倾倒二氧化碳灭火实验需排除“烟囱效应”的干扰

魏海 李德前 周梅华

摘要： 现行初中化学（或科学）教科书及学术期刊中编排设计的“二氧化碳灭火”实验，在倾倒（或通入）二氧化碳气体时没有排除“烟囱效应”的干扰，难以准确得出“二氧化碳气体密度比空气大”的实验结论。新设计的“倾倒二氧化碳灭火”实验避免了在倾倒二氧化碳气体时的热差作用，确保了实验结果的科学性与严谨性。

关键词： 倾倒二氧化碳; 灭火实验; 烟囱效应; 实验改进

文章编号： 1005-6629（2019）11-0063-04            中图分类号： G633.8            文獻标识码： B

1  问题的提出

“倾倒二氧化碳灭火”是初中化学（或科学）教科书中的经典实验，由于空间不大的烧杯内点燃两支蜡烛，大量上升的热气流容易冲散倾倒下来的二氧化碳气体，造成实验不能出现“标准预设现象”。针对这一疑难情况，很多化学教育工作者对此实验进行了改进和优化。

我们发现，教科书中编排的“二氧化碳灭火”实验以及学术期刊中刊载的有关改进实验，在倾倒二氧化碳气体时还存在“烟囱效应”的干扰（对二氧化碳气流下降形成拔风作用）。根据重力场中气态物质的运动特点判断[1，2]，这样设计的二氧化碳灭火实验不能充分说明二氧化碳气体的密度比空气大（但仍能说明二氧化碳具有不燃烧、不支持燃烧的性质）。

2  文献中有关二氧化碳灭火实验的设计

2.1  教科书中二氧化碳灭火实验的设计

现行多个版本的初中化学（或科学）教科书中编排的这个实验，涉及的操作方法主要有以下四种。

（1） 高低不同的两支蜡烛位于烧杯一侧的底部（一般在烧杯尖嘴的对面，下同），从烧杯的尖嘴处沿烧杯内壁将二氧化碳气体缓慢倒入烧杯中进行灭火，如现行人教版九年级化学教科书中编排的“倾倒二氧化碳”实验[3]（装置见图1）。

（2） 将一支蜡烛置于烧杯一侧的底部，从烧杯的尖嘴处沿烧杯内壁将二氧化碳气体缓慢倒入烧杯中进行灭火，如现行浙科版八年级科学教科书中编排的“二氧化碳灭火”实验[4]（装置见图2）。

图1  人教版九年级化学教科书中“

倾倒二氧化碳”实验

图2  浙科版八年级科学教科书中

“二氧化碳灭火”实验

（3） 高低不同的两支蜡烛位于烧杯一侧的底部，在烧杯的中上部悬空放置一块玻璃隔板，从烧杯的尖嘴处沿烧杯内壁把二氧化碳气体缓慢倒入烧杯中，如现行沪教版九年级化学教科书中编排的“把二氧化碳气体慢慢倒入燃有蜡烛的烧杯中”实验[5]、现行仁爱版九年级化学教科书中编排的“倾倒二氧化碳”实验[6]（装置见图3）。

图3  沪教版、仁爱版九年级化学教科书中“倾倒二氧化碳”实验

（4） 高低不同的两支蜡烛位于烧杯一侧的底部，在蜡烛对面的烧杯一侧放置一个喇叭形纸筒，通过喇叭形纸筒将二氧化碳气体向烧杯中倾倒，如现行粤教版九年级化学教科书中编排的“倾倒二氧化碳灭火”实验[7]（装置见图4）。

图4  粤教版九年级化学教科书中“倾倒二氧化碳灭火”实验

2.2  学术期刊中二氧化碳灭火实验的改进方案

学术期刊中刊载的涉及二氧化碳灭火改进实验的有很多方案，但与本研究有关的主要是以下三种。

（1） 在烧杯中间放一块底部悬空（或底部有缺口）的隔板，在隔板的一侧放置蜡烛，从隔板的另一侧倾倒二氧化碳气体[8～10]，实验装置见图5。

图5  在烧杯中间增加隔板进行

二氧化碳灭火实验

（2） 在烧杯一侧的底部放置蜡烛，在蜡烛对面的烧杯一侧放置短颈漏斗（或自制的简易漏斗、变形漏斗），将二氧化碳气体倒入漏斗进行熄灭蜡烛实验[11～14]，实验装置见图6。

图6  借助漏斗在烧杯中进行二氧化碳灭火实验

（3） 在烧杯一侧的底部放置蜡烛，从蜡烛对面的烧杯一侧直接将二氧化碳气体通入烧杯内进行灭火[15～18]，实验装置见图7。

图7  直接将二氧化碳气体通入

烧杯内进行灭火实验

3  烟囱效应对二氧化碳灭火实验的干扰

竖向的流通空间出现了温度差，形成的热压作用就会增强空气对流，这种热压作用产生的通风效应又称为“烟囱效应”[19]。据测试，温差在1.7℃时就会产生烟囱效应。

3.1  理论分析

上述二氧化碳灭火实验都是在烧杯内进行的，烧杯内部为竖向通道，燃烧物蜡烛位于一个区域（在烧杯的一侧），灭火剂二氧化碳位于另一个区域（在烧杯的另一侧）。当蜡烛被点燃后，两个区域存在一定的温度差（且温差越大拔风效应越强），形成的热压作用就会促进二氧化碳气体下沉。而二氧化碳气体在空气中能够大量地自然下沉，是该实验说明二氧化碳气体密度比空气大的最有力的证据[20]。

3.2  实验验证

我们设计了下面的两个简单实验，以验证上述二氧化碳灭火实验中是否存在烟囱效应。

（1） 在空气中点燃一段线香，发现白烟缓缓上升，说明白烟的平均密度比空气小。然后点燃图1装置中的蜡烛，再将燃着的线香放入烧杯尖嘴处，发现白烟被吸入烧杯内，并很快向下飘荡，然后再从烧杯另一侧冉冉升起（见图8），这不仅

图8  将燃着的线香放在烧杯尖嘴处，白烟很快向下飘荡

定性证明了烟囱效应的存在，也说明如果倾倒的是密度比空气小的氮气或氨气也可能使烛火自下而上地熄灭[21]。

（2） 利用温度传感器，分别测试图1、图5装置中蜡烛燃烧区域正上方及二氧化碳倾倒处的温度，发现蜡烛燃烧区的温度明显高于二氧化碳倾倒处的温度，而且借助于中间隔板或漏斗进行实验时温差更大，这就证明了烟囱效应的存在。

4  对二氧化碳灭火实验的再改进

我们的改进思路： （1）保留原实验设计中“倾倒二氧化碳气体”的操作，因为该操作不仅说明“二氧化碳气体可以像液体那样倾倒”，也是验证“二氧化碳气体密度比空气大”的必要操作。（2）在“倾倒二氧化碳气体时”要排除烟囱效应的干扰，确保二氧化碳气体自然下沉。

4.1  改进方案Ⅰ

（1） 按图9-A组装好实验装置[22]，确保硬纸板能将大烧杯两侧严严实实地隔开;点燃蜡烛后，立即将一瓶（用250mL集气瓶盛装）二氧化碳气体缓缓倒入大烧杯内没有蜡烛的一侧。然后，将硬纸板从细沙中轻轻提起，露出凹形缺口，蜡烛火焰立即自下而上依次熄灭（见图9-B）。

（2） 上述实验的现象说明，从烧杯口倾倒二氧化碳气体后，二氧化碳能很快大量地自然下沉，聚集在烧杯一侧的底部，可知二氧化碳气体的密度比空气大。将硬纸板提起后蜡烛火焰依次熄灭，说明二氧化碳气体具有不燃烧、不支持燃烧的性质。

图9  倾倒二氧化碳气体灭火的改进实验装置Ⅰ

4.2  改进方案Ⅱ

（1） 按图10-A组装好实验装置，确保无底塑料瓶的瓶口完全插入细沙中且不漏气。点燃蜡烛后，立即将一瓶（用250mL集气瓶盛装）二氧化碳气体缓缓倒入无底塑料瓶内，然后将无底塑料瓶轻轻提起，露出瓶口，蜡烛火焰立即自下而上依次熄灭[23]（见图10-B）。

图10  倾倒二氧化碳气体灭火的改进实验装置Ⅱ

（2） 根据上述实验现象可知，二氧化碳气体倒入无底塑料瓶后，能很快大量地自然下沉，聚集在无底塑料瓶底部，说明二氧化碳气体的密度大于空气。将无底塑料瓶提起后蜡烛火焰依次熄灭，说明二氧化碳气体具有不燃烧、不支持燃烧的性质。

需要说明的是，在上述两个改进方案中，蜡烛的多少、高低及熄灭的先后，仅仅是为了增加实验的趣味性，尤其是烛火熄灭的先后，对灭火气体密度比空气大还是小，已没有直接的印证关系。

总之，进行二氧化碳灭火实验，必须保留“倾倒二氧化碳气体”的实验操作，并且在“倾倒二氧化碳气体”时也必须要排除烟囱效应的干扰。

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