检验蜡烛燃烧产物能用“通气法”吗?

韩富军 任新林

武汉市教育科学研究院(430070) 湖北省武汉市翠微中学(430051)

1 问题的提出

2021～2022学年度武汉市部分学校九年级调研考试物理化学综合试卷中有一道试题(节选):

图1 例题图示

[例1]如图1所示,点燃蜡烛,小心地往烛焰里插根玻璃管,使a端置于焰心处,则b端观察到的现象是________。然后将玻璃管上移,使a端置于外焰处,在b端连接导管,插入足量澄清石灰水中,石灰水中发生反应的化学方程式为________。

通过多次实验发现:当a端置于焰心处时,b端观察到有白烟出现;但当a端置于外焰处,b端连接导管,将导管插入澄清石灰水中,不仅澄清石灰水没有变浑浊,而且导管口也没有气泡冒出。当然,在命制这道试题时,考虑到短时间难以观察到石灰水中的现象,只要求学生写出石灰水中发生反应的化学方程式。但在验证实验中,澄清石灰水长时间不变浑浊,到底是由于导管容积有限,导出的生成物太少,还是检验蜡烛燃烧的产物不适合直接用“通气法”呢?

2 文献综述

直接接触法检验蜡烛燃烧产物是“对蜡烛及其燃烧的探究”中一个重要的探究实验。人教版化学教材中,实验采用在火焰上方分别罩一个干燥烧杯和内壁蘸有澄清石灰水烧杯的方法,通过观察烧杯内出现的现象来推测蜡烛燃烧产物中是否含有水和二氧化碳。很多研究者对蜡烛燃烧产物的验证提出了不同的改进方案,现将众多改进方案分为以下几类:

2.1 直接接触法

在一个较大的密闭装置(或接近密闭体系)内,使蜡烛燃烧,让燃烧产物直接接触干冷的玻璃容器(或无水硫酸铜固体)和澄清石灰水。

如熊言林[1]将蜡烛放在倒扣的烧杯中燃烧,烧杯中放置从VC银翘片上剪下来的泡状容器,容器中分别装有无水硫酸铜和澄清石灰水,如图2所示,通过观察泡状容器中的现象来证明蜡烛的燃烧产物;童四姐[2]用一个大钟罩将装有澄清石灰水的小烧杯和燃着的蜡烛罩住,通过观察钟罩内壁的现象和澄清石灰水的情况来证明蜡烛燃烧生成了水和二氧化碳;潘国荣[3]等研究者用大烧杯罩住装有澄清石灰水的小烧杯和燃着的蜡烛,通过晃动烧杯底部的纸板来快速证明蜡烛的燃烧产物二氧化碳;叶红艳[4]巧用液封集气瓶,使蜡烛燃烧的产物直接与澄清石灰水接触以验证蜡烛燃烧产物;薛蕾[5]等研究者让蜡烛在一个装有澄清石灰水和硫酸铜试纸的密闭抽滤瓶中燃烧,用注射器连接支管口,通过注射器补入较多的空气并形成密闭装置,如图3所示,以验证蜡烛燃烧生成了水和二氧化碳。

以上实验改进都是直接让蜡烛在密闭容器内燃烧,密闭容器中直接放置检验试剂,可以更方便地检验蜡烛燃烧产物。

图2 熊言林检验蜡烛燃烧产物实验装置图

图3 薛蕾检验蜡烛燃烧产物实验装置图

2.2 注剂法

注剂法主要是使蜡烛在一个容器内燃烧,先通过容器内壁的水雾证明蜡烛燃烧产物中水的存在,再向容器内注入澄清石灰水,盖紧容器口,振荡,通过现象证明燃烧产物中二氧化碳的存在。

如张一鸣[6]等研究者将蜡烛放在一个烧杯中燃烧,用倒扣漏斗罩住烧杯,在倒扣漏斗的颈部连接注射器,当观察到烧杯和漏斗内壁出现白雾后,通过注射器向其中注入澄清石灰水,以证明燃烧产物,如图4所示;魏少兴[7]将蜡烛放在一个盛满氧气的密闭集气瓶中燃烧,观察到集气瓶内壁出现白雾后,通过分液漏斗向其中注入澄清石灰水,以证明燃烧产物,如图5所示;胡巢生[8]将蜡烛放在一个集满氧气的集气瓶中燃烧,观察到集气瓶内壁出现白雾后,向其中注入澄清石灰水,并盖上玻璃片,以证明燃烧产物。

图4 张一鸣检验蜡烛燃烧产物实验装置图

图5 魏少兴检验蜡烛燃烧产物实验装置图

值得一提的是,“注剂法”所加入的澄清石灰水是在水雾出现后加入的,检验二氧化碳的生成更有说服力,避免了“直接接触法”中因石灰水受热蒸发产生的白雾对检验蜡烛燃烧产物——水造成的干扰。

2.3 “罩焰”法

与教材上的演示实验类似,“罩焰”法主要通过容器将燃烧产物初步收集起来,观察收集容器内壁出现的水雾情况证明水的存在;然后向容器中注入澄清石灰水,通过石灰水变浑浊证明二氧化碳的存在。

如顾正燕[9]用倒扣的长颈漏斗罩住火焰,在漏斗口系上塑料袋,当观察到塑料袋中出现水雾后,倒转塑料袋,并向其中注入澄清石灰水,以证明蜡烛燃烧的产物水和二氧化碳;刘桂军[10]等研究者分别在蜡烛火焰上方倒扣分液漏斗、U型管和具支试管,当观察到容器内壁出现水雾后,倒转容器,注入澄清石灰水,以证明燃烧产物水和二氧化碳;周建东[11]在蜡烛火焰上罩一个接有长导管的倒扣漏斗,并将长导管伸入装有澄清石灰水的直立粗玻璃管内,如图6所示,通过导管内产生的水雾和澄清石灰水变混浊的现象证明蜡烛燃烧的产物水和二氧化碳;胡海铭[12]和程素芳[13]在蜡烛火焰上方罩一个二球安全漏斗,向安全漏斗的其中一球中加入适量石灰水,当观察到漏斗内有水雾出现后,将胶头滴管伸入安全漏斗口,挤压胶头,以振荡石灰水,证明蜡烛燃烧的产物水和二氧化碳;刘宇[14]在蜡烛火焰上放置一个三角架,三角架上放置一个装澄清石灰水的回型槽,并在回型槽上放一个底部开孔的烧杯以证明燃烧的产物水和二氧化碳,如图7所示;许丽丹[15]在蜡烛火焰上方罩一个锥形瓶,10 s后,倒转锥形瓶,注入澄清石灰水,并在锥形瓶口塞上塞子或棉花,振荡锥形瓶,以证明燃烧生成了二氧化碳。

图6 周建东检验蜡烛燃烧产物实验装置图

相较于教材上的实验,以上实验要么改进了用来“罩焰”的实验仪器,要么在检验二氧化碳时塞上了塞子或盖上了玻璃片,避免了二氧化碳的逸散,实验现象更明显。

2.4 通气法

还有些研究者用漏斗罩在火焰上方,漏斗颈连接导管,并将生成的产物依次通过无水硫酸铜和澄清石灰水,用“通气法”证明蜡烛燃烧产物中含有水和二氧化碳。

图8 刘认培检验蜡烛燃烧产物实验装置图

据文献报道,最早用“通气法”验证蜡烛燃烧产物的是研究者刘认培[16],他在蜡烛燃烧火焰上方罩一个倒扣漏斗,用导管将漏斗、球形干燥管和装有澄清石灰水的洗气瓶连接,并在尾导管口连接抽气机,以便燃烧产物向既定方向流动,如图8所示;周开军[17]在蜡烛火焰上方罩一个倒扣漏斗,然后依次连接装有无水氯化钴试纸的试管和装有澄清石灰水的试管,在尾导管口连接过滤泵来调节气体流动,如图9所示,以证明蜡烛燃烧产物;魏锐[18]等研究者直接将导管靠近火焰上方,导管中放置硫酸铜粉末,通过多次抽动注射器具调节气体的流动,以证明水的生成;在火焰上方罩一个玻璃容器(如玻璃注射器),依次连接装有澄清石灰水的青霉素小瓶和注射器,多次抽动注射器调节气体流动,以证明二氧化碳的生成,如图10所示;徐新峰[19]在蜡烛火焰上方罩一个自制灯罩,并连接装有澄清石灰水的具支试管和吸气囊,观察灯罩内壁的现象和澄清石灰水中的现象以证明蜡烛燃烧的产物;汪洋等研究者[20]在探究蜡烛燃烧产物的实验设计中直接让蜡烛的燃烧产物通过无水硫酸铜和澄清石灰水,见图11,以验证水和二氧化碳的生成。

图9 周开军检验蜡烛燃烧产物实验装置图

图10 魏锐检验蜡烛燃烧产物实验装置图

图11 汪洋检验蜡烛燃烧产物实验装置图

以上改进实验都是将蜡烛放在一个敞开的体系中燃烧,用漏斗(或其他仪器)罩在火焰上方,再依次连接检验装置以检验蜡烛燃烧的产物。大多数研究者为了让燃烧产物顺利通过后续的检验试剂,采用在装置尾端抽气的方法,而有些研究者[20]则让生成的受热膨胀气体直接通过后续的检验试剂。

3 验证是否能用“通气法”探究蜡烛燃烧产物

能直接用“通气法”检验蜡烛燃烧的产物吗?还是必须通过在装置尾端抽气,让生成物被动通过检验试剂而达到检验蜡烛燃烧产物的目的呢?

按照教材上的实验操作,验证水蒸气存在的实验成功率很高;受诸多因素影响,检验二氧化碳气体生成的实验却难以成功。下面,通过以下实验对蜡烛燃烧是否产生二氧化碳进行验证。

3.1 开放体系中使用直接“通气法”

实验仪器:朗威DISLab8.0数据采集器、压强传感器、计算机、胶头滴管、漏斗、导管、胶皮管(部分夹持仪器省略)。

实验药品:蜡烛、澄清石灰水。

图12 开放体系中用直接“通气法”检验蜡烛燃烧产物

实验1-1:如图12所示,用胶头滴管在水平导管处小心注入少量澄清石灰水,形成一小段水平液柱。点燃蜡烛后,将一个倒扣漏斗罩在火焰上方,并用胶皮管连接导管。观察10 min,石灰水液柱在导管中的位置始终不发生移动,也未观察到澄清石灰水变浑浊的现象。

实验1-2:如图13所示,在尾导管口连接压强传感器。打开DISLab8.0实验软件系统,点击“通用软件”,系统自动识别接入的传感器,并显示当前压强,将采集设置调为0(即当前大气压强调整为0)。点燃蜡烛后,将倒扣漏斗罩在蜡烛火焰上方,实验结果如图14所示,压强的示数始终在-0.01～0.1 KPa之间,压强几乎不变。

图13 开放体系中用数字化实验装置检验直接“通气法”时的压强变化

图14 开放体系中用直接“通气法”检验蜡烛燃烧产物的数字化实验结果

以上实验说明,在一个敞开的体系中,采用“通气法”的方式让气体主动导入到澄清石灰水等试剂中是不可能的。数字化实验结果显示:导管口压强几乎跟大气压强一致。没有压强差,气体无法导入到后续装置内。

3.2 密闭体系中使用直接“通气法”

如果蜡烛在密闭容器中燃烧,结果又如何呢?

实验仪器:朗威DISLab8.0数据采集器、压强传感器、计算机、集气瓶、燃烧匙、导管、胶皮管、烧杯。

实验药品:蜡烛、澄清石灰水。

实验2-1:按图15所示的装置连接仪器,导管伸入澄清石灰水液面之下。点燃蜡烛后立即塞紧橡皮塞,可以观察到,在5 s内,导管口平均产生约10个气泡(扣除因塞橡皮塞而产生的气泡),后澄清石灰水马上被倒吸入集气瓶中,且在实验过程中,烧杯中的澄清石灰水始终不变浑浊。可以推测,澄清石灰水中鼓出的气泡大部分是装置内受热膨胀的空气。

图15 密闭体系中用直接“通气法”检验蜡烛燃烧产物

实验2-2:按图16所示的装置连接仪器,导管口连接压强传感器(数字化实验的调整和设置同实验1-2)。点燃蜡烛后立即塞紧橡皮塞,可以观察到,只需5s的时间,导管口压强就从最大正压变为负压,如图17所示。该实验进一步说明,要想在实验2-1中观察到烧杯中的澄清石灰水出现浑浊几乎不可能,因为压强从正压到负压之间的时间非常短,蜡烛燃烧产生的二氧化碳还未导入到烧杯中,就因为装置中产生的负压将澄清石灰水倒吸入集气瓶中。

图17 密闭体系内用直接“通气法”检验蜡烛燃烧产物的数字化实验结果

3.3 开放、密闭体系中分别使用被动“通气法”

实验仪器:漏斗、导管、胶皮管、橡皮塞、集气瓶、洗耳球、100 mL注射器(部分夹持仪器省略)。

实验药品:蜡烛、澄清石灰水。

实验3-1:按图18所示的装置连接仪器,导管伸入澄清石灰水液面之下。点燃蜡烛后,用洗耳球或注射器来抽气,使气体向右移动。可以观察到,1 min之内,澄清石灰水就开始变浑浊。

图18 开放体系中用被动“通气法”检验蜡烛燃烧产物

实验3-2:按图19所示的装置连接仪器,确保装置气密性良好后,在尾导管口连接洗耳球或注射器,点燃蜡烛后立即塞紧橡皮塞。通过多次实验发现,当用洗耳球或注射器进行抽气时,很难使气体持续向右移动,而且即使在抽气的情况下,石灰水也很容易倒吸入左侧的集气瓶中,难以在右侧集气瓶中观察到石灰水变浑浊的现象。

图19 密闭体系内用被动“通气法”检验蜡烛燃烧产物

4 结论

以上实验说明:①无论在开放体系还是密闭体系,采用直接“通气法”都无法验证蜡烛燃烧的产物;②在密闭体系内,采用被动“通气法”,即在原有直接“通气法”的装置上安装一个抽气装置,该抽气装置可以是洗耳球、注射器、医用负压引流器[21]等,无法验证蜡烛燃烧产物;③在开放体系中,采用被动“通气法”可以快速验证蜡烛燃烧产物。由此可见,想用“通气法”验证蜡烛燃烧产物,需要使蜡烛在一个敞开的体系中燃烧,并在体系中加入抽气装置,这样可以在压强稳定的情况下使气体向既定方向流动,以确保燃烧产物充分“通过”检测试剂,也便于观察实验现象,快速得到实验结果。