白磷在水中燃烧实验的再改进

周来友

摘要：对白磷在水中燃烧的实验装置进行了改进。新装置改变了实验过程的供氧、燃烧和吸收的条件，缩小了白磷所处的水环境，使水环境的温度能迅速达到并保持在80℃以上，以保证氧气在水下离开导管后引发白磷发牛彻底的燃烧和不留残余；借助氧气的持续通入，反应产牛的污染物完全进入吸收装置并被处理，消除了隐患，减少了污染。

关键词：白磷在水中燃烧；实验装置设计；纯氧空间；实验改进；创新能力

文章编号：1005-6629（2017）8-0068-05

中图分类号：G633.8

文献标识码：B

1白磷在水中燃烧实验存在的主要问题

关于白磷在水中燃烧的实验装置和实验方法，现有初中《化学》教材（九年级上册，人民教育出版社出版，2012年6月第1版）中是这样表述的：在500mL烧杯中加入300mL热水，并放入用硬纸圈圈住（2012年以前版本教材没这样规定）的一小块白磷，观察现象。用导管对准上述烧杯中的白磷，通人少量氧气（如图1所示），观察现象。

此方案存在的主要问题归纳起来有以下几点：

（1）白磷燃烧不充分，不彻底，有残留。

按照以前版本教材实验时，把豆粒般大小的白磷直接放入盛热水的烧杯底部以后，因白磷熔点较低（44.1℃）会熔化成油状液滴，当把导管对准油状液滴通入氧气后，白磷燃烧昙花一现。余下来不及反应的白磷，因刚才瞬间发生化学反应的破坏和氧气流的冲击从而形成很多个白磷小液滴。这些白磷小液滴零乱分散在水中各处，实验者需不断追逐这些白磷小液滴继续通入氧气，操作很不方便，燃烧现象不明显。

按现有版本教材的表述进行实验，虽说克服了上述不足，但白磷所处的水环境仍然较大，白上而下通入氧气不能保证白磷和氧气充分接触，实验结束后白磷燃烧不彻底有残留，只是和以前教材相比有所降低而已，即使通人足量的氧气也是如此。

（2）用硬纸圈圈住白磷，并不是防止白磷熔化被冲散的最好办法。

一是限制白磷的硬纸圈材质倘若选择不好，有可能被水浸泡后松散开来，很有可能被燃着的白磷引燃，导致有一部分熔化的白磷飘走；二是硬纸圈是可燃物或含有其他可燃物，燃烧发生后究竟是硬纸圈引燃了白磷，还是白磷引燃了硬纸圈？这个问题并不明确。

（3）和以前版本的教材一样，默认用热水处理污染物，方法欠妥。

生成的五氧化二磷逸散在水中，能和水反应（冷水中反应生成偏磷酸，热水中反应生成正磷酸即磷酸），故实验结束后的废液中除了含有磷酸、偏磷酸外，还含有残余的五氧化二磷和更小的白磷小液滴等物质，显然热水只是溶解或容纳这些物质，并不能降低这些物质的含量。

（4）很多教师缺乏安全意识，随意处理废液。

和以前版本类似实验一样，有的教师课下清洗仪器时，存在残留的白磷发生二次燃烧的情况；还有教师课下直接把废液倒入下水道。这样做不但会造成小范围的环境污染，而且还有可能产生更大的安全隐患。

2白磷在水中燃烧实验的文献综述

现阶段，国内公开发表的有关该实验改进的介绍的确不少，既有针对以前版本教材的，也有针对现行版本教材的。下面，笔者根据查阅的文献资料，仅从基本做法和存在问题两个方面做研究综述。

2.1基本做法

改进时，从烧杯、导气管、热水、白磷、氧气这五种因素出发，改变其中的一种或几种因素，就可产生下面一些常见的做法。

（1）限制白磷法。利用一个中间凹、边缘凸的小物件或小笼子把白磷限制在烧杯中的小范围之内进行改进。例如在烧杯中的热水下面，把白磷放进小圆圈、小勺子、凹陷平台、螺丝母等用品中，对准白磷通入氧气；在热水下面用玻璃小漏斗或是带眼塑料小漏斗罩住白磷通入氧气；把盛放白磷而且畅通的玻璃导气管弯成“V”型浸入盛热水的烧杯中通入氧气等等。

（2）导管放大法。把通氧气的导管改为试管、锥形瓶等倒扣住热水中的白磷，引发燃烧，也可叫倒扣氧气法。例如把充满氧气的试管或锥形瓶，倒插入盛热水的烧杯中罩住白磷，容器内氧气因被压缩和热膨胀，进入的少量水从下口下降或排出，致使里面氧气和白磷接触引发燃烧。

（3）缩小烧杯法。把烧杯换成较小的容器进行实验。例如，在试管中加入一定量的热水，把一小块白磷放入试管底部，再把試管放入盛有热水的烧杯中，然后向试管底部通人氧气；把白磷放入盛少量热水的离心试管里，缓慢通入氧气。

（4）氧气直通法。此法是让氧气直接持续接触白磷进行实验。例如，用T型管中间端连接盛空气的注射器，另外两头分别连接带有导管且塞紧单孔塞的两只试管，试管中分别放入相同的白磷、燃烧平台和水（一冷一热），推动注射器活塞，使水面下降露出白磷引发燃烧。

（5）限温限磷法。此法通过限制白磷和热水温度，通入氧气使白磷燃烧。例如烧杯中放入超过40℃的热水后把事先已固定好的白磷放人烧杯中，迅速对准白磷通入氧气。

（6）上磷下氧法。实验时，容器内上边放白磷，从下边供给氧气。例如把白磷放入盛热水的长颈漏斗里并从漏斗下端连续缓慢通入氧气；把中下部卡着钢丝清洁球或铜网的漏眼试管放入烧杯的热水中，上端放人白磷，从试管底部往上通人氧气；把白磷迅速放入盛有多半热水少半氧气的瓶子或试管里，塞紧塞子颠倒过来上下轻轻振荡，氧气上升碰撞下降的白磷发生燃烧，来回颠倒；预先将少量的二氧化锰放入具支试管里，再将长颈漏斗和钢丝清洁球放入具支试管里，向具支试管里加入开水和白磷，向长颈漏斗里加入10%的H₂o₂溶液，就会看到有气泡向上冒，气泡经过钢丝球时白磷燃烧。

（7）限氧限磷法。通过限制水中的白磷和氧气气泡对实验进行改进。例如把两端开口的玻璃管竖直放入烧杯中，下面圈住白磷，上面塞紧带导管的胶塞，穿过胶塞的导管那部分在水中接近白磷，通入氧气。endprint

2.2存在的问题

上述做法参差不齐，优劣并存，但无不给人以启迪，给人以智慧。针对各种改进方案存在的问题进行合并归纳，主要有以下几点：

（1）多数改进白磷和氧气的反应仍不够充分、彻底，实验结束后白磷有残余。

（2）普遍默认的污染物的处理方式就是用浸没白磷的热水来吸收。对吸收完之后的废液又该如何处理同样没有作进一步的说明。

（3）有的改进实验不能保证白磷的燃烧被水封闭，容易引起人们的质疑。

（4）有的方法虽然白磷和氧气反应较充分，几乎没有残留。但操作上小有难度、不方便；或清洗时仍有安全隐患。

（5）个别改进实验根本不能称为白磷在水中燃烧，而是白磷赤裸裸地在氧气中燃烧，改进者竟还提出这是改进原理，没有意识到白磷在水中燃烧和在氧气中燃烧是有区别的。

（6）普遍缺乏处理废液的意识以及适应社会发展、关注社会环保的教育理念。

3白磷在水中燃烧实验的再改进

针对现行教材表述进行实验和当前改进现状存在的问题，笔者以2016年苏州中考化学试题第31题的实验装置为例，尝试对水中白磷燃烧的实验作进一步的改进探究，以体现其功能和价值。

3.1实验改进的方案设计

3.1.1实验改进装置

实验改进装置（如图2所示），由A、B、C三部分组成。A装置用来现场供给和控制氧气，也为B、C两部分装置发挥更大的作用提供动力支撑；B装置在A装置的配合下共同创造白磷在水下燃烧所处的外部纯氧空间，并演示白磷在水中燃烧（和氧气反应）的情况；C装置用来吸收产生的五氧化二磷等污染物。

3 .1.2实验操作

（1）在锥形瓶中加入l药匙二氧化锰，用注射器吸入约40mL5%—10%的过氧化氢溶液，然后将注射器的针头刺入橡皮塞中做好准备。

（2）在广口瓶中先加入浓度为1%的氢氧化钠溶液至其中上部，再滴加几滴饱和酚酞溶液后旋紧双孔塞。

（3）取一块绿豆大小的白磷放入小试管中，再加入少量约80℃的热水（热水的高度以小试管高度一半左右为宜）观察现象；将大试管稍作倾斜，让小试管沿大试管内壁慢慢滑入大试管中；将双孔塞的长导管伸到小试管中接近白磷正上方的位置，旋紧双孔塞；最后将大试管放入烧杯中。

（4）按图2接好装置，检查装置的气密性。在烧杯中加入200mL约80℃的热水，若观察到C装置中浸没在氢氧化钠溶液中的长导管的末端有气泡冒出，则证明装置气密性良好。

（5）推动注射器活塞制取并控制通入氧气的速度。一开始缓慢推动注射器活塞，保证氧气在水面下形成气泡后脱离导管和白磷接触。随着实验的进行，酌情改变通入氧气的速度，观察A、B、C三部分装置中的实验现象。

3.1.3现象结论

（1）装置A中出现气泡，说明锥形瓶中的过氧化氢在二氧化锰的催化作用下发生分解反应产生了氧气。

（2）装置B的小试管中加入热水后，白磷不燃烧，这说明缺少氧气。推动注射器活塞酌情调速，氧气沿导管进入B的小试管中，水里有气泡冒出，一开始水下白磷先冒出少量白烟，后来白磷被点燃，持续燃烧并产生大量白烟。这就说明当可燃物白磷温度达到着火点时，尽管浸没在水中，只要和氧气充分接触就能燃烧。

（3）白烟渐渐进入装置C中而消失。这说明氧气的持续通人很有必要，有利于B中白烟随气流进入装置C中，最后被氢氧化钠溶液完全吸收。

3.2改进实验的优点

（1）白磷和水接触的水环境比较狭小，水的温度又较高，所以向热水里通入氧气时，表面附着大量气泡的白磷，更容易在水表面以下和氧气气泡进行充分的接触，白磷燃烧比较充分、彻底，没有残留。

（2）实验中产生的污染物得到了及时有效的处理，清洗仪器也比较安全。比起默认用热水吸收污染物降低了风险，减轻了对环境的污染。

（3）增加产生氧气的实验装置A，无需事先准备氧气。供给氧气经济方便，节省药品和时间。液体药品的加入，便于控制产生氧气和向水中白磷通人氧气的速度。

（4）通人一段时间的氧气以后，装置B中小试管里水面环境不再是空气空间，而是成为一个纯氧气空间，使燃烧实验得以充分进行。

（5）课前精心准备试验，确保白磷的燃烧发生在热水的下面，燃烧被水封闭，增加了实验的可信度，打消了质疑。

（6）更换热水后，如果过氧化氢有剩余（没有则进行更换），可以在其他班级继续使用，便于进行多次实验。

（7）整套改进装置功能较多（详见后文介绍）。

（8）对培养学生的创新精神和创新能力起到较好的示范作用。

3.3實验改进的整体分析

如果说“装置改进、操作简化、材料节约、污染降低、反应彻底”是优点的话，那么“统筹布局，整体考虑，相互配合”则是确保水下白磷完全燃烧成为可能，也是本实验改进的设想。

（1）装置A在整体中的作用： A从表面看是供给氧气的实验装置，实际上却是整个装置的“心脏”，为整套装置提供动力支撑和压力支撑。它除了具有前边介绍的优点以外，最主要的作用就是控制氧气和白磷的接触程度，为白磷燃烧持续供给氧气，给B中小试管的热水外面创造了一个纯氧空间，通过调速保证氧气脱离导管后和白磷接触而引起燃烧。

（2）装置B中大试管的作用：

大试管中装入小试管，容纳氧气，和装置A联袂给小试管内的热水上方创造了一个动态的稳定的纯氧空间，为保证水下白磷和氧气接触更充分、燃烧更彻底创造了-一个有利的外部环境。

（3）装置B小试管中热水的高度以小试管高度一半左右为宜。

本实验中，小试管中热水的高度以一半左右为宜，这是课前围绕本实验的主要目标，经过多次实验试验出来的。首先，本实验必须保证，通过控制氧气的速度，使氧气在水面下形成气泡后，气泡必须脱离导管才能和白磷不断接触，这就使白磷的燃烧必须有一段时间明显被水封闭成为可能，从而引起人们对水中白磷燃烧的认同（白磷的燃烧应该被水封闭，否则叫白磷在氧气中燃烧）。其次，本实验还应确保在白磷的量大小（绿豆粒）不变、燃烧放热平均瞬时不变的条件下，产生的烟雾能快速推进装置C中。要实现这些目标，在其他因素固定不变的情况下，唯有调节水的用量。经课前实验证明，本实验中选定的小试管，所放热水高度以一半左右为宜。endprint

（4）装置B中盛放白磷的试管相对要小一些。

除了与达成实验目标有关外，试管越小，越便于把白磷控制在试管底部狭小的空间之内，当向水里面通入氧气时，白磷即使被冲散也跑不到哪里去，仍然保持较高的概率和氧气进行接触；试管越小，课前试验时越容易找到最佳水量；试管越小，籠罩在纯氧空间之内时，氧气越容易达到饱和状态；试管越小，盛的最佳水量也越少，通入氧气时，水面下的氧气气泡相对来说也就越集中。以上这些因素，保证了水面下源源不断且又密集的氧气气泡和水面下的白磷能够最大限度地进行接触（长导管伸到小试管中接近白磷正上方的位置也是这个原因），从而保证两者的反应更充分、更彻底，没有残留。

（5）装置B的烧杯和小试管中统一加入约80℃热水的目的：

烧杯里的大量热水除了检查气密性外，主要是为了给小试管加热和保温，使小试管里原本就是热水的温度始终接近80℃并汽化。在这一前提下，小试管里的热水除了给白磷加热，使白磷的温度快速达到着火点以外，还因白磷氧化放出大量的热加上自身原来就是热的，小试管中的水在部分白磷氧化或燃烧过程中不断吸收热量，快速地汽化形成很多密集的气泡。通入的氧气有一部分脱离导管和白磷接触，还有一部分氧气进入水蒸气密集的气泡里，包裹氧气的水蒸气气泡也会不断撞击白磷，如此反反复复，使白磷和氧气充分接触并剧烈燃烧。此外，还能抑制五氧化二磷粘在B装置内壁上，便于它以烟雾的形式随着氧气流进入装置C中。

（6）氢氧化钠溶液和酚酞试剂的作用：

实验过程中逸散的五氧化二磷属于酸性氧化物，有剧毒，伴随氧气的不断通入，被装置中的氢氧化钠溶液全部吸收了，最终生成磷酸钠，6NaOH+P₂o₅=2Na₃Po₄+3H₂o，基本消除了对自身水体和周边环境的污染。通过酚酞溶液颜色的变化，控制中和反应的发生程度，从而判断氢氧化钠溶液是否完全反应以及污染物是否完全处理掉。注意氢氧化钠溶液不要太浓，最好为O.lmol/L，酚酞溶液是饱和的，防止酚酞迅速褪为无色，避免造成干扰。

4本实验改进装置的多种功能

本实验装置只要稍加变动，就会发现该装置具有多种功能。下面略举几例：

（1）B中大试管内放入适当种类的固体干燥剂。当C中加满水时，其短管和B相连接而长管另一端伸入量筒之内，本装置可演示氧气、氢气、二氧化碳（见人民教育出版社网站教材培训）的实验室制取、干燥、收集和测量方法。

当装置C中不加水时，装置C正放也可演示气体的制取、干燥和收集；当气体密度小于空气时，装置C的短管和B装置相连即可。装置C倒放收集气体时，密度大的气体从短管（与B相连）通入，密度小的气体从长管（与B相连）通入即可。

（2）C装置略大一些，保留长管去掉橡皮塞和短管，盛放适量氢氧化钙溶液，可演示碳、硫、磷、铁、蜡烛等在氧气中燃烧的实验。

（3）B中加入碱性干燥剂，C装置缩小放入吸水干燥剂，C装置外部的短管加长，可对氢气的化学性质进行全方位的演示。

任何一个实验的改进都不会十全十美，本改进亦是如此。但是“装置创新、操作简化、材料节约、污染降低、统筹布局、相互配合”等，应是改进实验的整体设想。这些实验改进理念正好和当今社会或企业发展所倡导的理念相吻合，对培养学生的创新精神以及适应社会发展的创新能力是十分重要的。endprint