一道實(shí)驗(yàn)試題的巧妙實(shí)現(xiàn)

鄒韋書

摘 要：用凸透鏡來(lái)點(diǎn)燃密封在玻璃瓶中的紅磷和碳的實(shí)驗(yàn)，使看上去只有設(shè)想意義，好像不能夠完成的“想象實(shí)驗(yàn)”得以簡(jiǎn)單兌現(xiàn)。

關(guān)鍵詞：點(diǎn)燃；密封；凸透鏡

中圖分類號(hào)：G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1003-6148（2015）5-0052-2

百聞不如一見(jiàn)，一見(jiàn)不如實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)要可兌現(xiàn)，真相才能呈現(xiàn)。

在網(wǎng)上，筆者發(fā)現(xiàn)一道試題 [1]，內(nèi)容如下：

如圖1所示，等體積的甲、乙兩集氣瓶?jī)?nèi)充滿空氣，燃燒匙內(nèi)分別盛有過(guò)量的紅磷和碳，點(diǎn)燃使其充分反應(yīng)，冷卻至室溫，打開(kāi)止水夾，出現(xiàn)的現(xiàn)象是（ ）

A.甲瓶沒(méi)有水流入，乙瓶中有水流入

B.甲、乙兩瓶均有水流入

C.甲瓶中有水流入，乙瓶沒(méi)有水流入

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圖1 紅磷和碳密封點(diǎn)燃裝置

本題涉及P、C在空氣中燃燒，生成物的數(shù)量和性質(zhì)，以及氣體分壓定律和大氣壓等化學(xué)和物理知識(shí)。P、C與空氣中的O2燃燒分別生成P2O5和CO2，化學(xué)反應(yīng)式分別為：

甲瓶：4P+5O2→2P2O5，

乙瓶：C+O2→CO2。

甲瓶中生成的P2O5不是氣體，在瓶子密封的情況下，它消耗的O2得不到其他氣體補(bǔ)充，乙瓶中生成的CO2是氣體且與消耗的O2的摩爾數(shù)相等，能夠取代被消耗的O2的體積。所以，正確的選項(xiàng)肯定是第三項(xiàng)（C）。

雖然通過(guò)分析，找到了本題原意希望的正確答案。但我們卻發(fā)現(xiàn)：要完成此實(shí)驗(yàn)，則必須做到“點(diǎn)燃密封在玻璃瓶中的P和C”。如果是將P和C先點(diǎn)燃后再放到瓶中，再蓋上如圖1的裝置所設(shè)計(jì)的瓶塞，就會(huì)因P、C先燃燒生的熱，使瓶中空氣膨脹，導(dǎo)致瓶中的空氣被擠出一部分，使瓶中空氣的密度小于外界空氣的密度。封口后，瓶中的O2消耗到不能維持燃燒P、C燃燒時(shí)，甲瓶的情況仍然是生成P2O5，消耗的O2得不到補(bǔ)充；而乙瓶情況就不同了，雖封口后C燃燒消耗的O2仍能得到生成的同等摩爾數(shù)的CO2補(bǔ)充，但被熱膨脹“擠出”的空氣則得不到補(bǔ)充。所以，會(huì)因“冷縮”出現(xiàn)B選項(xiàng)的結(jié)果，而非本題原意要求的答案。

于是，筆者就“點(diǎn)燃密封在玻璃瓶中的可燃物”進(jìn)行搜索，沒(méi)有找到有關(guān)的方法介紹。若不能點(diǎn)燃密封在玻璃瓶中的P和C，則該實(shí)驗(yàn)設(shè)想就只有想象意義和理論意義，不能讓人“眼見(jiàn)為實(shí)，心服口服”。

要點(diǎn)燃密封在玻璃瓶中P和C，就必須找到一種能夠穿透玻璃的“火種”。所以，筆者聯(lián)想到用凸透鏡的聚焦性也許能達(dá)到目的。通過(guò)實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)可行。

具體方法和步驟如下：

1.選擇太陽(yáng)天， 準(zhǔn)備好圖1的材料和一個(gè)凸透鏡。

2.將甲、乙兩瓶拿到醫(yī)院，用“排水集氣法”裝滿醫(yī)用氧氣，擰緊止水夾，塞緊如圖1的瓶塞，以保證瓶中含氧量充足，能夠維持P粉和C粉的完全燃燒。

3.裝置成圖1樣，置于太陽(yáng)光下。

4.打開(kāi)止水夾，見(jiàn)置于燒杯水中的玻璃導(dǎo)管口沒(méi)有氣泡時(shí)（這時(shí)瓶?jī)?nèi)的氣壓與外界一致），再擰緊止水夾。因?yàn)槠恐械臍怏w是在室內(nèi)用“排水集氣法”收集的醫(yī)用氧氣，其氣壓高于外界的大氣壓，又在陽(yáng)光下，比室內(nèi)溫度高，會(huì)再次膨脹。不這樣做，可能會(huì)在以后的燃燒環(huán)節(jié)，由于生熱致瓶?jī)?nèi)氣體膨脹而發(fā)生危險(xiǎn)。

5.在裝置周圍設(shè)遮擋物，實(shí)驗(yàn)者要戴上頭盔，面罩，穿較厚的衣服，盡量不要有皮膚裸露，以防發(fā)生意外。

6.用凸透鏡隔著玻璃瓶把陽(yáng)光聚焦在燃燒匙盛的紅磷粉和碳粉上，當(dāng)溫度超過(guò)紅磷和碳的著火點(diǎn)時(shí)，開(kāi)始燃燒。

7.燃燒停止，冷卻至外界氣溫或?qū)⒀b置拿到室內(nèi)冷卻至室溫，打開(kāi)止水夾，出現(xiàn)本題要求的選項(xiàng)結(jié)果第三選項(xiàng)（C）。

此方法也可用于點(diǎn)燃密封在玻璃瓶中的其他可燃物。

注意事項(xiàng)：

1.步驟4、5千萬(wàn)不能省略，且要做到位，否則可能會(huì)發(fā)生意外。

2.碳瓶中的氧氣含量一定要能夠維持碳的完全燃燒，如果氧氣不足，就會(huì)發(fā)生2C+O2→2CO的反應(yīng)，生成的CO 摩爾數(shù)是消耗的O2的摩爾數(shù)的兩倍。在燃燒停止，冷卻后，會(huì)出現(xiàn)：燒杯的水中，接乙瓶的玻璃管口處，有氣泡冒出的“題外現(xiàn)象”。

3.燃燒匙中的紅磷和碳不需要本題所說(shuō)的過(guò)量，因?yàn)椋灰紵Ｖ?，氧的消耗就結(jié)束，并不需要把瓶中的氧氣消耗殆盡，才出現(xiàn)本題的“標(biāo)準(zhǔn)答案”。

4.甲、乙兩瓶并不需要等體積。因?yàn)?，這一個(gè)實(shí)驗(yàn)要證明的是瓶中消耗的氧氣有無(wú)其他氣體來(lái)補(bǔ)充，兩個(gè)瓶子體積是否相等，并不影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性。

如果本題能夠增加“怎樣點(diǎn)燃密封在玻璃瓶中的紅磷和碳”的設(shè)問(wèn)，以喚起人們“把想法變?yōu)檗k法”的思考，彌補(bǔ)我們實(shí)驗(yàn)科學(xué)類的教學(xué)中，普遍存在的實(shí)際操作不足，就更完美了。

參考文獻(xiàn)：

[1]佚名.試題http：//www.jyeoo.com/chemistry/ques/detail/cb4b26e6-de5c-4a77-b798-08aee790bb85

[2]張憲魁.實(shí)施物理科學(xué)方法教育的策略談[J].物理教學(xué)探討，2014，（1）：1.

（欄目編輯 陳 潔）