蜡烛燃烧实验的新设计

      一、问题的提出

      蜡烛燃烧与学生的生活联系十分紧密，是一个探究“精品”。有研究者从不同的角度撰文对蜡烛燃烧问题进行探讨[1]。3个版本教科书[2-4]多次使用蜡烛燃烧设计实验探究活动，涉及蜡烛燃烧、蜡烛的组成元素、燃烧条件等（见表1）。3个版本均将“对蜡烛及其燃烧的探究”安排在第一章（单元）作为重要的探究实验。人教版和沪教版将其作为第一个学生探究实验，旨在通过对该实验的观察、记录、分析，学习科学探究的方法，并激发学生对化学的学习兴趣。鲁教版教材通过提出相关问题、对蜡烛燃烧和熄灭的猜想、蜡烛燃烧的火焰现象、产物和熄灭蜡烛火焰的实验探究环节，体会化学探究活动的特点。因此，该实验的成败与否将直接影响到学生对化学探究实验的兴趣和对初中化学学科的第一印象。

      

      3个版本教科书都采用烧杯收集、检验二氧化碳和烧杯冷却法检验水蒸气的存在。但对手拿烧杯的方式、烧杯是垂直还是倾斜、烧杯与火焰高度的关系、什么时间观察等均未作说明。人教版和鲁教版对烧杯的规格也未作说明。人教版和沪教版采用冷碟子和玻璃片置于蜡烛火焰的上方，收集炭黑，说明蜡烛由碳元素组成，在空气中易发生不完全燃烧。由于石蜡含碳量较高，且熔化和气化都会消耗掉较多的热量，在火焰接触到受热物体时发生不完全燃烧。火焰燃烧时缺氧程度越大，蜡烛燃烧越不完全，产生的黑烟也就越多。

      笔者通过实践发现，人教版教科书的实验设计效果并不理想。①时值9月，气温较高，将干燥的烧杯罩在火焰上方，水雾较少，基本观察不到现象，且烧杯很快变黑，一定程度上减弱实验现象。②将一个内壁用澄清石灰水润湿的烧杯罩在火焰上方，以检验二氧化碳，解释较勉强。原因有三：①可能是水分蒸发，致使固体析出；②可能是溶液受热，使的溶解度降低，致使固体析出；③可能是其与二氧化碳反应所致。因此，实验后迅速将烧杯正放，加入少量澄清石灰水，振荡，观察现象比较合适。

      很多研究者认为教科书中的白烟复燃实验设计成功率较低，进行了很多的改进，但有的实验改进虽然符合科学性，也有一定的创造性，但操作烦琐、装置复杂。

      二、对相关文献的简评

      笔者认真梳理、分析近几年有关该实验创新的研究发现，对熄烛后白烟的复燃方法的研究较多，专门检验二氧化碳和水的研究较少，鲜有针对燃烧产生的黑烟性质的探究实验。

      （一）蜡烛燃烧气体的成分

      刘潇珂等发现从蜡烛燃烧的内焰与外焰结合区域引出的气体中不仅含有石蜡蒸气和一氧化碳，而且还含有能使酸性高锰酸钾溶液和溴水褪色的物质，再分别通入银氨溶液和氯化亚铜氨溶液中，分别产生了白色和红色沉淀，得出在蜡烛燃烧的气体产物中可能含有末端炔烃和烯烃等物质[5]。潘国荣、白显圣用透明的圆柱形去底塑料瓶、90°弯尾球形干燥管、铁架台等组装实验装置，蜡烛燃烧时，瓶壁中下部位产生雾状，干燥管里的澄清石灰水变浑浊，说明蜡烛燃烧的产物有水和二氧化碳[6]。叶红艳将蜡烛放置在液封集气瓶中燃烧，同时验证玻璃瓶罩内部出现大量水雾、石灰水表面出现白膜、漏斗内部有大量白烟，白烟复燃的成功率大大提高[7]。

      （二）隔空点烛

      邓继红等通过对照实验，揭示影响实验成功的主要因素为：棉芯粗细、燃烧时间、熄灭方式、白烟采集方式。认为较理想做法为选择粗棉芯蜡烛，用嘴垂直向下快速吹灭，用颈短腹大的合适漏斗，可使白烟成聚拢状态、浓度较大地上飘[8]。王宝权利用石棉网上的铁丝网从火焰的下部平切入蜡烛火焰，看到铁丝网上方的火焰熄灭并在上方形成一段悬空的白烟，点燃白烟，形成“悬浮之火”，通过玻璃管引气、胶头滴管吸气、注射器抽气等方法聚集白烟[9]。姚孟建用一根受热的玻璃管套住蜡烛，对上升白烟起到了保温、防飘散的作用，并保持白烟基本上呈直线上升状态[10]。

      上述这些实验改进的共同特点：减少外界因素的干扰，尽量保持白烟量大不脱离灯芯、温度高、聚集。当然，实验者点燃白烟的技巧、速度也是很关键的因素。

      三、熄烛方式的原理分析

      法拉第的报告《蜡烛的故事》中有讨论：燃烧产生的高温气体和被加热的空气向上流动，同时周围的冷空气补充进来，对流使火焰总是向上，把蜡烛的火焰拉长。冷空气冷却了烛身顶部的外围，形成“烛杯”储存蜡油，使其能够源源不断地沿着烛心向上输送并燃烧。通常情况下蜡烛火焰的温度与可燃物的状态、燃空比、对流速度及气流的压力有很大的关系。蜡烛燃烧是自己提供完整的燃烧对流循环体系：熔化—气化—燃烧—空气对流—熔化……[1]