酒精灯火焰的温度及实验室加热源

孙黎颖+王程杰

摘要：用新型数字信号的高温传感器探究酒精灯三个焰层的温度，对比多种酒精燃料的外焰温度。实验结果表明，酒精灯火焰温度外焰大于内焰大于焰心，这与传统观点一致。对于不同酒精燃料的外焰温度，工业酒精大于95%乙醇大于无水乙醇。数字化实验仪器的性能进步和技法精确提高了实验结果的准确性。实验室的多种加热源可以替代酒精灯。

关键词：数字化实验；酒精灯火焰；焰层温度；酒精燃烧热；加热源

文章编号：1005–6629（2017）11–0092–05 中图分类号：G633.8 文献标识码：B

1 问题的提出

酒精灯是我国中学化学实验常见的加热源。探究酒精灯火焰温度的实验方法多种多样，有加热玻璃棒等实物间接探究法，也有高温传感器直接探究法。酒精灯火焰的三个焰层：外焰，内焰，焰心的温度高低以及各种不同酒精燃料的热效应究竟怎样，一直众说纷纭。

传统教材认为，酒精灯火焰的温度由高到低依次为外焰>内焰>焰心。多种实物实验方法也证实了这一点[1，2]。如玻璃棒加热法分别在三个焰层加热玻璃棒，观察玻璃棒弯曲的程度，支持这个观点[3]。有些数字实验也支持这一观点[4]。但有些数字实验却得出了不同的结论，认为酒精灯的内焰温度最高，外焰次之，焰心最低[5～7]。

另外，酒精灯作为实验室常用的加热源，燃料有无水乙醇，95%的乙醇，还有工业酒精。有观点认为无水乙醇的热效应最好，温度应该最高。但也有不同的观点认为工业酒精的效果最好。酒精灯加热是否适合每个化学实验？它是否是高中化学实验室唯一的加热源？是否有更多的加热源替代酒精灯？这都值得探讨。

2 探究酒精灯三个焰层的温度

2.1 实验器材和试剂：

朗威？8.0数据采集器、朗威？8.0高温传感器（金属探头Φ=2mm，2只，分别贴标签A和B）、酒精灯（容积150mL）、全棉灯芯、升降台、电脑、 100mL量筒、95%乙醇（沪试牌，国药集团化学试剂有限公司AR分析纯）

2.2 实验步骤

（1）酒精灯中加入100mL95%的乙醇。实验时不使用防风罩。

（2）搭装仪器。连接好电脑，数据采集器和高温传感器。点燃酒精灯，旋转升降台，把高温传感器的探头A固定在焰心中心的位置。

（3）进入通用软件实验界面，点击“计算表格”中，选择“自动记录”，将时间间隔设置为“5s”，点击开始。

（4）观察实验数据变化。待数据稳定后，停止记录。单击“绘图”，设x轴为“时间”，y轴为“温度”，获得测量图线。见图1。

（5）待高温传感器冷却后，按照步骤（1）～（4），再重复实验两次。

（6）计算平均值。三次实验后获得三组实验数据。选择每次实验后二十组数据，选取软件实验界面中“数据分析”、“求平均”获得每次实验的平均值数据。将平均值分别计入表格中。

（7）绘制“时间-温度”测量图线。单击“绘图”，设x轴为“时间”，y轴为“温度”，获得酒精灯焰心的“时间-温度”测量图线。

（8）分别测定酒精灯外焰和内焰的温度。重复实验步骤（1）～（7），获得相关实验数据和测量图线。

（9）重复（1）～（8）步骤的实验，使用另外一根高温传感器B做实验，获得相关实验数据和测量图线。

2.3 实验数据

实验数据及测量曲线见表1、表2、图2、图3。

2.4 实验结论

通过实验数据可知，酒精灯火焰温度从高到低依次为外焰>内焰>焰心。外焰温度大于内焰温度，内焰温度大于焰心温度。

2.5 实验结论分析

数字化实验的装置包括硬件和操作软件。硬件有传感器、数据采集器、计算机。传感器能感受待测物质规定的待测量，并把它转换成输出信号。数据采集器收集实验过程中传感器输出的信号，然后把它转变为数字信号或模拟信号，动态跟踪实验过程中数据的变化并以多种形式表达实验结果。测定酒精灯火焰温度的实验，数字实验的仪器性能是实验结果正确的关键要素。本次实验的数字化仪器材料和性能大大改进，采用了优良的铂金热电偶和數字信号。高温传感器的敏感元件为热电偶。当导体的两个接触点1和2之间存在温差时，两者之间便产生电动势U，通过传感器电路处理后即可转换为温度的变化，见图4。高温传感器测温范围一般在0～1200℃之间。初期的高温传感器产品如朗威？DISLab6.0是模拟信号，模拟信号会影响数据的传输。而这次实验的朗威？8.0产品使用数字信号，与模拟信号相比，数字信号不失真，通讯速率快，抗干扰能力强，能更真实地测量和传递实验数据。

由此可见，酒精灯火焰的温度由高到低仍然依次为外焰>内焰>焰心，这与传统观点一致，也与实物间接探究法的观点一致。这类实验结果有所偏差的原因是数字化实验仪器的不精确性和操作技法的失误。随着数字化实验仪器的发展和进步，实验结果越来越准确。实验仪器的准确度对实验结果会带来影响。高温传感器B的实验数据普遍低于高温传感器A的实验数据，因为传感器B使用时间比较久，探头上有少量的锈迹影响了仪器的灵敏度，但不影响实验的总体趋势分析和判断。这个实验的操作技巧比较严格，高温传感器的探头要放在火焰锥形的中心位置。测定三个焰层温度时探头只能上下垂直移动，否则失之毫厘谬以千里，影响测量结果的准确性。

3 探究不同酒精燃料外焰的温度endprint

3.1 实验器材和试剂

朗威？8.0数据采集器、朗威？8.0高温传感器（金属探头Φ=2mm，2只，标签为A）、酒精灯（容积150mL）、全棉灯芯、升降台、电脑，100mL量筒、无水乙醇（AR分析纯）、95%乙醇（AR分析纯）、工业酒精

3.2 实验步骤

（1）酒精灯中加入100mL 95%的乙醇。重新更换全棉的灯芯。使用酒精灯挡风罩。

（2）搭装仪器。连接好电脑，数据采集器和高温传感器。点燃酒精灯，旋转升降台，把高温传感器A的探头固定在外焰中心的位置。

（3）进入通用软件实验界面，点击“计算表格”中，选择“自动记录”，将时间间隔设置为“5s”，点击开始。

（4）观察实验数据变化。待数据稳定后，停止记录。单击“绘图”，设x轴为“时间”，y轴为“温度”，获得测量图线。

（5）待高温传感器冷却后，按照步骤（1）～（4），再重复实验两次。

（6）计算平均值。三次实验后获得三组实验数据。选择每次实验后二十组数据，选取“数据分析”、“求平均”获得每次实验的平均值数据。将平均值分别计入表格中。

（7）绘制“时间-温度”测量图线。单击“绘图”，设x轴为“时间”，y轴为“温度”，获得酒精灯焰心的“时间-温度”测量图线。

（8）分别测定无水乙醇和工业酒精的外焰温度。重复实验步骤（1）～（7），获得相关实验数据和测量曲线。

3.3 实验数据

实验数据及测量曲线见表3、图5。

3.4 实验结论

通过实验数据可知，各种酒精燃料外焰温度由高到低依次是工业酒精>95%乙醇>无水乙醇。相同的95%乙醇的测定，带挡风罩的火焰温度高于不带挡风罩的温度，使用了酒精灯挡风罩能聚集热量。

3.5 实验结论分析

工业酒精外焰温度最高的原因：现行的工业酒精国家标准GB/T394.1-2008见表4。从这个标准分析，工业酒精的成分比较复杂，除了乙醇外，还有甲醇，异丁醇，异戊醇，酸，酯，不挥发物等杂质。

工业酒精的主要成分乙醇，剩余成分中主要是甲醇，一般甲醇含量小于5%。甲醇和乙醇的燃烧热分别为22687.5kJ/kg和29717kJ/kg，在消耗质量相同的条件下，甲醇释放的热量比乙醇小，但甲醇的闪点和自燃点低，所以它易引燃，易挥发，同温同压下分子平均运动速度快，燃烧时耗氧能力强。三种酒精燃料中，工业酒精的甲醇含量最高，所以工业酒精测得的外焰温度最高。

95%的乙醇温度高于无水乙醇的原因分析：95%的乙醇是95%的无水乙醇和5%的水的混合物。如果这两种酒精燃料在供氧都充足的条件下充分燃烧，理论上应该是无水乙醇产热高，因为95%乙醇中的水的气化要吸热，且95%乙醇挥发时气态乙醇分子密度也小。但实际使用中，无水乙醇是氧气不足的不充分燃烧。判断方法1烟炱法，无水乙醇做燃料时，火焰加热试管时间长些，试管外壁就会产生黑色烟炱。这说明无水乙醇做酒精灯燃料时，会有明显的要吸热的分解反应存在。部分无水乙醇会分解为碳。判断方法2火焰明亮法，无水乙醇做燃料时火焰更明亮，这说明有碳粒，部分乙醇分子分解而没有充分燃烧。如果95%乙醇和无水乙醇供氧相同而且供氧不充足的条件下，假设两者完全充分反应的乙醇质量是相同的（接近95%乙醇），而无水乙醇中多余的乙醇分子就会受热分解，分解吸热的量远远大于水的气化热，导致火焰反而降温。数字实验探究的结论，即95%的乙醇外焰温度大于无水乙醇的外焰温度，与实物间接探究和肉眼观察判断的结论一致。酒精燃烧越充分，黑色的烟炱就少，火焰明亮度相对就弱，温度就越高。同时点燃分别装有三种酒精燃料的酒精灯时，观察到火焰最为明亮的是无水乙醇，然后是95%乙醇，最后是工业酒精。

4 中学实验室的多种加热源

酒精灯是我国中学常规的加热源。国外中学实验室使用了多种加热源，减少了石棉网之石棉对人身的伤害，而且达到了更好的实验效果。

英美国家的中学实验热源多样。主要以煤气灯为主，还有很多电加热源，如热盘，纳米热盘，电加热套，电热灯，微型实验中还有微型酒精灯等[8]。很多有机实验禁止用火焰直接加熱。

煤气灯（Benson burner）以煤气或者天燃气为燃料。煤气灯的主要结构包括灯管，调气孔，开关，气源接口。煤气灯的火焰一般分为三层，外焰温度约为800～950℃，内焰温度约为500℃，焰心温度约为300℃。英国的IGCSE化学试题中有一道题目：把火柴头迅速插入煤气灯的焰心，火柴头竟没有点燃，并认为原因是焰心有大量的煤气缺少氧气且温度低。作者怀着惊奇的心情却也成功体验出了这个实验。英美学生实验“测定硫酸铜结晶水含量”的热源就是煤气灯[9]。这种实验方法在国外已经十分普遍，但我国大部分地区还未实行。我校实践表明，煤气灯做这个实验效果良好。虽然煤气灯温度比酒精灯高，但因为加热装置是一个开放的体系，升温需要一定的时间，五水合硫酸铜失水的过程在可控程度内，用煤气灯加热可以缩短加热时间，达到与酒精灯加热媲美的效果。煤气灯在我国已越来越引起重视，有些学校实验室不具备铺设煤气管道的条件，就用煤气罐替代煤气管道供气。这时实验室需要建设专门的储气瓶室，并要注意规范操作和使用安全。

电热盘（Ceramic or Metal coated Hot Plate）是用陶瓷或者铝硅合金做面板，电阻丝加热的电加热源。陶瓷或者铝硅合金面板可以耐酸碱耐腐蚀，最高温度320～450℃，还能恒温加热。它加热效果好，溶液受热均匀，实验效果良好，可用于制备乙酸乙酯、琼脂、氢氧化铁胶体、淀粉溶液等。endprint

纳米热盘（Nano Heat Hot Plate）表面是耐酸碱的陶瓷玻璃，它用纳米材料加热，比传统电热盘更轻巧。温度范围0～360℃，因为纳米技术加热更加均匀，因此配制的溶液能体现更好的实验细节效果。

电加热套（Heating Mantle）是中间球形中空的电阻丝加热源。它内部衬有球状的金属网内胆，最高温度达450℃，用于加热球形玻璃仪器，如圆底烧瓶。圆底烧瓶受热均匀，实验效果好。

电热灯（Electrical Burner）是国外最近出现替代煤气灯的电加热源。它是电阻丝加热，功率约为500瓦，5分钟内最高可达920℃。但这一新产品的技术目前还不稳定。

微型酒精灯（Micro Spirit Burner）为微型实验配套设计，以酒精为燃料。灯体是塑料材质，但安装灯芯的管子是玻璃或者陶瓷材质。微型酒精灯外焰温度可达到约565℃，低于普通的酒精灯温度。

电加热源替代石棉网酒精灯的加热方式，能减少潜在危险。高原缺氧地区，酒精燃烧不充分，电加热源能发挥更好的替代作用。这些电加热源虽然实验效果好，但一线教师目前不太愿意积极使用，主要原因是与教材要求的酒精灯加热配套的装置图不同，担心影响学生的考试成绩。

5 总结

通过实验可知，用数字信号高温传感器探究酒精灯火焰温度：温度从高到低依次是外焰>内焰>焰心，这与传统教材和实物间接实验方法的结论一致。几种酒精燃料的温度从高到低依次是工业酒精>95%乙醇>无水乙醇。这与实物间接探究实验和肉眼观察法的结论吻合。数字化实验仪器的性能直接影响实验结果的准确性。最新的数字实验仪器使用了铂金材料和数字信号传感技术，实验的结论与传统教材的观点一致。现代实验技术手段既有其先进性也有其局限性。现代实验手段要与传统实验方法结合，更加重视化学实验的实践性和严谨性。科学实验的探索过程本身充满了挑战和曲折，有时甚至会出现反复，这是中学化学实验发展现代化进程的必经之路，也是科学的魅力所在。中学实验室，除了酒精灯作为加热源外，还可以使用实验效果良好的电加热源。现行教材中还没有出现电加热源，因此一线教学使用时还存在顾虑。酒精灯并非是实验室唯一的加热源，其根本目的是为化学实验服务，无论采用何种加热源，能达到良好的实验效果才是硬道理。

參考文献：

[1]程晓莉.比较酒精灯内、外焰温度高低的四种实验方法[J].化学教学，2012，（6）：45～46.

[2]戴树东.酒精灯火焰温度实验探究[J].实验设计与技术，2016，（S2）：50，58.

[3]季进明.酒精灯内焰和外焰温度高低的再探究[J].化学教学，2013，（3）：66～67.

[4] http：//www.jschemedu.com/zxzx/2014-3/092653_142844.html.蒋红年.温度传感器探究酒精灯、蜡烛外焰、内焰、焰心的温度高低.

[5]钱扬义，陈国泉.酒精灯火焰温度是外焰“最高”吗[J].化学教育，2006，（7）：52～54.

[6]江军. DIS探究酒精灯火焰的温度[J].化学教育，2009，（11）：61～64.

[7]王克勤，逯俊玲，左志军.酒精灯加热温度的测定研究[J].化学教学，2003，（11）：42～43.

[8] http：//www.findel-international.com.

[9] Kevin Hutchings. Classic Chemistry Experiments One Hundred Tried and Tested Experiments [M]. London： the Royal Society of Chemistry，2001：132～133.endprint