韓富軍 任新林

武漢市教育科學(xué)研究院(430070) 湖北省武漢市翠微中學(xué)(430051)

1 問題的提出

2021～2022學(xué)年度武漢市部分學(xué)校九年級(jí)調(diào)研考試物理化學(xué)綜合試卷中有一道試題(節(jié)選):

圖1 例題圖示

[例1]如圖1所示,點(diǎn)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(xiàn)象是________。然后將玻璃管上移,使a端置于外焰處,在b端連接導(dǎo)管,插入足量澄清石灰水中,石灰水中發(fā)生反應(yīng)的化學(xué)方程式為________。

通過多次實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn):當(dāng)a端置于焰心處時(shí),b端觀察到有白煙出現(xiàn);但當(dāng)a端置于外焰處,b端連接導(dǎo)管,將導(dǎo)管插入澄清石灰水中,不僅澄清石灰水沒有變渾濁,而且導(dǎo)管口也沒有氣泡冒出。當(dāng)然,在命制這道試題時(shí),考慮到短時(shí)間難以觀察到石灰水中的現(xiàn)象,只要求學(xué)生寫出石灰水中發(fā)生反應(yīng)的化學(xué)方程式。但在驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)中,澄清石灰水長時(shí)間不變渾濁,到底是由于導(dǎo)管容積有限,導(dǎo)出的生成物太少,還是檢驗(yàn)蠟燭燃燒的產(chǎn)物不適合直接用“通氣法”呢?

2 文獻(xiàn)綜述

直接接觸法檢驗(yàn)蠟燭燃燒產(chǎn)物是“對(duì)蠟燭及其燃燒的探究”中一個(gè)重要的探究實(shí)驗(yàn)。人教版化學(xué)教材中,實(shí)驗(yàn)采用在火焰上方分別罩一個(gè)干燥燒杯和內(nèi)壁蘸有澄清石灰水燒杯的方法,通過觀察燒杯內(nèi)出現(xiàn)的現(xiàn)象來推測(cè)蠟燭燃燒產(chǎn)物中是否含有水和二氧化碳。很多研究者對(duì)蠟燭燃燒產(chǎn)物的驗(yàn)證提出了不同的改進(jìn)方案,現(xiàn)將眾多改進(jìn)方案分為以下幾類:

2.1 直接接觸法

在一個(gè)較大的密閉裝置(或接近密閉體系)內(nèi),使蠟燭燃燒,讓燃燒產(chǎn)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(xiàn)象來證明蠟燭的燃燒產(chǎn)物;童四姐[2]用一個(gè)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(nèi)壁的現(xiàn)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(dòng)燒杯底部的紙板來快速證明蠟燭的燃燒產(chǎn)物二氧化碳;葉紅艷[4]巧用液封集氣瓶,使蠟燭燃燒的產(chǎn)物直接與澄清石灰水接觸以驗(yàn)證蠟燭燃燒產(chǎn)物;薛蕾[5]等研究者讓蠟燭在一個(gè)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(bǔ)入較多的空氣并形成密閉裝置,如圖3所示,以驗(yàn)證蠟燭燃燒生成了水和二氧化碳。

以上實(shí)驗(yàn)改進(jìn)都是直接讓蠟燭在密閉容器內(nèi)燃燒,密閉容器中直接放置檢驗(yàn)試劑,可以更方便地檢驗(yàn)蠟燭燃燒產(chǎn)物。

圖2 熊言林檢驗(yàn)蠟燭燃燒產(chǎn)物實(shí)驗(yàn)裝置圖

圖3 薛蕾檢驗(yàn)蠟燭燃燒產(chǎn)物實(shí)驗(yàn)裝置圖

2.2 注劑法

注劑法主要是使蠟燭在一個(gè)容器內(nèi)燃燒,先通過容器內(nèi)壁的水霧證明蠟燭燃燒產(chǎn)物中水的存在,再向容器內(nèi)注入澄清石灰水,蓋緊容器口,振蕩,通過現(xiàn)象證明燃燒產(chǎn)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(gè)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(dāng)觀察到燒杯和漏斗內(nèi)壁出現(xiàn)白霧后,通過注射器向其中注入澄清石灰水,以證明燃燒產(chǎn)物,如圖4所示;魏少興[7]將蠟燭放在一個(gè)盛滿氧氣的密閉集氣瓶中燃燒,觀察到集氣瓶?jī)?nèi)壁出現(xiàn)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(chǎn)物,如圖5所示;胡巢生[8]將蠟燭放在一個(gè)集滿氧氣的集氣瓶中燃燒,觀察到集氣瓶?jī)?nèi)壁出現(xiàn)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(chǎn)物。

圖4 張一鳴檢驗(yàn)蠟燭燃燒產(chǎn)物實(shí)驗(yàn)裝置圖

圖5 魏少興檢驗(yàn)蠟燭燃燒產(chǎn)物實(shí)驗(yàn)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(xiàn)后加入的,檢驗(yàn)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(fā)產(chǎn)生的白霧對(duì)檢驗(yàn)蠟燭燃燒產(chǎn)物——水造成的干擾。

2.3 “罩焰”法

與教材上的演示實(shí)驗(yàn)類似,“罩焰”法主要通過容器將燃燒產(chǎn)物初步收集起來,觀察收集容器內(nèi)壁出現(xiàn)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(dāng)觀察到塑料袋中出現(xiàn)水霧后,倒轉(zhuǎn)塑料袋,并向其中注入澄清石灰水,以證明蠟燭燃燒的產(chǎn)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(dāng)觀察到容器內(nèi)壁出現(xiàn)水霧后,倒轉(zhuǎn)容器,注入澄清石灰水,以證明燃燒產(chǎn)物水和二氧化碳;周建東[11]在蠟燭火焰上罩一個(gè)接有長導(dǎo)管的倒扣漏斗,并將長導(dǎo)管伸入裝有澄清石灰水的直立粗玻璃管內(nèi),如圖6所示,通過導(dǎo)管內(nèi)產(chǎn)生的水霧和澄清石灰水變混濁的現(xiàn)象證明蠟燭燃燒的產(chǎn)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(gè)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(dāng)觀察到漏斗內(nèi)有水霧出現(xiàn)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(chǎn)物水和二氧化碳;劉宇[14]在蠟燭火焰上放置一個(gè)三角架,三角架上放置一個(gè)裝澄清石灰水的回型槽,并在回型槽上放一個(gè)底部開孔的燒杯以證明燃燒的產(chǎn)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(gè)錐形瓶,10 s后,倒轉(zhuǎn)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(yàn)蠟燭燃燒產(chǎn)物實(shí)驗(yàn)裝置圖

相較于教材上的實(shí)驗(yàn),以上實(shí)驗(yàn)要么改進(jìn)了用來“罩焰”的實(shí)驗(yàn)儀器,要么在檢驗(yàn)二氧化碳時(shí)塞上了塞子或蓋上了玻璃片,避免了二氧化碳的逸散,實(shí)驗(yàn)現(xiàn)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(dǎo)管,并將生成的產(chǎn)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(chǎn)物中含有水和二氧化碳。

圖8 劉認(rèn)培檢驗(yàn)蠟燭燃燒產(chǎn)物實(shí)驗(yàn)裝置圖

據(jù)文獻(xiàn)報(bào)道,最早用“通氣法”驗(yàn)證蠟燭燃燒產(chǎn)物的是研究者劉認(rèn)培[16],他在蠟燭燃燒火焰上方罩一個(gè)倒扣漏斗,用導(dǎo)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(dǎo)管口連接抽氣機(jī),以便燃燒產(chǎn)物向既定方向流動(dòng),如圖8所示;周開軍[17]在蠟燭火焰上方罩一個(gè)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(dǎo)管口連接過濾泵來調(diào)節(jié)氣體流動(dòng),如圖9所示,以證明蠟燭燃燒產(chǎn)物;魏銳[18]等研究者直接將導(dǎo)管靠近火焰上方,導(dǎo)管中放置硫酸銅粉末,通過多次抽動(dòng)注射器具調(diào)節(jié)氣體的流動(dòng),以證明水的生成;在火焰上方罩一個(gè)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(dòng)注射器調(diào)節(jié)氣體流動(dòng),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(gè)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(nèi)壁的現(xiàn)象和澄清石灰水中的現(xiàn)象以證明蠟燭燃燒的產(chǎn)物;汪洋等研究者[20]在探究蠟燭燃燒產(chǎn)物的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)中直接讓蠟燭的燃燒產(chǎn)物通過無水硫酸銅和澄清石灰水,見圖11,以驗(yàn)證水和二氧化碳的生成。

圖9 周開軍檢驗(yàn)蠟燭燃燒產(chǎn)物實(shí)驗(yàn)裝置圖

圖10 魏銳檢驗(yàn)蠟燭燃燒產(chǎn)物實(shí)驗(yàn)裝置圖

圖11 汪洋檢驗(yàn)蠟燭燃燒產(chǎn)物實(shí)驗(yàn)裝置圖

以上改進(jìn)實(shí)驗(yàn)都是將蠟燭放在一個(gè)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(yàn)裝置以檢驗(yàn)蠟燭燃燒的產(chǎn)物。大多數(shù)研究者為了讓燃燒產(chǎn)物順利通過后續(xù)的檢驗(yàn)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(xù)的檢驗(yàn)試劑。

3 驗(yàn)證是否能用“通氣法”探究蠟燭燃燒產(chǎn)物

能直接用“通氣法”檢驗(yàn)蠟燭燃燒的產(chǎn)物嗎?還是必須通過在裝置尾端抽氣,讓生成物被動(dòng)通過檢驗(yàn)試劑而達(dá)到檢驗(yàn)蠟燭燃燒產(chǎn)物的目的呢?

按照教材上的實(shí)驗(yàn)操作,驗(yàn)證水蒸氣存在的實(shí)驗(yàn)成功率很高;受諸多因素影響,檢驗(yàn)二氧化碳?xì)怏w生成的實(shí)驗(yàn)卻難以成功。下面,通過以下實(shí)驗(yàn)對(duì)蠟燭燃燒是否產(chǎn)生二氧化碳進(jìn)行驗(yàn)證。

3.1 開放體系中使用直接“通氣法”

實(shí)驗(yàn)儀器:朗威DISLab8.0數(shù)據(jù)采集器、壓強(qiáng)傳感器、計(jì)算機(jī)、膠頭滴管、漏斗、導(dǎo)管、膠皮管(部分夾持儀器省略)。

實(shí)驗(yàn)藥品:蠟燭、澄清石灰水。

圖12 開放體系中用直接“通氣法”檢驗(yàn)蠟燭燃燒產(chǎn)物

實(shí)驗(yàn)1-1:如圖12所示,用膠頭滴管在水平導(dǎo)管處小心注入少量澄清石灰水,形成一小段水平液柱。點(diǎn)燃蠟燭后,將一個(gè)倒扣漏斗罩在火焰上方,并用膠皮管連接導(dǎo)管。觀察10 min,石灰水液柱在導(dǎo)管中的位置始終不發(fā)生移動(dòng),也未觀察到澄清石灰水變渾濁的現(xiàn)象。

實(shí)驗(yàn)1-2:如圖13所示,在尾導(dǎo)管口連接壓強(qiáng)傳感器。打開DISLab8.0實(shí)驗(yàn)軟件系統(tǒng),點(diǎn)擊“通用軟件”,系統(tǒng)自動(dòng)識(shí)別接入的傳感器,并顯示當(dāng)前壓強(qiáng),將采集設(shè)置調(diào)為0(即當(dāng)前大氣壓強(qiáng)調(diào)整為0)。點(diǎn)燃蠟燭后,將倒扣漏斗罩在蠟燭火焰上方,實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖14所示,壓強(qiáng)的示數(shù)始終在-0.01～0.1 KPa之間,壓強(qiáng)幾乎不變。

圖13 開放體系中用數(shù)字化實(shí)驗(yàn)裝置檢驗(yàn)直接“通氣法”時(shí)的壓強(qiáng)變化

圖14 開放體系中用直接“通氣法”檢驗(yàn)蠟燭燃燒產(chǎn)物的數(shù)字化實(shí)驗(yàn)結(jié)果

以上實(shí)驗(yàn)說明,在一個(gè)敞開的體系中,采用“通氣法”的方式讓氣體主動(dòng)導(dǎo)入到澄清石灰水等試劑中是不可能的。數(shù)字化實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示:導(dǎo)管口壓強(qiáng)幾乎跟大氣壓強(qiáng)一致。沒有壓強(qiáng)差,氣體無法導(dǎo)入到后續(xù)裝置內(nèi)。

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(jié)果又如何呢?

實(shí)驗(yàn)儀器:朗威DISLab8.0數(shù)據(jù)采集器、壓強(qiáng)傳感器、計(jì)算機(jī)、集氣瓶、燃燒匙、導(dǎo)管、膠皮管、燒杯。

實(shí)驗(yàn)藥品:蠟燭、澄清石灰水。

實(shí)驗(yàn)2-1:按圖15所示的裝置連接儀器,導(dǎo)管伸入澄清石灰水液面之下。點(diǎn)燃蠟燭后立即塞緊橡皮塞,可以觀察到,在5 s內(nèi),導(dǎo)管口平均產(chǎn)生約10個(gè)氣泡(扣除因塞橡皮塞而產(chǎn)生的氣泡),后澄清石灰水馬上被倒吸入集氣瓶中,且在實(shí)驗(yàn)過程中,燒杯中的澄清石灰水始終不變渾濁?？梢酝茰y(cè),澄清石灰水中鼓出的氣泡大部分是裝置內(nèi)受熱膨脹的空氣。

圖15 密閉體系中用直接“通氣法”檢驗(yàn)蠟燭燃燒產(chǎn)物

實(shí)驗(yàn)2-2:按圖16所示的裝置連接儀器,導(dǎo)管口連接壓強(qiáng)傳感器(數(shù)字化實(shí)驗(yàn)的調(diào)整和設(shè)置同實(shí)驗(yàn)1-2)。點(diǎn)燃蠟燭后立即塞緊橡皮塞,可以觀察到,只需5s的時(shí)間,導(dǎo)管口壓強(qiáng)就從最大正壓變?yōu)樨?fù)壓,如圖17所示。該實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步說明,要想在實(shí)驗(yàn)2-1中觀察到燒杯中的澄清石灰水出現(xiàn)渾濁幾乎不可能,因?yàn)閴簭?qiáng)從正壓到負(fù)壓之間的時(shí)間非常短,蠟燭燃燒產(chǎn)生的二氧化碳還未導(dǎo)入到燒杯中,就因?yàn)檠b置中產(chǎn)生的負(fù)壓將澄清石灰水倒吸入集氣瓶中。

圖17 密閉體系內(nèi)用直接“通氣法”檢驗(yàn)蠟燭燃燒產(chǎn)物的數(shù)字化實(shí)驗(yàn)結(jié)果

3.3 開放、密閉體系中分別使用被動(dòng)“通氣法”

實(shí)驗(yàn)儀器:漏斗、導(dǎo)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(shí)驗(yàn)藥品:蠟燭、澄清石灰水。

實(shí)驗(yàn)3-1:按圖18所示的裝置連接儀器,導(dǎo)管伸入澄清石灰水液面之下。點(diǎn)燃蠟燭后,用洗耳球或注射器來抽氣,使氣體向右移動(dòng)?？梢杂^察到,1 min之內(nèi),澄清石灰水就開始變渾濁。

圖18 開放體系中用被動(dòng)“通氣法”檢驗(yàn)蠟燭燃燒產(chǎn)物

實(shí)驗(yàn)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(dǎo)管口連接洗耳球或注射器,點(diǎn)燃蠟燭后立即塞緊橡皮塞。通過多次實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),當(dāng)用洗耳球或注射器進(jìn)行抽氣時(shí),很難使氣體持續(xù)向右移動(dòng),而且即使在抽氣的情況下,石灰水也很容易倒吸入左側(cè)的集氣瓶中,難以在右側(cè)集氣瓶中觀察到石灰水變渾濁的現(xiàn)象。

圖19 密閉體系內(nèi)用被動(dòng)“通氣法”檢驗(yàn)蠟燭燃燒產(chǎn)物

4 結(jié)論

以上實(shí)驗(yàn)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(yàn)證蠟燭燃燒的產(chǎn)物;②在密閉體系內(nèi),采用被動(dòng)“通氣法”,即在原有直接“通氣法”的裝置上安裝一個(gè)抽氣裝置,該抽氣裝置可以是洗耳球、注射器、醫(yī)用負(fù)壓引流器[21]等,無法驗(yàn)證蠟燭燃燒產(chǎn)物;③在開放體系中,采用被動(dòng)“通氣法”可以快速驗(yàn)證蠟燭燃燒產(chǎn)物。由此可見,想用“通氣法”驗(yàn)證蠟燭燃燒產(chǎn)物,需要使蠟燭在一個(gè)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(qiáng)穩(wěn)定的情況下使氣體向既定方向流動(dòng),以確保燃燒產(chǎn)物充分“通過”檢測(cè)試劑,也便于觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象,快速得到實(shí)驗(yàn)結(jié)果。