对蜡烛燃烧现象的探究

黄婷杨+晶晶+魏锐

1为什么会形成火焰

化学课上，大多数学生都被“火是什么”、“火是不是物质”等问题所困扰。在通常的教学中我们不讨论火的本质，但是当给学生略加解释时，他们会露出释疑的喜悦。

化学反应伴随有能量的转化，物质燃烧时释放的能量以光和热的形式释放出来。释放的能量使待反应的反应物熔化、气化、撕裂成分子片断或孤立的原子，它们才是反应历程中每一步反应的真正反应物。这些微粒弥散在空气中发生化学反应并释放出光子，形成无数个小小的“光点”，这些小光点汇聚在一起就是火焰。若可燃物为气态（例如氢气）、可燃物气化或者在反应过程中有可燃的气态中间产物生成（如蜡烛、木柴等），燃烧时就会形成火焰。

而那些由于反应物熔点较高无法气化的反应，或者反应过程中没有大量气态可燃物生成的反应，只能表现为发光，而不能形成火焰。例如，碳的沸点非常高，因此木炭在空气中燃烧的现象为红热，在氧气中燃烧的现象则表现为发出明亮的光。这些现象都是发光，而非火焰。对于碳化不完全的木炭，其中除了含有C元素外还含有H、O等元素，燃烧过程中可以产生气态的中间产物，因此可形成微弱的火焰。且铁丝在燃烧过程中，固体小颗粒飞溅出去便形成火星四射的现象，且镁的熔点比铁低很多，在燃烧过程中可以部分气化，所以燃烧现象除了发光之外，还可以看到隐约飘忽的火焰。

2火焰为何呈拉长的水滴形

每个人都能够轻松地用笔在纸上画出蜡烛火焰的形状，但是有多少人问过自己，“为什么蜡烛的火焰呈拉长的水滴形？”“为什么不论正立还是横放蜡烛，蜡烛的火焰总是向上？”如果提出这些问题，我们能够轻松给出答案吗？关于火焰的形状，是由于在重力作用下，热的空气轻（密度小），有上浮的趋势；冷的空气重（密度大），有下沉的趋势；冷热空气流动，形成对流。如图1所示，蜡烛燃烧产生的高温气体，以及火焰周围被加热的空气，都会向上流动；同时周围的冷空气补充进来，就形成了对流。正是对流使火焰总是向上，而且把蜡烛的火焰拉长了。

图1对流对火焰形状的影响在燃烧过程中，对流还起到一个至关重要的作用，就是不断地补充反应物——氧气，并通过气体流动使氧气与燃料快速、充分地混合，使燃烧更剧烈。我们知道，在地球引力的作用下，物体都有下降以获得更低的势能的趋势，这样重的物体（密度大）就“抢占”了低的空间，轻的物体（密度小）则“被迫”上升，从而形成对流。

对流是一个与我们的生活息息相关又很容易被忽视的规律，这种规律的应用也非常普遍。例如，走马灯在宋代就已经出现了。如图2所示，在一个方形或圆柱形的纸灯笼中，插一根铁丝做立轴，轴上方装一个叶轮，在轴的中央装两根交叉细铁丝，在铁丝每一端粘上人、马之类的剪纸。当灯笼内灯烛点燃后，热气上升，形成气流，从而推动叶轮旋转，于是剪纸随轮轴转动。它们的影子投射到灯笼纸罩上。从外面看，便出现“车驰马骤、团团不休”的繁华情景了。

图2走马灯示意图实验卡片1旋转的纸杯走马灯

（1）取一个纸杯，在靠近杯底1 cm的地方，剪出一个宽2.5 cm、高10 cm的长方形扇叶，共剪4个等距离分布的这样的洞。在杯底中央处用针穿上线，使杯身能够用线拉起。

（2）在桌面上立一支点燃的蜡烛，提起棉线并使杯口朝下，垂直放在烛火上方，如图3所示。当热空气向上流动，流经扇叶片出口时，就能使纸杯转动。

图3自制纸杯走马灯同理，热气球、孔明灯能够被放飞升空也借助了对流的原理。一般的孔明灯是用很细的竹条做成圆桶形，外面以薄白纸包围且开口朝下。在底部的支架中间绑上一块沾有煤油或花生油的粗布，将油布点燃，灯内的油布燃烧一阵后产生热空气，孔明灯便膨胀，放手后整个灯会冉冉升空。

热气球或孔明灯能够形象地说明热的空气变轻了，可以上升。可以简便地演示这个实验吗？借助溯因思维，若使孔明灯更容易升空，需要使制作材料更轻，越轻越有利。那么，借助放大思维，我们周围有哪些材料又轻又便于获取呢？可能比较容易想到塑料袋。哪种塑料袋最轻？经常在冰箱里用的薄膜保鲜袋就是一个很好的实验材料。

实验卡片2模拟孔明灯

（1）取一个冰箱用的保鲜袋，两只手各捏住袋子的袋口两边，罩在火焰上方。注意不要让火焰烧到保鲜袋。

（2）很快看到保鲜袋鼓了起来，松开手，可以看到保鲜袋上升。

通过上述实验进一步体验了对流的存在。在生活中，暖气片都装在较低的位置，因为其产生的热空气上升，热交换更迅速；空调都装在较高的位置，因为冷空气下降，这样热交换更迅速。同样，水的对流也是如此，烧水做饭的热源总是从炊具的下面加热，这样可以使热交换更迅速；当冷热水的位置反过来，即热水在上、冷水在下时，因为对流相对较弱，热交换的效率就低很多，“开水养鱼”的实验魔术利用的就是这个原理。

实验卡片3高低温液体的相对位置对对流的影响

（1）向一大烧杯热水中滴入几滴红墨水，搅拌得到红色的热水。取4只集气瓶，2只装满红色的热水，2只装满无色、常温的水。

（2）在红色热水集气瓶上盖1张硬纸片，压紧硬纸片，翻转瓶身置于冷水瓶上，使瓶口相对。

（3）慢慢抽出硬纸片，可以看到红色水并没有往下流，跟下方的无色冷水明显地分开。

（4）重复上述步骤，但是将红色热水瓶置于无色冷水瓶的下面，红色热水很快就跟无色冷水混合在一起了。

实验卡片4“开水养鱼”的实验魔术

把一条小鱼放在盛有水的圆底烧瓶中，加热上部，过一会看到水沸腾了，但是小鱼却安然无恙。（注：鉴于动物保护组织越来越强调动物伦理，建议不要在课堂上演示类似涉及动物的实验。）

图4“开水养鱼”魔术装置我们把话题再回到对流对蜡烛燃烧的影响上，对流不仅把火焰拉成长水滴形，而且因为对流，补充进来的冷空气冷却了烛身顶部的外围，形成杯子的形状，蜡油就储存在这个“烛杯”里，不轻易流下来，使其能够源源不断地沿着烛芯向上输送并燃烧。

3学生对“烛杯”成因的有趣解释

对于形成烛杯的现象，一位学生却给出这样的解释：把火焰看做一个点，燃烧产生的热由该“热点”向外辐射。距“热点”距离相等处（以该点为中心的圆弧上）温度相同，距离越远，温度越低，于是把蜡熔化成杯形（如图5所示）。

图5学生关于烛杯形成的“热点”模型从学生提出的这个猜想中，可以看出学生的抽象与类比迁移能力。这一解释中有两条重要的假设：其一，把火焰抽象成一个点，类似于物理中的质点模型，学生在物理课中刚刚学过就类比迁移到对这一现象的解释中来。当然，学生具有对事物进行抽象思维的能力，即使学生没有学过质点模型，在处理两个事物（火焰和蜡烛）之间的关系时，也可能会忽略火焰的形状、颜色、分层结构等“次要因素”，抽象出其中的“热点”这一“主要因素”，继而进行演绎推理。我们目前还没有证据说明直接进行抽象思维以及借助类比进行推理两种思维方式哪种可能性更大，但学生的认识基于直接经验同时又比直接经验抽象的特点在人类的思维过程中同样具有普遍性。其二，热传递等距处温度相同。在大学化工课程中才会对传热问题进行定量讨论，尽管在以往的科学课中学生没有学习过这一规律，但学生凭借生活经验形成了这种朴素的科学观念。

对于“加热使火焰下方呈现杯形”的猜想可以采用追问的方式反驳：在物理学中，将物体抽象成质点的前提是物体在研究体系中的相对大小很小，或者其大小和形状对于要研究的问题（如物体的运动）的影响可不考虑。那么，对于蜡烛火焰，是否可以将其看成热点呢？进行这种抽象的前提条件是什么呢？与蜡烛的直径相比，火焰的大小和形状是否可以忽略？如果火焰的大小并不能忽略不计，也就是说不可抽象为热点，那么是什么导致杯形的形成呢？由此，对流冷却而形成“烛杯”的假设合理性更强。

“烛杯”成因的对流解释和“热点”解释的争论，可用非对流存在下（蜡烛失重燃烧）是否仍形成杯形作为依据。

4火焰的温度有多高

在中学化学教学中，常用一根火柴梗横置于火焰中，通过不同位置的碳化程度定性地判断火焰不同位置的温度；法拉第则通过加热纸片得到的碳化环予以说明。前者只能说明一条线上温度的差异，而后者则可说明一个切面上不同部位的温度差异。纸片实验与火柴梗实验相比，更加鲜活和形象化。

实验卡片5火焰温度的布局

我们知道，在火焰中心部分有烛芯，有这种可燃性的气体，它的外围则是蜡烛燃烧时必不可少的空气，而在火焰中心与外围之间，却发生着剧烈的化学作用。外围的空气和内部的可燃性气体，彼此影响，相互反应，并在内部气体不断遭到破坏的同时，发出了热和光。

如果我们检查一下，蜡烛的热力到底在什么地方，就会发现它的部署非常奇妙。比方说，取一张纸凑到烛火上烤，蜡烛的热力表现在哪儿呢？实验显示，它不在中心部分，而是成为一个环形（如图6所示），刚巧在前面所谈的发生化学作用的地方。倘若没有过于严重的干扰，即使实验做得很不正规，纸上的火痕也都将是环形的。

图6纸被加热

形成环形火痕纸片与火焰接触的一面会被熏黑，因此应在纸的另一面观察烧焦的环形。用纸片得到环形火痕，比火柴梗能更直观地展现火焰的高温区域。但该实验方法的不足在于将纸压在火焰上时，火焰铺开，实际环形火痕的直径比蜡烛火焰的直径要大。

以上实验定性地说明了蜡烛不同部位火焰的温度差异。那么，火焰不同部位的温度到底有多高呢？

采用差分干涉法对蜡烛火焰温度进行测量，当空气中氧气浓度为21 %时，分别在距离蜡烛顶部0 cm、1 cm和2 cm的截面处测定温度，测量结果如图7所示。可以看出，蜡烛火焰的最高温度接近2000 K，且火焰温度由中心到外围先升高后降低，呈双峰形状。

1、2、3分别为距离蜡烛顶部

0cm、1 cm、2 cm的截面温度

图7蜡烛火焰不同位置径向温度分布电子散斑干涉（ESPI）、光折变全息干涉法等其他的非接触式方法都可以用来测量火焰的温度，然后借助计算机程序处理，可以得到火焰的三维温度场，更加直观地呈现火焰温度的变化情况。例如酒精灯火焰的三维温度场如图8所示。

图8酒精灯火焰的三维温度场上述实验在中学阶段显然无条件实施，而用高温探头探测酒精灯火焰不同部位的温度，在中学教学中更具推广性。该实验测得酒精灯火焰温度最高的部位可达到700 ℃左右，复证了火焰从里到外温度先升高后降低的普遍规律。该文还指出酒精灯火焰的最高温度不是出现在外焰，而是出现在内焰。外焰的酒精蒸气受外界空气影响较大，而且和外界空气的能量交换剧烈，火焰的温度受到很大的影响；焰心部位因空气较稀薄，酒精蒸气燃烧不充分，因此焰心的温度也不高。内焰酒精蒸气稳定，与空气接触适中，燃烧较充分，发出的光最明亮，因此最高温度在内焰出现。

实验卡片6用高温传感器测定酒精灯火焰的温度（钱扬义等，2003）

酒精灯的3层火焰常有跳动，因此不能直接手持探头测量3层火焰的温度。本实验用如图9所示的装置进行，探头从灯芯位置开始，通过调节灯座的高度，依次测量酒精灯各部分火焰的温度。测量的原则是：每隔50 s调整一次探头的位置（用调节灯座的高度的方法）以测量不同部位火焰的温度；每次调整的高度为0.5 cm（以直尺为标度）；调整的时间为10 s，在10 s内提前完成调整的，达到10 s后方可重新计时。

图9用高温探头测定酒精灯火焰的温度由于火焰经常跳动，测量火焰各部位瞬时温度，其意义不大。本实验的测量结果是各个部位（每个部位采集50个数据）的平均温度，实验平行地进行3次。

图10是3个实验的温度曲线的整合图，3条曲线比较接近。因此，3个平行实验得出的数据是合理的，能正确地反映酒精灯火焰的温度变化情况。

图10三次平行实验的温度整合（1）酒精灯3层火焰温度的大小顺序为：焰心<外焰<内焰，焰心和内焰温度较稳定，外焰温度不稳定，剧烈波动。

（2）焰心的平均温度为432.3 ℃，内焰的平均温度为665.5 ℃，外焰的平均温度为519.9 ℃。

（3）最高温度出现在内焰，酒精灯可以获得的最高温度为695.2 ℃（平均值）。

5火焰的颜色与亮度受什么影响

火焰由持续发光发热的氧化还原反应产生，我们看到的火焰是反应释放出的光子的可见光部分。影响火焰颜色的因素有很多，其中中间产物的分子光谱和固体颗粒物的热辐射是主要原因，原子发射光谱与原子吸收光谱也有少量的影响。

在火焰中，高温“撕碎”了气态燃料分子，形成各种各样的不完全的燃烧中间产物（主要为自由基或碳颗粒）。火焰中充足的能量使中间产物（主要是自由基）的电子激发，发出可见光。例如，甲烷燃烧过程中，其淡蓝色火焰主要为自由基的光谱；又如，蜡烛火焰的淡蓝色区域。

假如火焰温度继续升高，或者燃料组成中的含碳量增加。在有碳颗粒生成的情况下，灼热碳颗粒的热辐射，会发出明亮的光。从乙烷、乙烯到乙炔，由于燃料中含碳量的增加，燃烧产生的碳颗粒增多，产生的黑烟也依次变浓；火焰的颜色也由淡蓝色过渡为明亮的白色。与汽油相比，柴油和煤油燃烧时生成的烟更多、火焰更亮也是这个原因。酒精喷灯的火焰亮度比酒精灯要暗，是因为酒精喷灯燃烧时空气充足且温度高，生成的碳颗粒少。蜡烛火焰最明亮的淡黄色区域就主要是由碳颗粒的热辐射所致。

白金受热后是不会熔化的，如果把白金丝放在火焰里烧，它发的光更亮。

现在，笔者用一根管子来输送氢气，另外这儿还有一种名叫氧气的物质，氢气得到它的帮助就可以燃烧。不过，氢氧混合物产生的热量，虽然远远超过烛焰所含的热量，可它发出的光度却很弱。

但是，假如取点固体物质往氢氧混合物的火焰中一放，那它立刻变得光芒四射，闪亮通明了。例

如，拿一块既不着火也不汽化的石灰（因为它不汽化，所以仍保持固体状态，保持本身热量）放进氢氧焰里，火焰光度马上会发生显著的变化。

大家看，氢在氧的帮助下燃烧起来了，它的热力极其强大，可它的光度还是小得可怜，这显然不是因为热量不足，而是由于缺乏在燃烧中能够保持固体状态的微粒。如果把这块石灰往氢氧焰里一放，它吐出的火焰亮度大增，由石灰发出的灿烂光华，可以与电灯媲美。（法拉第，1860）

若增大氧气的浓度，燃烧更加充分，碳颗粒减少，火焰的亮度随之减弱。例如，增大酒精喷灯的空气进气量，火焰颜色会变浅。蜡烛火焰最明亮的淡黄色区域再向外延伸，亮度减弱，就是由于和氧气混合更加充分，碳颗粒减少所致。

由此可见，火焰的颜色和亮度与温度并无一一对应的关系。通常认为，要生成碳颗粒，火焰的温度应高于1 300 K。若火焰温度较低，还没有碳颗粒生成，火焰会较暗。例如蜡烛焰心处温度最低、亮度最小。若火焰温度很高，加之氧气充足，碳颗粒充分燃烧，火焰也会变暗。

将胶头滴管的尖嘴深入蜡烛火焰的不同部位，吸取该部位的烟气，然后衬在一张白纸上观察滴管内烟气的颜色。可以发现火焰最明亮的部位吸取出的烟气颜色最深。