密闭体系中影响蜡烛燃烧时间的因素的探究

陈伯瀚 贾喜珍

摘要：对密闭体系中下列影响蜡烛燃烧时间的因素进行探究：蜡烛烛芯长度、蜡烛高度、氧气氮气混合气体中氧气体积分数、氧气二氧化碳混合气体中氧气体积分数等。结合实验中蜡烛高度和烛芯长度变化，从反应原理角度对燃烧时间曲线变化的可能原因进行解释。

关键词：蜡烛;燃烧时间;反应速率;氧气体积分数

文章编号：1008-0546（2022）10x-0096-02中图分类号：G632.41文献标识码：B

在讲授空气中氧气含量测定时，有学生提出，可以研究氧气浓度和蜡烛燃烧时间的关系，进而利用该关系推算出空气中氧气的浓度。其思路类似于利用标准曲线测定浓度。受到学生的启发，设计下面的实验方案。

一、实验方案

1.蜡烛燃烧时间的测定方法

将蜡烛放置于玻璃片上，用集气瓶倒扣在玻璃片上，测定从倒扣集气瓶至蜡烛熄灭的时间。测定蜡烛高度和烛芯长度对燃烧时间影响的实验时，均使用空气。测定氧气体积分数对燃烧时间影响的实验时，对同一组蜡烛修剪至相同的蜡烛高度和烛芯长度，如图1所示。所有测量数据均取三次测量的平均值。

2.不同浓度氧气的配制方法

配制氧气氮气混合气的方法：使用285mL集气瓶，往集气瓶中加入一定量的水，上方留出空气。再通过排水法，用氧气将水排尽。配制出21%～100%氧气体积分数的氧气氮气混合气体。

配制氧气二氧化碳混合气的方法：使用285mL集气瓶，先用排水法收集部分氧气，再用排水法，用二氧化碳将水排尽。配制出10%～100%氧气体积分数的氧气二氧化碳混合气体。先收集氧气后收集二氧化碳的目的是避免二氧化碳溶于水对实验造成影响。

二、数据结果及分析

1.蜡烛高度对蜡烛燃烧时间的影响

实验1：实验用蜡烛烛芯长度均为0.5cm，测得蜡烛燃烧时间随蜡烛高度增大而减少，如表1所示。由数据推测：蜡烛熄灭时不一定将集气瓶中的氧气完全消耗，烛芯附近氧气下降到一定的浓度时，蜡烛就会熄灭。由于燃烧时生成的二氧化碳在受热下密度减小，升至集气瓶上方，因此在集气瓶中蜡烛越高越先熄灭。[1]

2.烛芯长度对蜡烛燃烧时间的影响

实验2：实验用蜡烛高度均为2cm，测得蜡烛在集气瓶中燃烧时间随烛芯长度增大而减少，如表2所示。实验时可明显观测到，烛芯越长，蜡烛火焰越大，燃烧越剧烈。由于蜡烛烛芯的作用是提供蜡烛蒸气，[2]因此从数据推测，烛芯长度越大，石蜡蒸气蒸发越多，相当于增大了反应物接触面积，也在一定程度上提高了石蜡蒸气的浓度，导致燃烧反应速率加快。

3.氧气和氮气比例对蜡烛燃烧时间的影响

实验3：使用氧气氮气混合气体测定时，实验用蜡烛高度均为2cm，蜡烛烛芯长度为0.5cm。不同氧气体积分数时，蜡烛燃烧时间的数据如图2所示。实验数据表明：随着氧气体积分数增大，蜡烛燃烧时间先增大，后减小。实验现象是：随着氧气体积分数增大，蜡烛燃烧剧烈程度逐渐增大，当氧气体积分数大于60%时，蜡烛在燃烧过程中高度显著下降，烛芯长度显著增加，且氧气体积分数越大，这两个变化越显著。在90%和100%氧气中，蜡烛高度可以下降约0.5～0.3cm，烛芯长度可以增长约0.9～1.2cm。

蜡烛燃烧时间与氧气总量以及燃烧速率有关，燃烧速率又与氧气浓度，反应物接触面积有关，而反应接触面积主要与蜡烛烛芯长度有关。当氧气体积分数在20%～50%之间时，氧气总量增大使燃烧时间延长的影响为主要因素，燃烧速率增大使燃烧时间缩短的影响为次要因素。当氧气体积分數在5%～100%之间时，蜡烛烛芯长度的变化会使氧气总量增大和燃烧速率增大两个影响因素的主次关系调换。此外，结合实验1结论，蜡烛高度变短会延长燃烧时间，但这与实验3结果不符，说明蜡烛高度变化在实验3中也为次要因素。

4.氧气和二氧化碳比例对燃烧时间的影响

实验4：实验用蜡烛高度均为2cm，蜡烛烛芯长度为0.5cm，使用氧气二氧化碳混合气体测定。不同氧气体积分数时，蜡烛燃烧时间数据见图2。实验数据表明：氧气体积分数10%时，蜡烛不能燃烧，20%至90%时，随着氧气体积分数增大，蜡烛燃烧时间增长，体积分数与燃烧时间存在较好的线性关系。90%至100%时，燃烧时间比较接近。实验现象是：随着氧气体积分数增大，蜡烛燃烧剧烈程度逐渐增大。在氧气体积分数80%～100%时，和实验3类似，蜡烛在燃烧过程中也出现高度显著下降，烛芯长度显著增加现象。对比实验3和实验4数据，推测：二氧化碳浓度可能对蜡烛能否燃烧有影响，蜡烛熄灭时，集气瓶中可能存在部分没有消耗的氧气。[3]

三、结论与反思

密闭体系中蜡烛燃烧时间是一个多因素影响的复杂问题，其本质和三个因素有关：氧气总量、燃烧速率、熄灭时的氧气剩余量。其中燃烧速率本质上又和温度、氧气浓度、石蜡蒸气浓度以及反应物接触面积有关，石蜡蒸气浓度和反应物接触面积又和蜡烛烛芯长度有直接关系。此外，二氧化碳浓度可能会影响支持蜡烛燃烧的最低氧气浓度。[4]

本实验之所以会研究蜡烛烛芯长度对燃烧时间的影响，源自对不同浓度氧气氮气混合气体燃烧时间图像的分析。如果只考虑氧气浓度对于反应速率的影响，在氧气体积分数60%～100%时，曲线最多只会趋于平缓，但不会下降。因此，曲线下降证明一定有其他因素加快了反应速率。同时，实验中观察到烛芯长度对蜡烛火焰大小有非常明显的影响。在以上启发下，通过实验验证了烛芯长度对反应速率的影响。

参考文献

[1]柴建波.实验探究密封容器内不同高度蜡烛的熄灭顺序[J].中学物理教学参考，2021，50（13）：54-56.

[2]唐思嘉.蜡烛及其燃烧实验的教学设计[J].化学教学，2017（09）：63-66.

[3]范婉贞等.利用手持技术探究建筑火灾逃生策略的合理性——测量氧气含量、二氧化碳浓度和温度的变化[J].化学教育，2017，38（01）：63-68.

[4]黄毓展，等.运用数字化手持技术探究蜡烛非常规熄灭的原因——通过测量二氧化碳浓度和温度的变化进行验证[J].化学教育，2018，39（21）：63-69.