由“蜡烛为何会熄灭”引发的实验探究

胡云

一、问题的提出

人教版化学九年级上册第130页课堂探究——灭火的原理（如下图）。

点燃三支蜡烛，在其中一支蜡烛上扣一个烧杯；将另两支蜡烛分别放在两个烧杯中，然后向一个烧杯中加入适量的碳酸钠和盐酸，蜡烛燃烧的现象有什么不同？请用灭火原理分析。根据灭火原理分析，现象是左边第一个烧杯中的蜡烛熄灭，原因是与空气隔绝，所以蜡烛熄灭。上课时有学生提出问题：蜡烛熄灭后，烧杯中究竟还有没有氧气呢？学生的这个问题引起了我的思考。于是我设计了实验进行了验证，装置如下图：

在一个燃烧匙中放置蜡烛，另一个燃烧匙中放置适量的白磷，在瓶底铺一层氢氧化钠粉末（放置白磷的燃烧匙正好能置于氢氧化钠粉末上），分液漏斗中加入水。实验步骤：1.点燃蜡烛塞紧瓶塞；2.待蜡烛熄灭后，打开分液漏斗阀门，向瓶中滴加适量的水，利用氢氧化钠粉末溶于水放出的热量点燃白磷。实验现象：白磷燃烧。结论：置于烧杯中的蜡烛熄灭后，烧杯中依然有氧气存在。这个实验证明了蜡烛熄灭并不是因为装置中没有氧气了，而是经过蜡烛的燃烧将装置中的氧气消耗了一部分，使装置中氧气的体积分数降低所致，这又引起了我的思考：使蜡烛熄灭所需最低氧气体积分数是多少呢？从实验的实际操作考虑，我把实验的名称定为：探究使木条熄灭所需最低氧气体积分数。

二、实验探究

1.实验原理

（1）如何获得氧气体积分数不同并且都小于21%的“空气”？

既然是探究使木条熄灭所需最低氧气体积分数，首先就要获得氧气体积分数不同并且都小于21%的“空气”，也就是如何稀释空气。可以在集气瓶中加入不同体积的水，然后采用排水集气法的原理，向瓶中充入氮气将水排出，这样即可获得氧气体积分数不同并且都从计算公式可以看出，通过改变集气瓶中水的体积，可以得到氧气体积分数不同并且都小于21%的“空气”，集气瓶的体积可以这样获得：向集气瓶中加满水，然后用量筒量水的体积。

（2）如何获得氮气？

人教版九年级化学上册第二单元课题一《空气》中有个实验，名称是“空气成分测定实验”，装置如下图：

实验原理是：红磷燃烧将装置内的氧气消耗掉，使装置内大气压减小，待装置冷却至室温，打开止水夹，水倒流约五分之一个体积，根据大气压原理可知进入水的体积就是消耗氧气的体积。当水倒流约五分之一个体积后，装置中约五分之四体积气体的主要成分就是氮气。利用该实验装置即可获得氮气。

（3）如何将装置中的氮气排出，并把集气瓶中的水排出？

通过空气成分测定实验的装置获得了氮气，接下来要考虑如何将装置中的氮气排出，并把集气瓶中的水排出。在空气成分测定实验的装置的基础上做了改进，加个分液漏斗，装置如下图：

通过分液漏斗向装置内加水，利用水产生的压力将装置中的氮气排出，接下来就可以用排水集气法的原理，用氮气将集气瓶中的水排出了。

2.实验仪器和药品

实验仪器：大号广口瓶、橡皮塞、燃烧匙、分液漏斗、水槽、集气瓶、玻璃片、酒精灯、药匙。

实验药品：白磷、木条（直径约5mm）。

3.实验步骤

（1）关闭止水夹，关闭分液漏斗，点燃白磷，塞紧瓶塞。

注：为了确保装置的气密性，可在分液漏斗中加入一定量的水。

（2）利用等待装置冷却的时间，向集气瓶中加入不同体积的水。

我通过多次实验，选择了以下体积的水：10mL、15mL、20mL、25mL、30mL、35mL、40mL、45mL、50mL、55mL。

（3）待装置冷却至室温，打开止水夹，待水不再倒流时，即可得到氮气。

（4）通过分液漏斗向装置中加水，利用水产生的压力将装置中的氮气排出，同时用排水集气法的原理将集气瓶中的水排出，得到氧气体积分数不同并且都小于21%的“空气”。

（5）用燃着的木条进行燃烧实验。

将直径约为5mm的木条在酒精灯上点燃后，分别伸入盛有氧气体积分数不同并且都小于21%的“空气”的集气瓶中，记录现象。

（6）数据分析。

通过实验可知：集气瓶中水的体积为40mL时，木条立即熄灭。将这个数据带入计算公式。

三、实验结果与讨论

1.实验中注意的事项

（1）这个实验对气密性的要求很高，所以需要在橡皮塞打孔处及瓶口涂抹凡士林。气密性的检查：关闭止水夹，关闭分液漏斗，点燃白磷产生大量的白烟，此时将导气管放入水中打开止水夹，通过分液漏斗向装置中加水，如果装置漏气，就会有白烟冒出。

（2）为了将装置中氧气耗尽，白磷要过量。

（3）为了平衡装置内外压强，一定要等到装置冷却至室温后才能打开止水夹让水倒流。

（4）在排出氮气的操作中要注意，分液漏斗中始终都有水，否则一旦与外界大气相通，导致实验失败；同理导气管也要注意不要拿离水面。

（5）为了节约氮气，在换集气瓶时可关闭分液漏斗。

（6）在排出集气瓶中水时，发现水排不尽，每瓶都有2mL～3mL的水，所以为了减小实验的误差，在量取水时可以在原来数据上多量取2mL。例如，量取10mL水时可量取12mL的水。

2.实验结果

通过这个实验可以得出以下结论：

（1）使燃着的木条熄灭所需最低氧气体积分数约是15.8%。

（2）可燃物的熄灭不是完全没有氧气，当氧气的体积分数降低至某一值时，可燃物即可熄灭。

（3）通过白磷可以在蜡烛熄灭后的气体中燃烧，可以推断出不同的可燃物熄灭时所需氧气的体积分数不同。