验证蜡烛燃烧产物与点燃白烟探究实验的改进

陈思静 朱汝葵 张丽霞 黄贤凤

【摘要】本文论述改进验证蜡烛燃烧产物与点燃白烟探究实验的途径，提出借助矿泉水瓶和冰袋定性研究蜡烛燃烧产物二氧化碳和水蒸气、采用手持技术定量研究蜡烛燃烧过程中氧气和二氧化碳的含量变化，以及利用彩色生日蜡烛点燃蜡烛燃烧引出的白烟等实验改进措施，以期让实验操作更简单、让实验现象更明显，提高实验的成功率，培养学生化学学科思维。

【关键词】实验改进 蜡烛燃烧 定性实验  数字化实验

【中图分类号】G63 【文献标识码】A

【文章编号】0450-9889（2022）17-0123-04

蜡烛燃烧实验是中学阶段化学学习的重要探究实验，对培养学生的核心素养具有重要的作用。然而笔者在研究教材的过程中发现，教科书在该实验的设计上存在一些不太合理的地方：其一，我国现行的中学化学教材未明确地说明在检验蜡烛完全燃烧产生二氧化碳及水蒸气的实验中存在的主要问题，如烧杯的大小、手握烧杯的角度、烧杯距离燃烧蜡烛火焰的距离等，而这些都是直接影响学生实验成败的关键。不少学生经过反复实验未能观察到烧杯内壁有水雾，仅能观察到烧杯内壁变黑，沾有澄清石灰水的烧杯中产生极少量的白色固体，这些现象与教科书希望呈现的结果相去甚远。为解决这些问题，不少教师对检验蜡烛燃烧产物为二氧化碳和水蒸气的实验进行了改进，并证实了蜡烛燃烧产生二氧化碳和水。这些改进主要是将烧杯替换成具塞锥形瓶、双球安全漏斗、定制有机玻璃仪器“凹槽”、锥形瓶、去底塑料瓶和弯尾干燥管等仪器，在一定程度上可以更好地检验蜡烛燃烧产生的二氧化碳和水蒸气。但是这些仪器在普通实验室难以找到，甚至有些还需要定制，导致学生很难在学校或者家庭中开展实验，限制了改进实验的推广和使用。针对这个问题，本文笔者采用生活中常见的塑料瓶作为主要的实验仪器，同时检验蜡烛燃烧产生的二氧化碳和水蒸气，力求很好地解决上述问题。其二，教材及相关文献对该反应消耗氧气生成二氧化碳、二氧化碳能与澄清石灰水反应仅局限于定性分析，缺少定量分析，说服力不强。因此，笔者采用手持技术仪器，定量分析燃烧消耗的氧气和生成的二氧化碳，增强了实验的说服力。改进后，可以先开展定性实验，再通过定量实验加以验证，这不仅有利于学生更好地学习蜡烛燃烧的知识，而且能更好地帮助学生了解定性研究与定量研究是化学研究的常用方法，培養学生的化学学科思维。

在点燃蜡烛刚熄灭引出的白烟实验中，一些教师通过利用直角导管、短玻璃弯管等仪器，将直角导管或者短玻璃弯管伸入燃烧的蜡烛中，实现了引出的白烟量更多、更集中，使得白烟点燃的时间稍有延长。但是如果要持续看到白烟燃烧，便需要用一根燃着的蜡烛或火柴持续点燃白烟。然而普通蜡烛或火柴的火焰颜色与白烟燃烧的火焰颜色相同且比白烟燃烧产生的火焰更大，容易覆盖白烟燃烧的火焰，导致学生在做实验时难以看到蜡烛引出的白烟燃烧，实验现象不明显。针对这一问题，本文将用于点燃白烟的普通蜡烛替换成彩色生日蜡烛。由于彩色生日蜡烛燃烧的火焰是彩色的，能够与蜡烛白烟燃烧产生的火焰区分开;而且彩色蜡烛的火焰小，不容易覆盖蜡烛白烟燃烧的火焰。

一、验证燃烧产物实验的改进

（一）巧用塑料瓶检验蜡烛燃烧产生的二氧化碳和水蒸气

1.实验用品

矿泉水瓶（500毫升）、剪刀、冰袋、澄清石灰水、普通蜡烛、铁架台、烧瓶夹。

2.实验装置的制作

用剪刀在一只洁净干燥的500毫升矿泉水瓶底部剪一个直径约为4厘米的圆孔，其大小比蜡烛稍大，便于将蜡烛伸入矿泉水瓶;保留矿泉水瓶底部的凹槽，该凹槽用于盛放检验二氧化碳的澄清石灰水。使一支蜡烛底部受热融化从而将其固定在玻璃片上，方便移动。去掉矿泉水瓶的瓶盖，便于蜡烛燃烧时产生的热量及时散发，防止矿泉水瓶变形。

3.实验操作

把改装后的矿泉水瓶固定在铁架台上，用胶头滴管吸取澄清石灰水，通过矿泉水瓶底部的小孔将澄清石灰水滴入矿泉水瓶底部的凹槽。点燃固定在玻璃片上的蜡烛，将蜡烛通过矿泉水瓶底下的小孔伸入矿泉水瓶中，调整矿泉水瓶的位置使蜡烛的烛芯处于矿泉水瓶中约四分之一高处（如图1所示）。调整好矿泉水瓶的位置后迅速用冰袋敷在矿泉水瓶壁的上部，使水蒸气更容易冷凝，同时也避免矿泉水瓶上部聚积大量的热而变形。约10秒后，上下移动冰袋增大冷敷面积，30秒后用瓶盖盖上矿泉水瓶，瓶内蜡烛因缺氧而熄灭。

4.实验现象与结论

擦干矿泉水瓶外壁的水珠，可以清晰地看到矿泉水瓶内壁中上部出现大量的水雾和水珠，说明蜡烛燃烧生成水蒸气;矿泉水瓶底部的澄清石灰水变浑浊，说明反应生成二氧化碳（如图2、图3、图4所示）。

5.改进优点

改进后的实验有三个方面的优点。一是实验更加贴近生活。该实验用到的仪器矿泉水瓶和药品澄清石灰水、蜡烛都是在生活中很容易找到的，学生可以在家庭中开展实验，提高动手能力、观察能力和创新意识。二是实现了一体化改进。该实验改进可以同时检验水蒸气和二氧化碳，使学生清楚地看到矿泉水瓶内壁有水雾和水珠、澄清石灰水变浑浊，一举两得。三是实验现象明显，实验操作简单。该实验改进可以同时检验水蒸气和二氧化碳，节省实验时间，实验现象更清晰，实验成功率极高。此外，该实验装置易于制作，学生自己便可完成;实验操作简单，非常适合学生开展实验。

6.注意事项

为了保证实验的顺利开展，还需要注意以下三个方面。一是澄清石灰水不宜在空气中暴露太久，否则容易因为空气中的二氧化碳与石灰水中的氢氧化钙反应导致石灰水变浑浊而影响实验效果;二是燃烧的蜡烛产生大量的热容易使矿泉水瓶上部变形，因此需要将塑料瓶盖去掉以散热;三是用冰袋敷在矿泉水瓶壁时，尽量用半融化的冰袋或者刚刚完全融化的冰袋，这样冰袋与瓶壁接触面更大，实验效果更明显。

（二）数字化实验定量测量蜡烛燃烧消耗氧气和生成二氧化碳的实验

1.实验用品

自制三通管、塑料瓶盖、橡胶塞（2个）、铁架台、烧瓶夹、蜡烛、氧气传感器、二氧化碳传感器、电脑。

2.实验装置的制作

制作如图5所示的三通管;用蜡油将一节长为3—5厘米的普通蜡烛与直径为5厘米的塑料瓶盖凹面粘贴，其目的是用塑料瓶盖容纳蜡烛燃烧滴落下的蜡泪。随后将塑料瓶盖底部与10号橡胶塞上部粘贴在一起，制成带瓶盖的橡胶塞（如图6所示）。

3.实验操作

氧气相对含量的测量：将三通管固定在铁架台上，并用胶塞塞住三通管的顶部;点燃带瓶盖的橡胶塞上的蜡烛，并将其塞入三通管的底部。将氧气传感器伸入三通管的支管，检测蜡烛燃烧时的氧气含量变化（如图7所示）。

二氧化碳相对含量的测量：将三通管固定在铁架台上，并用胶塞塞住三通管的顶部;点燃带瓶盖的橡胶塞上的蜡烛，并将其塞入三通管的底部。将二氧化碳传感器伸入三通管的支管，检测二氧化碳的含量变化。待蜡烛熄灭后，利用注射器将澄清石灰水加入与蜡烛粘连的塑料瓶盖凹面，再次检测二氧化碳的含量变化（如图8所示）。

4.实验数据

测量氧气的相对含量的实验数据如图9所示，由氧气含量变化曲线图可知，蜡烛燃烧后容器中氧气体积分数减小，说明蜡烛燃烧消耗氧气。随着氧气的减少，氧气的体积分数不断降低，当氧气含量降低到13.75%时，蜡烛熄灭;打开胶塞，氧气含量缓缓上升。

测量二氧化碳相对含量的实验数据如图10所示，由二氧化碳含量变化曲线图可知，蜡烛燃烧后容器中二氧化碳含量不断增多，蜡烛熄灭时二氧化碳的含量达到最高值38 096 ppm，加入澄清石灰水后容器中二氧化碳含量逐渐降低。

5.数据分析

从蜡烛燃烧到蜡烛熄灭，我们可以清晰地观察到氧气的含量由21.38%降低到13.75%，二氧化碳的含量由689 ppm升高到38 096 ppm，说明蜡烛燃烧消耗氧气产生二氧化碳。当蜡烛熄灭后，氧气的含量达到最低值，此时二氧化碳的含量达到最高值。加入澄清石灰水后，澄清石灰水变浑浊，二氧化碳的含量开始降低。图谱上出现一个波峰，说明二氧化碳能与澄清石灰水反应。该实验改进借助传感器与采集器，客观地记录了实验数据，学生通过分析具体的实验数据能准确判断蜡烛燃烧过程所发生的变化。

6.实验注意事项

为防止氧气传感器、二氧化碳传感器受热损坏，不能将传感器直接放于火焰上方，而是将传感器伸入三通管的支管。

二、蜡烛白烟复燃实验的改进

（一）实验用品

火柴、坩埚钳、直角玻璃导管、实验药品、普通蜡烛、彩色生日蠟烛。

（二）实验装置的制作

用直径为8毫米的玻璃管制成一个一端长约5厘米、另一端长约10厘米的直角玻璃弯管，玻璃管的直径不可太小也不可太大：若直径太小，导管中凝聚的白烟太少，白烟点燃的效果欠佳;若直径太大，导致蜡烛火焰大部分被玻璃导管罩住，蜡烛容易因缺氧而熄灭。

（三）实验原理及操作

用坩埚钳夹住直角玻璃导管，玻璃导管较短一端放在普通蜡烛火焰内焰或焰心上，用于引出蜡烛燃烧时石蜡受热产生的白烟，较长一端则作为聚集器，用于聚集一定量的白烟。点燃生日用的彩色蜡烛，然后用彩色蜡烛点燃直角玻璃导管引出的白烟。在操作时玻璃导管较短一端切不可放在外焰上，这是因为在内焰和焰心部位有更多未与氧气接触的气态石蜡，即白烟，而在外焰，气态石蜡几乎燃烧完全，故而外焰周围的白烟极少，因此要想用玻璃导管导出较多白烟，需将玻璃导管放在蜡烛的内焰或焰心上。

（四）实验现象与结论

直角玻璃导管导出大量的白烟（如图11所示），白烟被点燃并持续燃烧，火焰为黄色。该实验很好地证明了蜡烛燃烧的实质是气态石蜡在燃烧。由于彩色生日蜡烛的烛芯在制作时被浸入硝酸锶、氯化铜、硝酸钡等金属盐溶液，因此其火焰呈现各种颜色。蜡烛燃烧产生的火焰颜色与彩色生日蜡烛燃烧产生的火焰颜色有明显区别，且彩色生日蜡烛燃烧产生的火焰比普通蜡烛燃烧产生的火焰小而温和，不易覆盖白烟燃烧产生的火焰（如图13所示）。

（五）改进优点

改进后的实验有三个方面的优点。一是实验现象持续且明显。彩色生日蜡烛燃烧产生的火焰比普通蜡烛燃烧产生的火焰小而温和，不易覆盖白烟燃烧产生的火焰，而且彩色生日蜡烛燃烧产生的火焰与白烟燃烧产生的火焰颜色区别明显，可以用彩色生日蜡烛持续点燃白烟，从而持续地看到明显的实验现象。二是操作简便，成功率高。改进后的实验产生持续且大量的白烟，可以多次点燃白烟、多次看到明显的实验现象，成功率极高。无论是教师演示实验还是学生自己操作，是在学校还是在家庭中开展实验，都是可行的。三是材料易得。彩色生日蜡烛随处可见，且经济实惠。

改进后的实验操作简单、成功率高、现象明显。其中巧用塑料瓶检验蜡烛燃烧产物二氧化碳和水蒸气实验的改进和蜡烛白烟复燃实验的改进非常适合学生开展实验探究活动。蜡烛燃烧的数字化实验则能够通过准确的数据变化从量变的角度判断蜡烛燃烧的反应物与生成物。以上几个实验配合开展，先开展定性实验再通过定量实验加以验证，能更好地帮助学生了解定性研究与定量研究是化学研究的常用方法。

参考文献

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[2]许丽丹，吴孝位.蜡烛及其燃烧探究实验的改进[J].实验教学与仪器，2019（Z1）.

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[4]刘宇.蜡烛燃烧产物检验实验的改进[J].中国现代教育装备，2018（16）.

[5]潘国荣，陈正美.检验蜡烛燃烧产物实验的新方法：锥形瓶法[J].中国现代教育装备，2018（10）.

[6]鞠东胜，王金龙.“蜡烛刚熄灭时白烟的点燃”实验新方法[J].化学教育，2009（7）.

[7]魏锐，方芳，杨萌.对蜡烛燃烧过程的探究[J].中小学实验与装备，2015（1）.

注：本文系2020年度广西高等教育本科教学改革工程项目A类项目（2020JGA230）、2019年度广西高等教育本科教学改革工程项目B类项目（2019JGB267）的研究成果。

作者简介：陈思静（1980— ），硕士研究生，讲师，主要研究方向为化学课程与教学论;朱汝葵（1970— ），硕士研究生，副教授，主要研究方向为化学课程与教学论;张丽霞（1970— ），硕士研究生，教授，主要研究方向为中学化学教学;黄贤凤（1997— ），主要研究方向为中学化学教学、中学化学实验改进。

（责编 刘小瑗）