討論。但是在實驗之后，同學們會產生許多問題，以下問題出現的頻率相對較高。

蠟燭里面為什么要放一根棉線？點燃蠟燭時，為什么要先點燃棉線？棉線的作用是什么？能否用其他材料代替棉線？蠟燭燃燒時，是棉線在燃燒還是石蠟在燃燒，還是二者都在燃燒？石蠟燃燒的是固體、液體還是石蠟蒸汽？既然石蠟可以燃燒，為什么用火柴能夠點燃棉線卻點不著石蠟？蠟燭燃燒時，為什么會有半透明的液體流下來？這液體又是什么？為什么液體過一會兒又會凝結在燭身上？火焰的3 層（焰心、內焰、外焰）為什么會呈現不同的顏色？蠟燭燃燒和酒精燃燒的火焰一樣都是3 層嗎？用燒杯收集蠟燭燃燒的產物時，為什么燒杯壁變黑了？蠟燭熄滅后產生的白煙是什么，是石蠟蒸汽凝結成的固體嗎？為什么這種白煙能直接點燃而石蠟卻不能直接點燃？為什么蠟燭一經點燃就能持續燃燒？蠟燭的火焰為什么會閃爍搖晃？為什么火焰外部明亮、里邊暗？火到底是怎么回事，是一種物質嗎？火焰為什么是那樣的形狀？

要解決以上問題，我們就需要去了解一個人、一個講座與一本書。

一位著名科學家：法拉第

邁克爾·法拉第（1791 年9 月22 日—1867 年8 月25 日）出生于英國一個貧苦的鐵匠家庭，卻是英國著名的自學成才的物理學家、化學家。

邁克爾·法拉第

作為一名科學家，法拉第的成就是多方面的。在物理學領域，他的發現奠定了電磁學的基礎。1831 年10 月17 日，法拉第首次發現電磁感應現象，進而得到產生交流電的方法。隨后，他又發明了圓盤發電機，這是人類創造出的第一個發電機。由于在電磁學方面作出了偉大貢獻，法拉第被稱為“電學之父”和“交流電之父”。

同時，法拉第在化學領域也是成就斐然。他最早的化學成果，出自擔任英國著名化學家漢弗里·戴維的助手時期。1819年，他研究了不銹鋼與合金；1820 年，他合成了二氯乙烷和六氯乙烷；1821 年，他研究了氣體液化問題，成功將二氧化碳、二氧化硫、氨氣、三氧化二氮等氣體液化；1825 年，他發現了芳香族化合物的母體——苯；1826 年，他研究了天然橡膠的成分，初步確定它的實驗式是5 個碳原子和大約8 個氫原子；1833 年，經過一系列的實驗，他發現當把電流作用在氯化鈉的水溶液時，能夠獲得氯氣……

為了便于科學研究，法拉第還研制了不少儀器裝置。例如，為了進行光學實驗，他制造出多種新型的玻璃。其中一塊樣品還在科學史上占有一席之地，因為當他將此玻璃放入磁場中時，他發現了極化光平面受磁力造成偏轉及被磁力排斥。他甚至發明了一種加熱工具，這種工具在科學實驗室里被廣為采用，作為熱能的來源，它就是本生燈的前身。

圣誕科學講座

一個科普講座：圣誕科學講座

最早的有組織的科普活動，可以追溯至英國大不列顛皇家研究院在每年圣誕節期間舉辦的圣誕科學講座，這一講座就是由邁克爾·法拉第于1825 年發起的，已有近200 年的歷史，其間只因第二次世界大戰中斷了4 年。在英國倫敦，圣誕節除了意味著享受圣誕大餐、裝飾圣誕樹、廣收圣誕禮物，孩子們還要參加這項爸爸媽媽、爺爺奶奶甚至曾祖父母小時候都參與過的歷史悠久的活動。

圣誕科學講座每年都有一個主題，主題以自然科學為主。活動期間，主辦方都要安排科學家就某一科學領域進行連續數日的講座。除了法拉第，卡爾·薩根、理查德·道金斯等著名科學家都曾去演講過，他們以寓教于樂的方式向少年兒童傳播科學知識，目的是使少年兒童感受科學的無窮樂趣，喚起少年兒童對科學的熱愛。

因為聽眾主要是少年兒童這一特殊群體，歷代演講者都盡量用淺顯易懂的語言來表述他們早已習用的專業詞語，并配合現場實驗、大量圖片、實物例證等，佐以手勢和笑容，力圖營造出更活潑的氛圍，以形象生動的方式講述科學知識。

英文版《蠟燭的故事》

一部科普名著：《蠟燭的故事》

作為圣誕科學講座的首創者，法拉第堅持連續演講19 年，其名作《蠟燭的故事》就是他堅持舉辦講座的結晶。在演講里，法拉第通過一系列的實驗展示，抽絲剝繭，由表及里，層層深入地將蠟燭燃燒的各種化學原理詳細介紹給觀眾。其中所體現的科學思維和科學方法，歷久彌新，依然適用于現今的基礎科學教育。這本書在英國已印刷了200 余版，并被翻譯成數十種語言，可以說是一本暢銷全球、具有強大生命力的科普書。

《蠟燭的故事》到底講了什么？它又與我們的初中化學有什么關系呢？在這本書中，法拉第從蠟燭的制造談起，圍繞蠟燭燃燒時經歷的物理、化學過程，詳盡介紹了氫氣、氧氣、氮氣、水、空氣、碳、二氧化碳這些“身邊的化學物質”，而且處處采用生動具體而又貼近生活的有趣實驗事實來說明。

除了具體的化學知識、精彩的實驗，法拉第還在書中給我們展示了化學研究、學習的多種方法，這些方法將給我們以后的學習帶來啟發。

對比法

法拉第在關于蠟燭的講座中，處處使用了對比研究的方法。為了說明燭杯的形成是由于蠟燭四周受到了非常均勻的上升氣流的影響，法拉第在蠟燭的一邊微微吹動燭火，結果杯口發生了傾斜破裂；要證明使火焰變得明亮的原因是火焰里的固體物質發光，他先在含碳物質燃燒的火焰里加入石灰、白金絲前后對比，又在不含碳的氫氧焰里加入石灰、白金絲前后進行對比，充分證明了固體物質本身無論是否可燃，只要它在燃燒中保持固體狀態，便會使火焰明亮；為了說明水變成水蒸氣后體積的變化情況，他為觀眾呈現了兩個大小懸殊的立方體，既形象又直觀；為了說明氫氣比空氣輕而二氧化碳比空氣重，他在空氣中吹氫氣肥皂泡、在二氧化碳氣體中吹空氣肥皂泡反復對比，現象既明顯又有趣。另外，他還將可燃物在空氣和氧氣中的燃燒進行對比，將一氧化氮在純氧和空氣中的顏色變化進行對比……諸如此類，不勝枚舉。對比實驗給在場觀眾帶來強烈的視覺沖擊，有力地說明了法拉第想要說明的問題。

閱讀《蠟燭的故事》對化學學習很有幫助 供圖/視覺中國

類比法

在講座的最后，法拉第將人體的呼吸作用類比為蠟燭的燃燒。人們呼出的氣體能夠使燃著的蠟燭熄滅，能夠使石灰水渾濁，說明人呼出的氣體和蠟燭燃燒產生的氣體中都含有二氧化碳。人吸入的氣體為空氣，空氣中含有能支持蠟燭燃燒的氧氣。可是，人呼出的氣體卻不能再幫助蠟燭燃燒，說明其中的氧氣含量大大減少，也就是人吸入的氧氣在體內被消耗了，好比蠟燭燃燒要消耗氧氣一樣。在人體呼吸作用過程中，食物就是人體內部的“燃料”，與吸入的氧氣發生作用，生成二氧化碳，同時放出供人體活動的熱量，就好比蠟燭燃燒放熱一樣。

分析歸納法

法拉第提出一個問題之后，往往不是直接告訴觀眾答案，而是通過大量的實驗演示，帶著觀眾一步步地觀察和分析，經過推理論證，最后才歸納出結論。為了說明光與焰產生的原因，經過大量實驗之后，他進行了分析歸納：氣體燃燒或在此過程中能夠產生氣體的可燃物燃燒才產生火焰，而熔點高、不能產生氣體的固體，無論溫度多高，在燃燒過程中只能發光。一切明亮的火焰中，都含有固體顆粒。一切既能燃燒又可以產生固體微粒的物質，不論其固體微粒的產生是在燃燒過程中（比如蠟燭） 還是緊接在燃燒之后（比如火藥、鐵粉），都能發出燦爛美麗的光芒。

看似簡單的實驗，看上去薄薄的一本書，其實博大精深。希望同學們在剛接觸九年級化學時，就去讀一讀《蠟燭的故事》，我們可以在問題的驅動下，隨著作者一步步抽絲剝繭，使問題逐個得到解決。同學們在實驗中提出的許多問題，幾乎都可以在這本書中找到滿意的答案。