从3盏灯了解燃烧知识

小学科学实验、中学理科实验中的热源，主要来自各种灯，如酒精灯、酒精喷灯、本生灯等。酒精灯的操作步骤、注意事项，大家应该已耳熟能详，但是普通酒精灯的加热温度有限且不够稳定，而初中化学的某些实验需要高温条件，如教材中的木炭还原氧化铜实验就提到，“可加网罩以使火焰集中并提高温度，最好使用酒精喷灯”。那么，酒精喷灯有什么特别之处呢？它的工作原理是什么？化学史上还有哪些著名的灯？它们的工作原理又是什么？

酒精喷灯为何比普通酒精灯更好用

酒精喷灯有酒精贮存在灯座内的座式喷灯和酒精贮罐挂于高处的挂式喷灯两种，实验室常见的是座式喷灯。座式酒精喷灯主要由酒精入口（壶嘴）、预热盘、预热管、喷管、空气调节杆等组成。预热管与喷管焊在一起，中间有一细管相通，使蒸发的酒精蒸汽从喷嘴喷出，在喷管燃烧。通过空气调节杆，可以控制火焰的大小。

使用座式酒精喷灯时，要注意酒精应加至壶体总容量的2/5～2/3，不能过少，也不得注满。向预热盘中注入约2/3 容量的酒精并将其点燃，待预热管内酒精受热汽化并从喷管喷出时，预热盘内燃着的火焰就会将喷出的酒精蒸汽点燃，有时也需要用火柴点燃。停止使用时，用陶土网或木板平压覆盖喷管口即可熄灭灯焰。

根据使用方法，我们可推测酒精喷灯的工作原理。预热盘内的酒精先燃烧产生热量，使预热管内沿灯芯上升的酒精大量汽化，并在喷管内同空气混合，此时预热盘上的火焰也会点燃酒精蒸汽（有时需要用火柴点燃）；由于酒精喷灯的导热性能（这也是酒精喷灯之所以用铜制的原因之一），一旦其被点燃，喷管口火焰的温度足以维持酒精源源不断地汽化并通过喷嘴进入喷管。用中学化学所学知识来解释酒精汽化的过程，就是底座内的酒精受热，分子运动加剧，分子间间隔变大；喷管内酒精蒸汽之所以能够燃烧，是因为满足了燃烧的3 个条件：可燃物、氧气、温度达到可燃物的着火点。

酒精喷灯和普通酒精灯均利用酒精蒸汽的燃烧作热源，为何酒精喷灯能达到的温度比普通酒精灯的高得多？很大原因在于酒精喷灯利用喷管将酒精蒸汽及其燃烧产生的热量富集，并可通过空气和燃料的比例获得最大的燃烧和加热效率。而普通酒精灯燃烧产生的热量，大多随火焰周围气流的对流耗散了，所以普通酒精灯的温度虽然也有达到800℃的情况，但是一般来说，其加热要温和得多。

本生灯为何能调节火焰大小

本生灯由德国化学家本生在煤气灯的基础上改进而来。

1852 年，德国海德堡大学向本生发出了一封聘请信，打算聘请他为化学教授。本生接信前往，然而当他考察了学校的实验室后，发现实验室的很多方面已经远远赶不上当时化学的发展了。于是，本生向学校提出，他要根据自己的设计建造新的化学实验室，否则就离开。学校同意了。在建造化学实验室的过程中，本生就需要面对一个重大问题：现有仪器和实验需求不同步，尤其在加热方面。

那时，德国的一些城市已经开始普及煤气路灯，本生从这一点得到启发，设计了利用煤气加热的灯具。可惜新灯具的黑烟大、效率低，这让本生的灯具改良陷入了僵局。就在这时，本生的一个学生从英国带回了法拉第发明的新灯具。这种灯具呈圆锥形，能上下移动，顶部有个金属网。但是，本生试了后发现，这种灯的火焰依旧较小，温度低、不稳定，而且火焰大小难以调节。

经过思考，本生发现了这一系列问题的症结所在：这种灯同酒精灯一样，都是靠外部供给空气燃烧，但是由于煤气与空气接触的时间短，混合不充分，燃烧不完全，温度上不去，黑烟也就滚滚而来了。所以，要想火焰燃烧旺、黑烟少，就一定要在点燃之前将气体充分混合。这一想法与我们所学知识不谋而合。要使燃料充分燃烧，通常需要考虑两点：一是燃烧时要有足够的空气，二是燃料与空气要有足够大的接触面积。

这种想法得到了学校同事彼得·迪斯德加的认同，他将本生的想法变成了现实。经过一次次的试用和改进，1855年，本生灯诞生了。它可以安全地燃烧气体燃料，煤气或者石油气火焰不会倒流进气体供应管内。当空气与煤气的进气量为3：1时，火焰最佳，火焰温度最高可达1 000℃以上，旋转灯管或者下部的螺丝可以调节进气量以控制火焰大小。

本生灯的火焰分为3层：内层由水蒸气、一氧化碳、二氧化碳和氮氧混合物等构成，温度约为300℃，称为“焰心”；中层的煤气开始燃烧，但是燃烧不完全，火焰呈淡蓝色，温度约为500℃，称为“还原焰”；外层煤气燃烧完全，火焰呈淡紫色，温度可达800～900℃，称为“氧化焰”，此处的温度最高，故加热时利用氧化焰。因本生灯的燃烧效率高，产生污染小，多用于实验室中。

戴维灯为何能在矿井中安全燃烧

19世纪，英国的煤炭工业蓬勃发展，全国各地都在开发煤矿，但是煤矿经常发生爆炸事故，矿工的生命没有保障。矿井为什么会爆炸呢？原来，在矿井中弥漫着一种叫作“甲烷”（俗称“瓦斯”）的气体，它有可燃性。通过中学化学学习可知，可燃物在有限的空间内急剧地燃烧，就会在短时间内聚积大量的热，使气体的体积迅速膨胀而引起爆炸。可是，在伸手不见五指的矿井里，不点灯照明的话，怎么挖煤呢？

英国成立了一个专门研究煤矿生产事故的协会，号召科学家为矿工的生命安全作贡献。科学家戴维立即投入了这项新的课题研究。

戴维先到矿井进行实地考察。他察看了矿井的形状、大小、通风等情况，又找矿工了解了瓦斯爆炸的原因。十几天的调查，使戴维确认了爆炸的原因。同时，矿工介绍的瓦斯爆炸时的悲惨情景以及他们的强烈愿望，更坚定了戴维发明一种安全灯的决心。

怎样才能使灯不会点燃瓦斯呢？戴维首先想到：把灯与周围完全隔离开。这样自然不会发生爆炸事故，可是灯也点不着了，因为燃烧需要氧气。那么，必须设计一种空气能进去的灯罩。戴维又想到：铜、铁等金属的导热性很好，它们能够将热很快地从一处传到另一处，如果在灯的外面装一个金属网罩，这样火焰燃烧的热量不断地被传导、散发掉，罩子与外界接触面的温度就不会很高，低于瓦斯的着火点，瓦斯也就烧不着了。想到这里，戴维连忙找来一张铁丝网，用它制成一个圆筒形的灯罩。戴维将灯罩装在灯的外面，将少量瓦斯喷到灯罩上，结果瓦斯没有燃烧起来。接着，戴维又逐渐加大喷出的瓦斯的量，以至灯罩边缘的瓦斯浓度超过矿井中瓦斯的最大浓度，瓦斯依然没有被点着。

一种新型的矿井用灯诞生了！在它走出实验室前，戴维决定亲自带着它下矿井试验。他的想法遭到好友华德生的反对。华德生说：“您是大科学家，是‘国宝’，不能这么干，太危险了。再说，我是医生，处理应急事件的能力比您强，还是让我来吧！”华德生举着灯，健步走进矿井。矿井上围观的人们都怀着忐忑不安的心情等待着。漫长的20 多分钟过去了，华德生微笑着从矿井里走出来。围观的人们热烈欢呼：“戴维发明的灯真不简单！”后来，人们就把这种灯称为“戴维灯”，它的发明不仅拯救了无数矿工的生命，而且促进了英国煤矿工业的大发展。

那么，戴维灯所蕴含的化学道理是什么呢？还是燃烧的3 个条件——可燃物、氧气、温度达到可燃物的着火点。戴维灯就是利用了金属良好的导热性，使得热量不断散发，温度达不到瓦斯的着火点，瓦斯就无法燃烧了。小学科学中“烧不着的纸船”也是这个道理，纸船中的水不断吸收热量，纸船的温度始终达不到纸的着火点，纸船也就无法燃烧了。

戴维灯在世界上使用了100 多年，直到20 世纪30 年代才被电池灯替代。戴维拒绝为自己的发明申请专利，他说他的“唯一目的是为人道事业服务”。

（责任编辑：白玉磊）