一箭三雕：蜡烛燃烧实验的改进

摘要

利用简单的器材和方法对蜡烛燃烧实验进行改进，解决了教材实验存在的操作繁杂、实验现象不明显等问题。改进后的实验优点表现为：仪器结构简单，操作方便，现象明显。其作用一举三得，可谓“一箭三雕”，印证了“大道至简”理念。

Graphical abstract

关键词

蜡烛燃烧 / 水蒸气 / 二氧化碳 / 白烟

蜡烛燃烧实验作为人教版化学九年级上册的第一个学生分组探究实验，其教材设计为：分别将干燥烧杯与内壁涂有澄清石灰水的烧杯先后罩在火焰上方，观察内壁现象；再用火柴去点蜡烛刚熄灭时产生的白烟，观察蜡烛能否复燃。然而，探究该实验时恰逢三伏天气，面临诸多挑战：干燥烧杯内壁难以出现清晰水珠；涂有澄清石灰水的烧杯内壁上的白色痕迹易被误认为是蒸干的氢氧化钙；吹灭蜡烛后产生的白烟不明显。教学实践发现，其整体实验流程繁杂，现象不明显，教学效果欠佳。

笔者查阅知网文献发现，现有改进方案虽各有亮点，但均存在明显局限：如用玻璃杯罩住澄清石灰水中正在燃烧的蜡烛，待蜡烛熄灭后，发现杯中的石灰水液面上升，不久液面结上一层白膜，证明蜡烛燃烧产物中有二氧化碳^［1］，但是该实验改进操作复杂、改进单一；也有用注射器抽取蜡烛火焰焰心处白烟^［2］、用漏斗收集白烟^［3］或者用干燥管导出白烟等方法对蜡烛白烟点燃实验进行改进^［2］，但存在操作难度大、风险高（烫手等）、时机难把握等问题；还有用锥形瓶代替烧杯收集二氧化碳，或用酒精灯的灯帽盖灭蜡烛以增强白烟效果^［4］。以上改进都存在或改进单一、或操作复杂、或存在安全隐患、或现象不明显等问题。目前，真正符合“大道至简”理念且现象稳定、显著的实验设计仍未见诸文献。鉴于此，笔者在实践中反复研究，摸索出一种可同步实现多目标优化的“一箭三雕”式实验设计方案。

1 设计思路

1.1 分析问题产生的原因

（1） 在进行蜡烛燃烧成分探究实验教学时，正是末伏前后，天气闷热，室内气温偏高。在此条件下，蜡烛燃烧产生的水蒸气难以在烧杯内壁遇冷液化。没有制造出“遇冷”的环境，水蒸气无法液化，又如何看到水雾？

（2） 将内壁涂有澄清石灰水的烧杯罩于蜡烛火焰上方后，烧杯温度升高很快，可能导致石灰水蒸干，影响对二氧化碳的验证效果。此外，如何确保烧杯能够有效收集高温下密度小于空气的二氧化碳气体，并在适当时机迅速翻转以捕捉冷却后密度大于空气的二氧化碳，成为实验操作中的难点。翻转时机若把握不当，则难以获得预期的实验现象。

（3） 学生初次实验，往往因情绪高涨而吹气过猛，或者因蜡烛点燃时间较短，吹灭蜡烛后，难以观察到明显的白烟。得不到白烟，又如何引燃白烟？

1.2 实验设计的改进原理

（1） 设计的实验，要能够制造出水蒸气遇冷液化的环境。改进的仪器要留住水蒸气且要增加水蒸气运行的距离，使水蒸气充分液化。

（2） 同理，收集装置关键是要留住二氧化碳，把高温的、密度小于空气的二氧化碳转化为冷却的、密度大于空气的二氧化碳，并且要及时收集在装置中。

（3） 在“点燃白烟”这一环节中，无论蜡烛火焰是否熄灭，关键在于捕捉到白烟。

基于上述改进原理，笔者通过一套极为简洁的实验装置，成功解决了以上所有问题。

2 实验器材与实验探究装置

2.1 实验器材

（1） 实验仪器：蜡烛1支、漏斗1个、90°的玻璃弯导管1根、试管1根、10 cm长的乳胶管1根、火柴1盒。

（2） 实验药品：澄清石灰水1瓶。

2.2 实验探究装置

设计的实验探究装置如图1所示，将乳胶管两端分别连接在漏斗的导管和玻璃导管的短管一端（用一段直玻璃导管也行）。

3 实验步骤

（1） 点燃蜡烛。

（2） 把实验探究装置的漏斗罩在蜡烛火焰上（漏斗边缘距离蜡烛火焰大约10 cm），观察到漏斗的导管中出现水雾（图2）。

（3） 把导气管插入试管底部，使实验探究装置的漏斗仍然倒扣在蜡烛火焰上（同步骤2），采取向上排空气法收集二氧化碳，大约10 s，抽出导气管，再倒入2 mL石灰水，用拇指堵住试管口，然后振荡，即可观察到澄清的石灰水变浑浊。

（4） 把上述实验探究装置的漏斗继续向下移动，当蜡烛火焰位于漏斗内时，快速下压，迅速移走漏斗，然后同时把燃着的火柴靠近蜡烛灯芯上方的白烟处，观察到白烟能够被点燃。

4 改进优点

4.1 装置组装简单，实验操作简便

本实验采用的仅仅是用一段乳胶管连接漏斗和导气管的实验探究装置，组装简单，且实验操作步骤也简便易行，适用于课堂演示或学生自主探究。

4.2 实验现象明显，结论一箭三雕

（1） 因为漏斗能够把蜡烛燃烧产生的气体聚拢到导管中，且生成的水蒸气滞留时间较长，运行的距离较远，能够充分地冷却，所以水雾的现象较为明显。

（2） 同样的道理，因为漏斗能够把蜡烛燃烧产生的气体有效聚拢到导管中，虽然热的二氧化碳密度比空气小，但是生成的二氧化碳滞留时间较长，运行的距离较远，能够充分地冷却，当运行到导管中的时候，温度接近空气，此时二氧化碳的密度比空气大，再运用向上排空气法收集一试管二氧化碳气体是可行的。接着把少许澄清的石灰水倒入收集二氧化碳的试管中，用拇指堵住试管口并振荡试管，此时观察到澄清石灰水变浑浊的现象较为明显。

（3） 用嘴吹灭火焰的同时会把白烟吹走，用单独的漏斗迅速压灭蜡烛火焰，由于漏斗下端的导管较短，白烟很容易从漏斗下端的导管中溜走。但是在改进装置中，由于漏斗又连接了一段乳胶管和玻璃管，在实验操作时乳胶管和玻璃管是加长部分且呈弯曲状态，就在一定程度上阻碍了白烟运行，延缓了白烟的逸散，所以这套装置能够很好地聚拢热量和白烟，锁住白烟，趁机点燃，当然是“任尔实验总成功”。

一个小小的实验改进，使仪器组装简单且操作简便、实验安全、现象明显，实现了一箭三雕。

参考文献

[1] 张永明.“蜡烛的燃烧”实验改进［J］.实验教学与仪器，2023，40（06）：92-93.

[2] 宋伟.对“蜡烛燃烧”探究实验的改进［J］.中学化学教学参考，2021（05）：38-40.

[3] 陈红香.熄灭蜡烛白烟复燃实验的改进［J］.实验教学与仪器，2023，40（07）：52-53.

[4] 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，2019，36（7/8）：55-56.