從3盞燈了解燃燒知識

小學科學實驗、中學理科實驗中的熱源，主要來自各種燈，如酒精燈、酒精噴燈、本生燈等。酒精燈的操作步驟、注意事項，大家應該已耳熟能詳，但是普通酒精燈的加熱溫度有限且不夠穩定，而初中化學的某些實驗需要高溫條件，如教材中的木炭還原氧化銅實驗就提到，“可加網罩以使火焰集中并提高溫度，最好使用酒精噴燈”。那么，酒精噴燈有什么特別之處呢？它的工作原理是什么？化學史上還有哪些著名的燈？它們的工作原理又是什么？

酒精噴燈為何比普通酒精燈更好用

酒精噴燈有酒精貯存在燈座內的座式噴燈和酒精貯罐掛于高處的掛式噴燈兩種，實驗室常見的是座式噴燈。座式酒精噴燈主要由酒精入口（壺嘴）、預熱盤、預熱管、噴管、空氣調節桿等組成。預熱管與噴管焊在一起，中間有一細管相通，使蒸發的酒精蒸汽從噴嘴噴出，在噴管燃燒。通過空氣調節桿，可以控制火焰的大小。

使用座式酒精噴燈時，要注意酒精應加至壺體總容量的2/5～2/3，不能過少，也不得注滿。向預熱盤中注入約2/3 容量的酒精并將其點燃，待預熱管內酒精受熱汽化并從噴管噴出時，預熱盤內燃著的火焰就會將噴出的酒精蒸汽點燃，有時也需要用火柴點燃。停止使用時，用陶土網或木板平壓覆蓋噴管口即可熄滅燈焰。

根據使用方法，我們可推測酒精噴燈的工作原理。預熱盤內的酒精先燃燒產生熱量，使預熱管內沿燈芯上升的酒精大量汽化，并在噴管內同空氣混合，此時預熱盤上的火焰也會點燃酒精蒸汽（有時需要用火柴點燃）；由于酒精噴燈的導熱性能（這也是酒精噴燈之所以用銅制的原因之一），一旦其被點燃，噴管口火焰的溫度足以維持酒精源源不斷地汽化并通過噴嘴進入噴管。用中學化學所學知識來解釋酒精汽化的過程，就是底座內的酒精受熱，分子運動加劇，分子間間隔變大；噴管內酒精蒸汽之所以能夠燃燒，是因為滿足了燃燒的3 個條件：可燃物、氧氣、溫度達到可燃物的著火點。

酒精噴燈和普通酒精燈均利用酒精蒸汽的燃燒作熱源，為何酒精噴燈能達到的溫度比普通酒精燈的高得多？很大原因在于酒精噴燈利用噴管將酒精蒸汽及其燃燒產生的熱量富集，并可通過空氣和燃料的比例獲得最大的燃燒和加熱效率。而普通酒精燈燃燒產生的熱量，大多隨火焰周圍氣流的對流耗散了，所以普通酒精燈的溫度雖然也有達到800℃的情況，但是一般來說，其加熱要溫和得多。

本生燈為何能調節火焰大小

本生燈由德國化學家本生在煤氣燈的基礎上改進而來。

1852 年，德國海德堡大學向本生發出了一封聘請信，打算聘請他為化學教授。本生接信前往，然而當他考察了學校的實驗室后，發現實驗室的很多方面已經遠遠趕不上當時化學的發展了。于是，本生向學校提出，他要根據自己的設計建造新的化學實驗室，否則就離開。學校同意了。在建造化學實驗室的過程中，本生就需要面對一個重大問題：現有儀器和實驗需求不同步，尤其在加熱方面。

那時，德國的一些城市已經開始普及煤氣路燈，本生從這一點得到啟發，設計了利用煤氣加熱的燈具。可惜新燈具的黑煙大、效率低，這讓本生的燈具改良陷入了僵局。就在這時，本生的一個學生從英國帶回了法拉第發明的新燈具。這種燈具呈圓錐形，能上下移動，頂部有個金屬網。但是，本生試了后發現，這種燈的火焰依舊較小，溫度低、不穩定，而且火焰大小難以調節。

經過思考，本生發現了這一系列問題的癥結所在：這種燈同酒精燈一樣，都是靠外部供給空氣燃燒，但是由于煤氣與空氣接觸的時間短，混合不充分，燃燒不完全，溫度上不去，黑煙也就滾滾而來了。所以，要想火焰燃燒旺、黑煙少，就一定要在點燃之前將氣體充分混合。這一想法與我們所學知識不謀而合。要使燃料充分燃燒，通常需要考慮兩點：一是燃燒時要有足夠的空氣，二是燃料與空氣要有足夠大的接觸面積。

這種想法得到了學校同事彼得·迪斯德加的認同，他將本生的想法變成了現實。經過一次次的試用和改進，1855年，本生燈誕生了。它可以安全地燃燒氣體燃料，煤氣或者石油氣火焰不會倒流進氣體供應管內。當空氣與煤氣的進氣量為3：1時，火焰最佳，火焰溫度最高可達1 000℃以上，旋轉燈管或者下部的螺絲可以調節進氣量以控制火焰大小。

本生燈的火焰分為3層：內層由水蒸氣、一氧化碳、二氧化碳和氮氧混合物等構成，溫度約為300℃，稱為“焰心”；中層的煤氣開始燃燒，但是燃燒不完全，火焰呈淡藍色，溫度約為500℃，稱為“還原焰”；外層煤氣燃燒完全，火焰呈淡紫色，溫度可達800～900℃，稱為“氧化焰”，此處的溫度最高，故加熱時利用氧化焰。因本生燈的燃燒效率高，產生污染小，多用于實驗室中。

戴維燈為何能在礦井中安全燃燒

19世紀，英國的煤炭工業蓬勃發展，全國各地都在開發煤礦，但是煤礦經常發生爆炸事故，礦工的生命沒有保障。礦井為什么會爆炸呢？原來，在礦井中彌漫著一種叫作“甲烷”（俗稱“瓦斯”）的氣體，它有可燃性。通過中學化學學習可知，可燃物在有限的空間內急劇地燃燒，就會在短時間內聚積大量的熱，使氣體的體積迅速膨脹而引起爆炸。可是，在伸手不見五指的礦井里，不點燈照明的話，怎么挖煤呢？

英國成立了一個專門研究煤礦生產事故的協會，號召科學家為礦工的生命安全作貢獻。科學家戴維立即投入了這項新的課題研究。

戴維先到礦井進行實地考察。他察看了礦井的形狀、大小、通風等情況，又找礦工了解了瓦斯爆炸的原因。十幾天的調查，使戴維確認了爆炸的原因。同時，礦工介紹的瓦斯爆炸時的悲慘情景以及他們的強烈愿望，更堅定了戴維發明一種安全燈的決心。

怎樣才能使燈不會點燃瓦斯呢？戴維首先想到：把燈與周圍完全隔離開。這樣自然不會發生爆炸事故，可是燈也點不著了，因為燃燒需要氧氣。那么，必須設計一種空氣能進去的燈罩。戴維又想到：銅、鐵等金屬的導熱性很好，它們能夠將熱很快地從一處傳到另一處，如果在燈的外面裝一個金屬網罩，這樣火焰燃燒的熱量不斷地被傳導、散發掉，罩子與外界接觸面的溫度就不會很高，低于瓦斯的著火點，瓦斯也就燒不著了。想到這里，戴維連忙找來一張鐵絲網，用它制成一個圓筒形的燈罩。戴維將燈罩裝在燈的外面，將少量瓦斯噴到燈罩上，結果瓦斯沒有燃燒起來。接著，戴維又逐漸加大噴出的瓦斯的量，以至燈罩邊緣的瓦斯濃度超過礦井中瓦斯的最大濃度，瓦斯依然沒有被點著。

一種新型的礦井用燈誕生了！在它走出實驗室前，戴維決定親自帶著它下礦井試驗。他的想法遭到好友華德生的反對。華德生說：“您是大科學家，是‘國寶’，不能這么干，太危險了。再說，我是醫生，處理應急事件的能力比您強，還是讓我來吧！”華德生舉著燈，健步走進礦井。礦井上圍觀的人們都懷著忐忑不安的心情等待著。漫長的20 多分鐘過去了，華德生微笑著從礦井里走出來。圍觀的人們熱烈歡呼：“戴維發明的燈真不簡單！”后來，人們就把這種燈稱為“戴維燈”，它的發明不僅拯救了無數礦工的生命，而且促進了英國煤礦工業的大發展。

那么，戴維燈所蘊含的化學道理是什么呢？還是燃燒的3 個條件——可燃物、氧氣、溫度達到可燃物的著火點。戴維燈就是利用了金屬良好的導熱性，使得熱量不斷散發，溫度達不到瓦斯的著火點，瓦斯就無法燃燒了。小學科學中“燒不著的紙船”也是這個道理，紙船中的水不斷吸收熱量，紙船的溫度始終達不到紙的著火點，紙船也就無法燃燒了。

戴維燈在世界上使用了100 多年，直到20 世紀30 年代才被電池燈替代。戴維拒絕為自己的發明申請專利，他說他的“唯一目的是為人道事業服務”。

（責任編輯：白玉磊）