蜡烛及其燃烧实验的教学设计

2017-10-19唐思嘉

化学教学 2017年9期

唐思嘉

摘要：以全新的思考和独特的视角，对蜡烛及其燃烧实验的教学进行了拓展研究，发现蜡烛从点燃到稳定燃烧时，火焰呈现先小→大→再小→再大的变化过程，蜡烛外焰的锥底部位比外焰顶端部位更具稳定性。通过多种实验方法观察石蜡蒸气以及燃烧的过程，解决了如何得到“修长”的蜡烛火焰、如何点燃没有棉线的蜡烛、罩有烧杯的蜡烛火焰一定是从高→低逐个熄灭、蜡烛燃烧如何形成深陷的凹槽等问题。

关键词：蜡烛火焰；燃烧原理；石蜡蒸气；实验探究；教学设计

文章编号：1005–6629（2017）9–0063–04 中图分类号：G633.8 文献标识码：B

1 蜡烛从点燃到稳定燃烧的过程，火焰何以是先小→大→再小→再大，最后才稳定燃烧

仔细观察蜡烛的引燃过程发现，蜡烛火焰总是先由小→大→再小→再大，最后才稳定燃烧，过程如图1所示。

不难发现，在点燃前，烛芯总是被石蜡浸渍包裹的。将烛芯点燃，烛芯上的石蜡即刻熔化并着火燃烧，火焰是先小→后大，由于烛芯上仅浸渍有少量的石蜡，所以这个从小→大的燃烧过程持续时间较短。当灯芯上这部分少量的石蜡燃完耗尽，且烛芯下部的液体石蜡还未来得及提供石蜡蒸气时，火焰自然就呈现从大→小。当烛芯下部的液体石蜡受到蜡烛燃烧提供的热量，开始大量熔化并不断提供石蜡蒸气时，火焰即再次由小→大，待石蜡稳定提供石蜡蒸气后，这时蜡烛才会持续稳定地燃烧。

尽管这是看似简单的过程，却很少有人注意并观察到。当我们问及学生、教师，甚至某些探究者时，大家都感到茫然。其实，这其中蕴含着蜡烛燃烧的原理，或许这就是我们探究这个问题的价值所在。

2 外焰的锥底部位与外焰顶端部位的稳定性何以相差很大

众所周知，火焰由三部分构成：外焰、内焰以及焰心。三者中外焰供氧充足，燃烧完全，温度最高[1]，因此作为热源供实验者给其他物质加热。

当实验者借用蜡烛的火焰去点燃火柴时，是选择火焰的顶端（见图2）？还是选择火焰的锥底（见图3）？

尽管外焰顶端部位的温度高，但用火柴梗借火去点燃火柴时，常识和经验告诉我们，顶端部位的火焰极易飘忽，不易点着；如果将火柴梗伸到火焰的锥底部位，那里有稳定的外焰，可以不紧不慢成功地点燃火柴梗。

3 如何观察石蜡蒸气以及燃烧的过程

蜡烛燃烧的过程，可以视为固体石蜡→液体石蜡→石蜡蒸气燃烧。

现行初中化学教材中有如下的实验探究[2]：熄灭蜡烛，观察蜡烛熄灭时有什么现象发生。用火柴去点蜡烛刚熄灭时产生的白烟（如图4），观察蜡烛能否重新燃烧？

有这个实验经历的教师都知道，蜡烛熄灭后產生的白烟的量比较少，在空气中逸散后，石蜡蒸气的浓度越来越低，要将其点燃的几率并不高。特别是石蜡蒸气随风散去只需一溜烟的瞬间，更别提要仔细观察，还要点燃，谈何容易！为此，笔者提出以下三个实验设计新方案，可供大家参考。

第一，用胶头滴管，对准火焰的焰心部位，吸取石蜡蒸气，可以观察到白烟逐渐吸入管内（图5）；接下来，通过缓缓挤出白烟，将石蜡蒸气点燃（如图6）。

第二，在铁架台上固定一根长约15～20cm倾斜的普通玻璃管，玻璃管的下端口直接插入蜡烛的焰心，在上端管口观察徐徐导出的白烟（现象十分明显）。当在玻璃管的上端口点燃白烟时（图7），观察石蜡蒸气燃烧形成的火焰[3]。

第三，点燃蜡烛，用一根弯曲的玻璃导管，一端对准焰心，另一端插入锥形瓶，适当调整玻璃导管的倾斜角度，可以观察到石蜡蒸气的白烟通过导管缓缓流入锥形瓶中。待石蜡蒸气集满整个锥形瓶时（图8），白烟会从瓶中溢出，随风飘逸。待白烟散尽，观察锥形瓶内壁残留了薄薄的一层固体石蜡。

4 没有棉线芯的蜡烛能够燃烧吗

笔者带着这个问题，询问过初三、高一、高二、高三几个年级的学生，得到的结果很不一致。有的面面相觑，表情茫然；有的随意猜想，说能燃烧，却又道不出所以然；坚信不能燃烧的学生也不少，在他们的印象中，蜡烛（石蜡）没有棉线芯怎么可能被点燃呢！

实践是检验真理的唯一标准。任何猜想都应该在实验面前得到证实和证伪。

将去掉棉线的石蜡直接放进坩埚里，用燃着的火柴棍去点，结果无论如何也点燃不起来；如果先把石蜡加热熔化，待有石蜡蒸气（白烟）时再点，它就会像点燃酒精一样，立即着火燃烧（图9）。事实证明，只有当石蜡熔化待有石蜡蒸气产生之后，才可以点着燃烧[4]。蜡烛灯芯上的棉线，就是蜡烛燃烧时可以起到不断提供液体石蜡（毛细作用）和石蜡蒸气的作用。所以没有棉芯的蜡烛在通常情况下是不能被点燃的。

5 如何得到“苗条”、“修长”的火焰

点燃一支蜡烛，用试管夹夹住一根玻璃管，待火焰稳定燃烧时，将玻璃管移向火焰，从火焰的上方向下罩，罩住火焰时由于玻管内空气对流速度加快，这时火焰就会变得“苗条”“修长”起来（图10）。如果把这种实验现象（事实）展现在学生面前，他们一定会有眼前一亮的感觉，动手做实验的兴趣油然而生。

6 蜡烛熄灭与CO2密度的关系

CO2密度大于空气，不支持燃烧。当它弥漫在燃烧物周围，降低周围氧气的浓度，会使火焰窒息，从而起到灭火的作用[5]。

关于CO2的灭火原理，在现行教材第117页有如下实验（图11），将二氧化碳气体慢慢倒入烧杯中，观察现象并分析原因。

我们设计了如下实验（图12）：将三支高度差大致为1.5～2cm的蜡烛，取适当距离竖立放在玻璃片上，分别将其点燃，当它燃烧形成稳定的火焰时，罩上一个大烧杯，我们可以观察到火焰一定是从高到低逐个熄灭的，这是为什么？

前一个实验是CO2密度比空气大，在向烧杯倾倒CO2时，靠近杯底的蜡烛的火焰最先熄灭。后一个实验是倒扣下烧杯时，整个烧杯内形成密闭空间，蜡烛燃烧产生的灼热的CO2密度小，在烧杯上部（烧杯底）慢慢积蓄，所以蜡烛火焰总是按照从高到低的顺序依次熄灭。

7 蜡烛燃烧何以形成深陷的凹槽

一般情况下，一支蜡烛燃烧后，蜡烛烛芯周围有微微凹陷，倘若想要得到一个更深陷的凹槽，则可以按如下的操作方法来实现。

点燃一支蜡烛，竖立粘在玻璃片上，再将它放入大小合适的烧杯中，然后向烧杯内加冷水到火焰以下0.5～1cm处。待蜡烛燃烧到接近水面时，石蜡（烛）的边缘不再液化，最终逐渐形成深陷的凹槽（图13）。待凹槽内空气流动十分不畅，难以维持蜡烛燃烧时，火焰才会以极其缓慢的速度熄灭，最终形成深深的石蜡凹陷，故该趣味实验又有“水下烛焰”之称。