蠟燭及其燃燒實(shí)驗(yàn)的教學(xué)設(shè)計(jì)

唐思嘉

摘要：以全新的思考和獨(dú)特的視角，對蠟燭及其燃燒實(shí)驗(yàn)的教學(xué)進(jìn)行了拓展研究，發(fā)現(xiàn)蠟燭從點(diǎn)燃到穩(wěn)定燃燒時(shí)，火焰呈現(xiàn)先小→大→再小→再大的變化過程，蠟燭外焰的錐底部位比外焰頂端部位更具穩(wěn)定性。通過多種實(shí)驗(yàn)方法觀察石蠟蒸氣以及燃燒的過程，解決了如何得到“修長”的蠟燭火焰、如何點(diǎn)燃沒有棉線的蠟燭、罩有燒杯的蠟燭火焰一定是從高→低逐個(gè)熄滅、蠟燭燃燒如何形成深陷的凹槽等問題。

關(guān)鍵詞：蠟燭火焰；燃燒原理；石蠟蒸氣；實(shí)驗(yàn)探究；教學(xué)設(shè)計(jì)

文章編號：1005–6629（2017）9–0063–04 中圖分類號：G633.8 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

1 蠟燭從點(diǎn)燃到穩(wěn)定燃燒的過程，火焰何以是先小→大→再小→再大，最后才穩(wěn)定燃燒

仔細(xì)觀察蠟燭的引燃過程發(fā)現(xiàn)，蠟燭火焰總是先由小→大→再小→再大，最后才穩(wěn)定燃燒，過程如圖1所示。

不難發(fā)現(xiàn)，在點(diǎn)燃前，燭芯總是被石蠟浸漬包裹的。將燭芯點(diǎn)燃，燭芯上的石蠟即刻熔化并著火燃燒，火焰是先小→后大，由于燭芯上僅浸漬有少量的石蠟，所以這個(gè)從小→大的燃燒過程持續(xù)時(shí)間較短。當(dāng)燈芯上這部分少量的石蠟燃完耗盡，且燭芯下部的液體石蠟還未來得及提供石蠟蒸氣時(shí)，火焰自然就呈現(xiàn)從大→小。當(dāng)燭芯下部的液體石蠟受到蠟燭燃燒提供的熱量，開始大量熔化并不斷提供石蠟蒸氣時(shí)，火焰即再次由小→大，待石蠟穩(wěn)定提供石蠟蒸氣后，這時(shí)蠟燭才會(huì)持續(xù)穩(wěn)定地燃燒。

盡管這是看似簡單的過程，卻很少有人注意并觀察到。當(dāng)我們問及學(xué)生、教師，甚至某些探究者時(shí)，大家都感到茫然。其實(shí)，這其中蘊(yùn)含著蠟燭燃燒的原理，或許這就是我們探究這個(gè)問題的價(jià)值所在。

2 外焰的錐底部位與外焰頂端部位的穩(wěn)定性何以相差很大

眾所周知，火焰由三部分構(gòu)成：外焰、內(nèi)焰以及焰心。三者中外焰供氧充足，燃燒完全，溫度最高[1]，因此作為熱源供實(shí)驗(yàn)者給其他物質(zhì)加熱。

當(dāng)實(shí)驗(yàn)者借用蠟燭的火焰去點(diǎn)燃火柴時(shí)，是選擇火焰的頂端（見圖2）？還是選擇火焰的錐底（見圖3）？

盡管外焰頂端部位的溫度高，但用火柴梗借火去點(diǎn)燃火柴時(shí)，常識和經(jīng)驗(yàn)告訴我們，頂端部位的火焰極易飄忽，不易點(diǎn)著；如果將火柴梗伸到火焰的錐底部位，那里有穩(wěn)定的外焰，可以不緊不慢成功地點(diǎn)燃火柴梗。

3 如何觀察石蠟蒸氣以及燃燒的過程

蠟燭燃燒的過程，可以視為固體石蠟→液體石蠟→石蠟蒸氣燃燒。

現(xiàn)行初中化學(xué)教材中有如下的實(shí)驗(yàn)探究[2]：熄滅蠟燭，觀察蠟燭熄滅時(shí)有什么現(xiàn)象發(fā)生。用火柴去點(diǎn)蠟燭剛熄滅時(shí)產(chǎn)生的白煙（如圖4），觀察蠟燭能否重新燃燒？

有這個(gè)實(shí)驗(yàn)經(jīng)歷的教師都知道，蠟燭熄滅后產(chǎn)生的白煙的量比較少，在空氣中逸散后，石蠟蒸氣的濃度越來越低，要將其點(diǎn)燃的幾率并不高。特別是石蠟蒸氣隨風(fēng)散去只需一溜煙的瞬間，更別提要仔細(xì)觀察，還要點(diǎn)燃，談何容易！為此，筆者提出以下三個(gè)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)新方案，可供大家參考。

第一，用膠頭滴管，對準(zhǔn)火焰的焰心部位，吸取石蠟蒸氣，可以觀察到白煙逐漸吸入管內(nèi)（圖5）；接下來，通過緩緩擠出白煙，將石蠟蒸氣點(diǎn)燃（如圖6）。

第二，在鐵架臺上固定一根長約15～20cm傾斜的普通玻璃管，玻璃管的下端口直接插入蠟燭的焰心，在上端管口觀察徐徐導(dǎo)出的白煙（現(xiàn)象十分明顯）。當(dāng)在玻璃管的上端口點(diǎn)燃白煙時(shí)（圖7），觀察石蠟蒸氣燃燒形成的火焰[3]。

第三，點(diǎn)燃蠟燭，用一根彎曲的玻璃導(dǎo)管，一端對準(zhǔn)焰心，另一端插入錐形瓶，適當(dāng)調(diào)整玻璃導(dǎo)管的傾斜角度，可以觀察到石蠟蒸氣的白煙通過導(dǎo)管緩緩流入錐形瓶中。待石蠟蒸氣集滿整個(gè)錐形瓶時(shí)（圖8），白煙會(huì)從瓶中溢出，隨風(fēng)飄逸。待白煙散盡，觀察錐形瓶內(nèi)壁殘留了薄薄的一層固體石蠟。

4 沒有棉線芯的蠟燭能夠燃燒嗎

筆者帶著這個(gè)問題，詢問過初三、高一、高二、高三幾個(gè)年級的學(xué)生，得到的結(jié)果很不一致。有的面面相覷，表情茫然；有的隨意猜想，說能燃燒，卻又道不出所以然；堅(jiān)信不能燃燒的學(xué)生也不少，在他們的印象中，蠟燭（石蠟）沒有棉線芯怎么可能被點(diǎn)燃呢！

實(shí)踐是檢驗(yàn)真理的唯一標(biāo)準(zhǔn)。任何猜想都應(yīng)該在實(shí)驗(yàn)面前得到證實(shí)和證偽。

將去掉棉線的石蠟直接放進(jìn)坩堝里，用燃著的火柴棍去點(diǎn)，結(jié)果無論如何也點(diǎn)燃不起來；如果先把石蠟加熱熔化，待有石蠟蒸氣（白煙）時(shí)再點(diǎn)，它就會(huì)像點(diǎn)燃酒精一樣，立即著火燃燒（圖9）。事實(shí)證明，只有當(dāng)石蠟熔化待有石蠟蒸氣產(chǎn)生之后，才可以點(diǎn)著燃燒[4]。蠟燭燈芯上的棉線，就是蠟燭燃燒時(shí)可以起到不斷提供液體石蠟（毛細(xì)作用）和石蠟蒸氣的作用。所以沒有棉芯的蠟燭在通常情況下是不能被點(diǎn)燃的。

5 如何得到“苗條”、“修長”的火焰

點(diǎn)燃一支蠟燭，用試管夾夾住一根玻璃管，待火焰穩(wěn)定燃燒時(shí)，將玻璃管移向火焰，從火焰的上方向下罩，罩住火焰時(shí)由于玻管內(nèi)空氣對流速度加快，這時(shí)火焰就會(huì)變得“苗條”“修長”起來（圖10）。如果把這種實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象（事實(shí)）展現(xiàn)在學(xué)生面前，他們一定會(huì)有眼前一亮的感覺，動(dòng)手做實(shí)驗(yàn)的興趣油然而生。

6 蠟燭熄滅與CO2密度的關(guān)系

CO2密度大于空氣，不支持燃燒。當(dāng)它彌漫在燃燒物周圍，降低周圍氧氣的濃度，會(huì)使火焰窒息，從而起到滅火的作用[5]。

關(guān)于CO2的滅火原理，在現(xiàn)行教材第117頁有如下實(shí)驗(yàn)（圖11），將二氧化碳?xì)怏w慢慢倒入燒杯中，觀察現(xiàn)象并分析原因。

我們設(shè)計(jì)了如下實(shí)驗(yàn)（圖12）：將三支高度差大致為1.5～2cm的蠟燭，取適當(dāng)距離豎立放在玻璃片上，分別將其點(diǎn)燃，當(dāng)它燃燒形成穩(wěn)定的火焰時(shí)，罩上一個(gè)大燒杯，我們可以觀察到火焰一定是從高到低逐個(gè)熄滅的，這是為什么？

前一個(gè)實(shí)驗(yàn)是CO2密度比空氣大，在向燒杯傾倒CO2時(shí)，靠近杯底的蠟燭的火焰最先熄滅。后一個(gè)實(shí)驗(yàn)是倒扣下燒杯時(shí)，整個(gè)燒杯內(nèi)形成密閉空間，蠟燭燃燒產(chǎn)生的灼熱的CO2密度小，在燒杯上部（燒杯底）慢慢積蓄，所以蠟燭火焰總是按照從高到低的順序依次熄滅。

7 蠟燭燃燒何以形成深陷的凹槽

一般情況下，一支蠟燭燃燒后，蠟燭燭芯周圍有微微凹陷，倘若想要得到一個(gè)更深陷的凹槽，則可以按如下的操作方法來實(shí)現(xiàn)。

點(diǎn)燃一支蠟燭，豎立粘在玻璃片上，再將它放入大小合適的燒杯中，然后向燒杯內(nèi)加冷水到火焰以下0.5～1cm處。待蠟燭燃燒到接近水面時(shí)，石蠟（燭）的邊緣不再液化，最終逐漸形成深陷的凹槽（圖13）。待凹槽內(nèi)空氣流動(dòng)十分不暢，難以維持蠟燭燃燒時(shí)，火焰才會(huì)以極其緩慢的速度熄滅，最終形成深深的石蠟凹陷，故該趣味實(shí)驗(yàn)又有“水下燭焰”之稱。

應(yīng)當(dāng)還有很多蠟燭及其燃燒的實(shí)驗(yàn)事實(shí)可以值得探究。對于剛剛啟蒙學(xué)習(xí)化學(xué)的初三學(xué)生，這些實(shí)驗(yàn)必將開啟他們的心智，使眼前的化學(xué)世界變得如此撲朔迷離和絢麗多彩。

參考文獻(xiàn)：

[1]王克勤，逯俊玲，左志軍.酒精燈加熱溫度的測定研究[J].化學(xué)教學(xué)，2003，（11）：42～43.

[2]王晶，鄭長龍.義務(wù)教育教科書·化學(xué)（九年級上冊）[M].北京：人民教育出版社，2013：117.

[3]王寶權(quán).蠟燭燃燒實(shí)驗(yàn)的探究與改進(jìn)[J].化學(xué)教學(xué) 2013，（12）：43～44.

[4]王程杰.燃燒條件3+1 [J].化學(xué)教學(xué)2016，（1）：49～54.

[5]顧正燕.“對蠟燭及其燃燒的探究”的實(shí)驗(yàn)改進(jìn)[J].教學(xué)儀器與實(shí)驗(yàn)，2006，（4）：47.