“倾倒氧气助燃”与“倾倒二氧化碳灭火”实验的组合设计

李德前 周梅华 张羿

摘要： 利用亚克力塑料板制作一个敞口的实验盒，通过实验盒中间的隔板可以排除烟囱效应对倾倒气体操作的干扰。在实验盒里依次进行倾倒氧气助燃、倾倒二氧化碳灭火两个组合实验，不仅现象有趣，而且结论可靠。丰富了实验教学资源，提高了实验教学效果。

关键词： 倾倒氧气助燃; 倾倒二氧化碳灭火; 实验组合设计

文章编号： 1005-6629（2021）03-0067-04

中图分类号： G633.8

文献标识码： B

1  问题的提出

1.1  “倾倒二氧化碳灭火”改进实验存在烟囱效应干扰

“倾倒二氧化碳灭火”实验是现行各个版本的初中化学或科学教科书中的经典实验，针对该实验的不足，一线教师作了许多改进，其中不少的改进方案都能出现标准预设现象（即蜡烛自下而上依次熄灭），但这些改进装置[1～3]（如图1所示）在倾倒气体时又强

化了烟囱效应，使蜡烛燃烧区域上升的热气流对倾倒的气体形成了较强的拔风、抽吸作用。

设想在图1所示的三个改进装置中，如果倾倒的是密度比空气小的氮气，那么氮气也会使蜡烛自下而上熄灭，因为烟囱效应造成大量的氮气被吸入烧杯底部[4]。因此，“倾倒二氧化碳灭火”实验必须排除“烟囱

效应”对气体倾倒操作产生的干扰。

1.2  教科书上没有设计“氧气密度比空气大”实验

现行各个版本的初中化学或科学教科书上均没有编排“氧气密度比空气大”的实验，教材的编写者都是通过语言陈述直接给出“氧气密度比空气大”的知识。这样处理，使教学缺乏直观性和说服力，学生对此知识点只能死记硬背。

由此设想，利用“倾倒二氧化碳灭火”的改进装置进行“倾倒氧气助燃”实验，以验证氧气支持燃烧、密度比空气大等性质。

2  实验的改进和创新

2.1  改进思路

利用无色和黑色的兩种亚克力塑料板，设计一个长方体形状的实验盒，上面敞口;在实验盒中间加设一块可以上下移动的竖向隔板（相当于闸门），将实验盒划分为“蜡烛燃烧室”和“气体倾倒室”两部分（如图2所示）。

在倾倒气体助燃或灭火实验中，当按下隔板后再进行倾倒气体操作，就可以排除烟囱效应对倾倒的气体所产生的抽吸作用。

2.2  实验用品

氧气、二氧化碳、较细的蜡烛、线香;自制的实验盒、500mL的宽口塑料瓶、氧气传感器（含数据处理软件）、火柴、细木条、酒精灯、细沙等

2.3  制作实验盒

（1） 截取15cm×9cm的无色透明亚克力塑料板一块，用作实验盒的正面（便于学生观察实验盒内的现象）;截取15cm×9cm的黑色亚克力塑料板一块，用作实验盒的背面;截取9cm×6cm的黑色亚克力塑料板三块，两块用作实验盒的左右侧面，一块作为实验盒中间的隔板;截取15cm×6cm的黑色亚克力塑料板一块，用作实验盒的底面。

（2） 按图3所示，借助无影胶，将用作正面、背面、左侧、右侧和底面的5块亚克力塑料板粘合成一个实验盒（其容积约为810mL）。

（3） 在实验盒前后两块塑料板正中的对应内壁上，粘接两条竖直的凹槽;将隔板插入凹槽中，使其像闸门一样能上下自由移动（如图3所示）。

（4） 也可以借助3D打印技术，使实验盒直接成型。

2.4  “倾倒氧气助燃”实验

（1） 向实验盒的底部加入适量的细沙（不超过实验盒容积的1/4），用于固定蜡烛或线香，同时方便调整蜡烛或线香露出细沙的高度。

（2） 取两支细蜡烛、两根线香，分别插入细沙中，并使两根蜡烛、两根线香露出细沙的高度不同（如图4所示）。

（3） 找两个500mL的宽口塑料瓶，采用排水法，分别收集一瓶氧气、一瓶二氧化碳，旋紧瓶盖后备用。

（4） 点燃酒精灯，借助细长的木条，引燃蜡烛、线香;旋开盛有氧气的塑料瓶盖，将瓶中的氧气缓缓注入气体倾倒室里（如图4所示）。

（5） 估计氧气完全倒出后，轻轻提起实验盒中间的隔板，立即观察到蜡烛燃烧更旺，发出白光，带有火星的线香也剧烈燃烧起来，产生近乎白色的火焰。

上述实验现象说明，倾倒氧气时，在没有烟囱效应干扰的情况下，氧气能自由地较快地大量下沉。氧气在空气中能够大量下沉，表明氧气的密度比空气大[5，6];在提起中间的隔板后，蜡烛、线香燃烧更旺，这又说明了氧气能支持燃烧。

2.5  “倾倒二氧化碳灭火”实验

（1） 当蜡烛、线香的燃烧恢复到正常状态时，按下中间的隔板，将蜡烛燃烧室与气体倾倒室再次隔开。

（2） 旋开盛有二氧化碳的塑料瓶盖，将瓶中的二氧化碳气体缓缓注入气体倾倒室里。

（3） 估计二氧化碳完全倒出后，轻轻提起实验盒中间的隔板，立即观察到蜡烛、线香均从低到高依次熄灭（如图5所示）。

上述实验现象说明，倾倒二氧化碳时，在没有“烟囱效应”干扰的情况下，二氧化碳能自由地较快地大量下沉。二氧化碳在空气中能够大量快速下沉，表明二氧化碳的密度比空气大[7，8];在提起中间的隔板后，燃着的蜡烛、线香均被熄灭，这又说明了二氧化碳不燃烧，也不支持燃烧。

（4） 实验结束，整理实验用品，引导学生完成实验报告。

2.6  几点说明

（1） 实验盒中间的隔板与两边的凹槽应较为吻合，以防蜡烛燃烧室与气体倾倒室隔离不彻底，影响实验效果。

（2） 放有細沙的实验盒总容积约是600mL，其中气体倾倒室和蜡烛燃烧室的容积各占300mL左右，塑料瓶内气体的体积约是500mL。由于一部分气体在倾倒时会逃逸到实验盒外面的大气中，因此塑料瓶内的气体要尽量完全倒出，以确保有足量的氧气或二氧化碳进入实验盒内。多次实验发现，在缓慢倾倒塑料瓶中的气体时，一般倾倒12～15s能将氧气完全倒出、8～11s能将二氧化碳完全倒出。

（3） 如果实验装备条件允许，在“倾倒氧气助燃”实验中还可以借助氧气传感器来定量说明“氧气倾倒后能很快地大量下沉”（如图6、图7所示）。

分析图7中的曲线不难发现，在倾倒氧气后，“气体倾倒室”内氧气浓度明显增大（如图AB段），在倾倒氧气大约到第25s时，氧气浓度达到最大值，约62%（见图中B点），充分说明氧气在空气中能够较快地大量下沉。

另外，提起实验盒中间的隔板后，氧气浓度先快速下降（因为大量的高浓度氧气从高处流入低浓度氧气区域，并有烟囱效应相助，如图中BC段），然后缓慢下降（主要是燃烧消耗氧气），直至与环境值一致（燃烧结束，实验盒内外的气体发生交换）。

3  对实验的评价

（1） 利用上述实验盒，首先验证“氧气密度比空气大、支持燃烧”等性质，然后验证“二氧化碳密度比空气大、不燃烧、不支持燃烧”等性质，两个不同性质的实验在同一装置内科学衔接、巧妙融合，提升了课堂实验教学的效益。

（2） 上述实验盒设计新颖，制作简单，操作简便，现象有趣，结论可靠，由现象到结论自然流畅，充分体现了实验教具的科学性和实用性，有利于培养学生严谨求实的作风，并发展学生的科学探究能力和理性思维。

（3） 本实验既可用于课堂演示，也可作为学生分组实验，有助于学生认识氧气和二氧化碳的性质，并激发他们的学习兴趣和创新意识。

（4） 该实验盒充实了中学化学实验教学资源，为“开齐开足开好化学实验”积累了必要的物质基础，具有一定的推广和应用价值。

总之，化学实验创新永无止境，没有最好只有更好。吸取前人的研究成果，融合自己的创新思路，就可以对化学实验不断创新，对实验装置进行优化，从而丰富中学化学实验教学装备，提高化学教学质量。利用本实验盒进行化学实验，使理论知识直观化，科学知识趣味化，有助于培养学生尊重事实、追求创新、勇于探索的科学素养[9]，同时也有效提升教师的专业素养和业务能力。

参考文献：

[1]张道飞. 对倾倒二氧化碳熄灭蜡烛火焰实验的改进[J]. 教育与装备研究， 2011， （9）： 18～19.

[2]邓九皋. 二氧化碳熄灭阶梯烛火实验的改进[J]. 化学教育， 1994， （8）： 34～35.

[3]马可彪. 用自制的低成本教具演示二氧化碳灭火实验[J]. 考试周刊， 2011， （36）： 190～191.

[4]魏海， 李德前， 周梅华. 倾倒二氧化碳灭火实验需排除“烟囱效应”的干扰[J]. 化学教学， 2019， （11）： 63～66.

[5][7]晋宏营. 重力场中混合理想气体分子按高度分布的研究[J]. 大学物理， 2013， （5）： 3～8.

[6][8]宋华忠. 解读中学物理气体分子运动特点[J]. 中学物理， 2014， （6）： 33～34.

[9]周梅华， 李德前. 对燃碳法“测定空气中氧气的体积分数”实验的质疑与探究[J]. 化学教学， 2015， （2）： 56～59.