将白磷包裹在铁丝绒内进行水中燃烧实验

2021-01-23李德前魏海张羿

化学教学 2021年12期

李德前魏海张羿

摘要：借助直角玻璃管、后具支试管、球形干燥管、小气球、裹在铁丝绒中的白磷、罐装氧气、水和氢氧化钠等实验用品，设计了三套白磷在水中燃烧实验的新装置。改进后的实验，白磷始终在水下燃烧，不仅操作简便、现象直观，而且反应可控、实验有趣，有利于学生认识燃烧反应的条件，发展学生的科学素养。

关键词：白磷; 水中燃烧; 铁丝绒; 实验改进

文章编号： 1005-6629（2021）12-0072-03

中图分类号： G633.8

文献标识码： B

白磷在水中燃烧实验非常有趣，实验现象出乎意料。很多教师按照九年级化学教科书上的方法（装置如图1所示[1]）进行实验时，由于热水的温度（约80℃）明显高于白磷的熔点（约44℃），致使白磷熔化，再加上氧气流的冲击，造成白磷分散，在烧杯底部开放的空间里四处游荡[2]，这样一来，氧气与白磷难以充分接触，燃烧因此断断续续，实验现象有时昙花一现，有时稍纵即逝，难以满足学生的观察欲望;并且原实验也没有从环保的角度进行设计。

另外，有的改进实验虽然能使白磷持续燃烧，但白磷实质上是在水面上的氧气（或空气）中燃烧的。如潘国荣、李文博、胡海铭等老师设计的试管倒扣法[3～5]（装置如图2-a所示），操作者将充满氧气的试管小心而准确地倒扣在固定白磷的凹槽上，白磷立即燃烧，同时试管里出现负压，热水不断涌入试管内，使得白磷始终漂浮在水面之上，处于氧气的包围之中，因而白磷持续燃烧，直至氧气耗尽。再如张仪轩、程明银等老师设计的球形干燥管（或漏斗）倒扣法[6，7]（装置如图2-b所示），操作者通过缓缓推动注射器活塞，向倒置的球形干燥管里不断鼓入空气（或氧气），同时热水从球形干燥管和橡胶塞之间的缝隙中被排出，使球形干燥管内逐渐充满空气（或氧气），白磷因此从热水中暴露出来，得以与氧气充分接触而持续燃烧，直至白磷燃尽。

显然，改进该实验的主要思路是，在对环境友好前提下，促使水中白磷始终与氧气接触。据此，我们通过保障氧气供应（如改用罐装氧气）、改变氧气流方向（如改为由下向上通入氧气）、限制白磷的游动空间（如把白磷放入鸟巢状铁丝绒里）等，对实验进行了成功的改进。

1 改进方案Ⅰ

1.1 实验用品

15mm×150mm×150mm的直角玻璃管、铁丝绒、单孔橡皮塞、导气管、小气球、鑷子、护目镜等;罐装氧气、白磷、蒸馏水（水中滴有适量NaOH溶液）等

1.2 实验装置

新设计的实验装置如图3所示（夹持装置略）。

1.3 实验过程

（1）取一个15mm×150mm×150mm的直角玻璃管，在玻璃管内注入滴有NaOH溶液的蒸馏水（水面略超过弯管上壁8mm左右即可[8]），然后将装置固定到铁架台上。

（2）剪取一小块铁丝绒，将其整理为厚薄均匀、疏密适度、直径约1cm的鸟巢状[9]，然后将黄豆粒大小的一块白磷放入“鸟巢”中，再通过挤压、牵引铁丝线将“鸟巢”封口。

（3）将内有白磷的“鸟巢”放入蒸馏水中，随后按图3所示连接好整个实验装置（确保装置不漏气）。

（4）缓缓打开氧气罐的旋塞，缓慢通入氧气6～7s，观察到白磷没有燃烧。

（5）停止通入氧气，点燃酒精灯加热蒸馏水;待蒸馏水接近沸腾时停止加热，立即通入氧气，观察到“鸟巢”中的白磷在热水中剧烈燃烧（有关反应的化学方程式是4P+5O2点燃2P2O5及P2O5+6NaOH2Na3PO4+3H2O，下同），并伴随黄色火焰。

（6）上述实验现象说明，可燃物燃烧需要温度达到着火点并接触氧气。

（7）实验结束，整理仪器，处理废液。

2 改进方案Ⅱ

2.1 实验用品

15mm×150mm后具支试管、透明硅胶管、铁丝绒、小气球、镊子、护目镜等;罐装氧气、白磷、80℃热水（水中滴有适量NaOH溶液）等

2.2 实验装置

新设计的实验装置如图4所示[10]（夹持装置略）。

2.3 实验过程

（1）取一支15mm×150mm的后具支试管，在试管底部放入适量的细砂（细砂的高度与试管的支管口下沿相平）;在试管的支管口套接一段透明硅胶管，注意使硅胶管的竖直高度略高于试管的2/3，然后将装置固定到铁架台上。

（2）剪取适量的铁丝绒，将其整理成鸟巢状，再将黄豆粒大小的一块白磷塞入“鸟巢”中，然后将“鸟巢”封口。

（3）将内有白磷的“鸟巢”放入后具支试管底部，随即向试管里注入滴有氢氧化钠溶液的80℃热水（液面约在试管的2/3处），然后按图4所示连接整个实验装置（确保装置不漏气）。

（4）缓缓打开氧气罐的旋塞，缓慢通入氧气，观察到“鸟巢”中的白磷在热水中剧烈燃烧，产生黄色火焰，小气球也逐渐变大。

（5）关闭氧气罐的旋塞，停止通入氧气，白磷立即停止燃烧;再次通入氧气，白磷又燃烧起来。如此反复几次，热水中的黄色火焰一闪一灭[11]，非常好看，直到白磷燃烧完全。

（6）上述实验现象说明，可燃物燃烧需要温度达到着火点并接触氧气。

（7）实验结束，整理仪器，处理废液。

3 改进方案Ⅲ

3.1 实验用品

25mL的球形干燥管、铁丝绒、透明硅胶管、脱脂棉、镊子、护目镜等;罐装氧气、白磷、80℃热水（水中滴有适量NaOH溶液）等

3.2 实验装置

新设计的实验装置如图5所示（夹持装置略）。

3.3 实验过程

（1）取一支25mL的球形干燥管，在其细导管末端套接一段透明硅胶管（注意使硅胶管的竖直高度略高于干燥管的球形水平直径），然后将装置固定到铁架台上。

（2）剪取适量的铁丝绒，将其整理成大小合适、厚薄均匀的鸟巢状，再用镊子夹取黄豆粒大小的一块白磷，将其放入“鸟巢”中，再将“鸟巢”封口。

（3）将内有白磷的“鸟巢”放入球形干燥管的球形管底部，随即往球形干燥管里注入适量的滴有氢氧化钠溶液的80℃热水（水面不超过球形管的水平直径），然后按图5所示连接整个实验装置（确保装置气密性良好）。

（4）缓缓打开氧气罐的旋塞，慢慢通入氧气，观察到“鸟巢”中的白磷在热水中剧烈燃烧，产生黄色火焰。

（5）停止通入氧气，磷火就会熄灭;再通入氧气，白磷复燃;如此反复，热水中的黄色火焰随之一闪一灭，直至白磷耗尽，学生对此现象激动不已。

（6）上述实验现象说明，可燃物燃烧需要温度达到着火点并接触氧气。

（7）实验结束，整理仪器，处理废液。

4 结束语

上述改进实验中用铁丝绒做成的“鸟巢”，其表面的铁丝绒不能太密，以防氧气与白磷不能充分接触;也不能过于稀疏，以防白磷渗出;铁丝的直径以0.2mm左右为宜，因为太细的铁丝在水中会变软而失去弹性。实验的废液中如果还有白磷残留，可以借助硫酸铜溶液进行处理（有关的化学方程式是11P+15CuSO4+24H2O5Cu3P+6H3PO4+15H2SO4）。本实验的废液中含有磷酸钠，可以回收利用（如用作磷肥，浇灌校园花草树木）。

本改进实验的创新点主要是，装置设计巧妙，总能使白磷在水中与氧气充分接触。白磷燃烧的产物绝大部分被水中的NaOH直接吸收，一水两用;小气球确保从水中逸出的白烟也能被收储或吸收，因而实验过程对环境友好;直接使用罐装氧气，操作相对方便，氧气充足、气流稳定，实验的可视性好;尤其是费用很低，灌装一瓶（10L）工业氧气不超过10元，足够中等规模的初中实验室使用4～5年。

总之，白磷在水中燃烧的改进实验，体现了创新、激趣、节约、安全、环保等理念[12]，充分发挥了学科的育人功能，不失为优秀的中学化学实验教学资源。

参考文献：

[1]课程教材研究所，化学课程教材研究开发中心. 义务教育教科书·化学（九年级上册）[M]. 北京：人民教育出版社， 2012： 131.

[2]王立超. 燃燒条件演示实验的新设计[J]. 化学教学， 2018，（1）： 68～80.

[3]胡海铭. “燃烧条件”实验的绿色化改进[J]. 化学教学， 2015，（10）： 71.

[4]李文博. “燃烧与灭火”中几个演示实验的改进[J]. 中学化学教学参考， 2016，（12）： 63.

[5]潘国荣，白显圣. 对“燃烧条件演示实验”的评析及创新设计[J]. 化学教学， 2015，（7）： 63.

[6]张仪轩. “燃烧条件”探究实验的创新设计[J]. 化学教学， 2016，（11）： 77.

[7]程明银. “探究燃烧条件”的教学反思与创新设计[J]. 中小学实验与装备， 2014，（5）： 35.

[8]李德前，杜玉芬. 巧用长柄V形玻璃管改进和设计化学实验[J]. 化学教学， 2013，（8）： 41～43.

[9]牛大学，周广. “水火相容”——白磷在水中燃烧的新设计[J]. 化学教与学， 2017，（9）： 87～88.

[10]陈培亮. 白磷水下燃烧改进实验类型比较和再改进[J]. 化学教学， 2015，（6）： 73～75.