酒精燈火焰的溫度及實驗室加熱源

孫黎穎+王程杰

摘要：用新型數(shù)字信號的高溫傳感器探究酒精燈三個焰層的溫度，對比多種酒精燃料的外焰溫度。實驗結(jié)果表明，酒精燈火焰溫度外焰大于內(nèi)焰大于焰心，這與傳統(tǒng)觀點(diǎn)一致。對于不同酒精燃料的外焰溫度，工業(yè)酒精大于95%乙醇大于無水乙醇。數(shù)字化實驗儀器的性能進(jìn)步和技法精確提高了實驗結(jié)果的準(zhǔn)確性。實驗室的多種加熱源可以替代酒精燈。

關(guān)鍵詞：數(shù)字化實驗；酒精燈火焰；焰層溫度；酒精燃燒熱；加熱源

文章編號：1005–6629（2017）11–0092–05 中圖分類號：G633.8 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

1 問題的提出

酒精燈是我國中學(xué)化學(xué)實驗常見的加熱源。探究酒精燈火焰溫度的實驗方法多種多樣，有加熱玻璃棒等實物間接探究法，也有高溫傳感器直接探究法。酒精燈火焰的三個焰層：外焰，內(nèi)焰，焰心的溫度高低以及各種不同酒精燃料的熱效應(yīng)究竟怎樣，一直眾說紛紜。

傳統(tǒng)教材認(rèn)為，酒精燈火焰的溫度由高到低依次為外焰>內(nèi)焰>焰心。多種實物實驗方法也證實了這一點(diǎn)[1，2]。如玻璃棒加熱法分別在三個焰層加熱玻璃棒，觀察玻璃棒彎曲的程度，支持這個觀點(diǎn)[3]。有些數(shù)字實驗也支持這一觀點(diǎn)[4]。但有些數(shù)字實驗卻得出了不同的結(jié)論，認(rèn)為酒精燈的內(nèi)焰溫度最高，外焰次之，焰心最低[5～7]。

另外，酒精燈作為實驗室常用的加熱源，燃料有無水乙醇，95%的乙醇，還有工業(yè)酒精。有觀點(diǎn)認(rèn)為無水乙醇的熱效應(yīng)最好，溫度應(yīng)該最高。但也有不同的觀點(diǎn)認(rèn)為工業(yè)酒精的效果最好。酒精燈加熱是否適合每個化學(xué)實驗？它是否是高中化學(xué)實驗室唯一的加熱源？是否有更多的加熱源替代酒精燈？這都值得探討。

2 探究酒精燈三個焰層的溫度

2.1 實驗器材和試劑：

朗威？8.0數(shù)據(jù)采集器、朗威？8.0高溫傳感器（金屬探頭Φ=2mm，2只，分別貼標(biāo)簽A和B）、酒精燈（容積150mL）、全棉燈芯、升降臺、電腦、 100mL量筒、95%乙醇（滬試牌，國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司AR分析純）

2.2 實驗步驟

（1）酒精燈中加入100mL95%的乙醇。實驗時不使用防風(fēng)罩。

（2）搭裝儀器。連接好電腦，數(shù)據(jù)采集器和高溫傳感器。點(diǎn)燃酒精燈，旋轉(zhuǎn)升降臺，把高溫傳感器的探頭A固定在焰心中心的位置。

（3）進(jìn)入通用軟件實驗界面，點(diǎn)擊“計算表格”中，選擇“自動記錄”，將時間間隔設(shè)置為“5s”，點(diǎn)擊開始。

（4）觀察實驗數(shù)據(jù)變化。待數(shù)據(jù)穩(wěn)定后，停止記錄。單擊“繪圖”，設(shè)x軸為“時間”，y軸為“溫度”，獲得測量圖線。見圖1。

（5）待高溫傳感器冷卻后，按照步驟（1）～（4），再重復(fù)實驗兩次。

（6）計算平均值。三次實驗后獲得三組實驗數(shù)據(jù)。選擇每次實驗后二十組數(shù)據(jù)，選取軟件實驗界面中“數(shù)據(jù)分析”、“求平均”獲得每次實驗的平均值數(shù)據(jù)。將平均值分別計入表格中。

（7）繪制“時間-溫度”測量圖線。單擊“繪圖”，設(shè)x軸為“時間”，y軸為“溫度”，獲得酒精燈焰心的“時間-溫度”測量圖線。

（8）分別測定酒精燈外焰和內(nèi)焰的溫度。重復(fù)實驗步驟（1）～（7），獲得相關(guān)實驗數(shù)據(jù)和測量圖線。

（9）重復(fù)（1）～（8）步驟的實驗，使用另外一根高溫傳感器B做實驗，獲得相關(guān)實驗數(shù)據(jù)和測量圖線。

2.3 實驗數(shù)據(jù)

實驗數(shù)據(jù)及測量曲線見表1、表2、圖2、圖3。

2.4 實驗結(jié)論

通過實驗數(shù)據(jù)可知，酒精燈火焰溫度從高到低依次為外焰>內(nèi)焰>焰心。外焰溫度大于內(nèi)焰溫度，內(nèi)焰溫度大于焰心溫度。

2.5 實驗結(jié)論分析

數(shù)字化實驗的裝置包括硬件和操作軟件。硬件有傳感器、數(shù)據(jù)采集器、計算機(jī)。傳感器能感受待測物質(zhì)規(guī)定的待測量，并把它轉(zhuǎn)換成輸出信號。數(shù)據(jù)采集器收集實驗過程中傳感器輸出的信號，然后把它轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號或模擬信號，動態(tài)跟蹤實驗過程中數(shù)據(jù)的變化并以多種形式表達(dá)實驗結(jié)果。測定酒精燈火焰溫度的實驗，數(shù)字實驗的儀器性能是實驗結(jié)果正確的關(guān)鍵要素。本次實驗的數(shù)字化儀器材料和性能大大改進(jìn)，采用了優(yōu)良的鉑金熱電偶和數(shù)字信號。高溫傳感器的敏感元件為熱電偶。當(dāng)導(dǎo)體的兩個接觸點(diǎn)1和2之間存在溫差時，兩者之間便產(chǎn)生電動勢U，通過傳感器電路處理后即可轉(zhuǎn)換為溫度的變化，見圖4。高溫傳感器測溫范圍一般在0～1200℃之間。初期的高溫傳感器產(chǎn)品如朗威？DISLab6.0是模擬信號，模擬信號會影響數(shù)據(jù)的傳輸。而這次實驗的朗威？8.0產(chǎn)品使用數(shù)字信號，與模擬信號相比，數(shù)字信號不失真，通訊速率快，抗干擾能力強(qiáng)，能更真實地測量和傳遞實驗數(shù)據(jù)。

由此可見，酒精燈火焰的溫度由高到低仍然依次為外焰>內(nèi)焰>焰心，這與傳統(tǒng)觀點(diǎn)一致，也與實物間接探究法的觀點(diǎn)一致。這類實驗結(jié)果有所偏差的原因是數(shù)字化實驗儀器的不精確性和操作技法的失誤。隨著數(shù)字化實驗儀器的發(fā)展和進(jìn)步，實驗結(jié)果越來越準(zhǔn)確。實驗儀器的準(zhǔn)確度對實驗結(jié)果會帶來影響。高溫傳感器B的實驗數(shù)據(jù)普遍低于高溫傳感器A的實驗數(shù)據(jù)，因為傳感器B使用時間比較久，探頭上有少量的銹跡影響了儀器的靈敏度，但不影響實驗的總體趨勢分析和判斷。這個實驗的操作技巧比較嚴(yán)格，高溫傳感器的探頭要放在火焰錐形的中心位置。測定三個焰層溫度時探頭只能上下垂直移動，否則失之毫厘謬以千里，影響測量結(jié)果的準(zhǔn)確性。

3 探究不同酒精燃料外焰的溫度endprint

3.1 實驗器材和試劑

朗威？8.0數(shù)據(jù)采集器、朗威？8.0高溫傳感器（金屬探頭Φ=2mm，2只，標(biāo)簽為A）、酒精燈（容積150mL）、全棉燈芯、升降臺、電腦，100mL量筒、無水乙醇（AR分析純）、95%乙醇（AR分析純）、工業(yè)酒精

3.2 實驗步驟

（1）酒精燈中加入100mL 95%的乙醇。重新更換全棉的燈芯。使用酒精燈擋風(fēng)罩。

（2）搭裝儀器。連接好電腦，數(shù)據(jù)采集器和高溫傳感器。點(diǎn)燃酒精燈，旋轉(zhuǎn)升降臺，把高溫傳感器A的探頭固定在外焰中心的位置。

（3）進(jìn)入通用軟件實驗界面，點(diǎn)擊“計算表格”中，選擇“自動記錄”，將時間間隔設(shè)置為“5s”，點(diǎn)擊開始。

（4）觀察實驗數(shù)據(jù)變化。待數(shù)據(jù)穩(wěn)定后，停止記錄。單擊“繪圖”，設(shè)x軸為“時間”，y軸為“溫度”，獲得測量圖線。

（5）待高溫傳感器冷卻后，按照步驟（1）～（4），再重復(fù)實驗兩次。

（6）計算平均值。三次實驗后獲得三組實驗數(shù)據(jù)。選擇每次實驗后二十組數(shù)據(jù)，選取“數(shù)據(jù)分析”、“求平均”獲得每次實驗的平均值數(shù)據(jù)。將平均值分別計入表格中。

（7）繪制“時間-溫度”測量圖線。單擊“繪圖”，設(shè)x軸為“時間”，y軸為“溫度”，獲得酒精燈焰心的“時間-溫度”測量圖線。

（8）分別測定無水乙醇和工業(yè)酒精的外焰溫度。重復(fù)實驗步驟（1）～（7），獲得相關(guān)實驗數(shù)據(jù)和測量曲線。

3.3 實驗數(shù)據(jù)

實驗數(shù)據(jù)及測量曲線見表3、圖5。

3.4 實驗結(jié)論

通過實驗數(shù)據(jù)可知，各種酒精燃料外焰溫度由高到低依次是工業(yè)酒精>95%乙醇>無水乙醇。相同的95%乙醇的測定，帶擋風(fēng)罩的火焰溫度高于不帶擋風(fēng)罩的溫度，使用了酒精燈擋風(fēng)罩能聚集熱量。

3.5 實驗結(jié)論分析

工業(yè)酒精外焰溫度最高的原因：現(xiàn)行的工業(yè)酒精國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T394.1-2008見表4。從這個標(biāo)準(zhǔn)分析，工業(yè)酒精的成分比較復(fù)雜，除了乙醇外，還有甲醇，異丁醇，異戊醇，酸，酯，不揮發(fā)物等雜質(zhì)。

工業(yè)酒精的主要成分乙醇，剩余成分中主要是甲醇，一般甲醇含量小于5%。甲醇和乙醇的燃燒熱分別為22687.5kJ/kg和29717kJ/kg，在消耗質(zhì)量相同的條件下，甲醇釋放的熱量比乙醇小，但甲醇的閃點(diǎn)和自燃點(diǎn)低，所以它易引燃，易揮發(fā)，同溫同壓下分子平均運(yùn)動速度快，燃燒時耗氧能力強(qiáng)。三種酒精燃料中，工業(yè)酒精的甲醇含量最高，所以工業(yè)酒精測得的外焰溫度最高。

95%的乙醇溫度高于無水乙醇的原因分析：95%的乙醇是95%的無水乙醇和5%的水的混合物。如果這兩種酒精燃料在供氧都充足的條件下充分燃燒，理論上應(yīng)該是無水乙醇產(chǎn)熱高，因為95%乙醇中的水的氣化要吸熱，且95%乙醇揮發(fā)時氣態(tài)乙醇分子密度也小。但實際使用中，無水乙醇是氧氣不足的不充分燃燒。判斷方法1煙炱法，無水乙醇做燃料時，火焰加熱試管時間長些，試管外壁就會產(chǎn)生黑色煙炱。這說明無水乙醇做酒精燈燃料時，會有明顯的要吸熱的分解反應(yīng)存在。部分無水乙醇會分解為碳。判斷方法2火焰明亮法，無水乙醇做燃料時火焰更明亮，這說明有碳粒，部分乙醇分子分解而沒有充分燃燒。如果95%乙醇和無水乙醇供氧相同而且供氧不充足的條件下，假設(shè)兩者完全充分反應(yīng)的乙醇質(zhì)量是相同的（接近95%乙醇），而無水乙醇中多余的乙醇分子就會受熱分解，分解吸熱的量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于水的氣化熱，導(dǎo)致火焰反而降溫。數(shù)字實驗探究的結(jié)論，即95%的乙醇外焰溫度大于無水乙醇的外焰溫度，與實物間接探究和肉眼觀察判斷的結(jié)論一致。酒精燃燒越充分，黑色的煙炱就少，火焰明亮度相對就弱，溫度就越高。同時點(diǎn)燃分別裝有三種酒精燃料的酒精燈時，觀察到火焰最為明亮的是無水乙醇，然后是95%乙醇，最后是工業(yè)酒精。

4 中學(xué)實驗室的多種加熱源

酒精燈是我國中學(xué)常規(guī)的加熱源。國外中學(xué)實驗室使用了多種加熱源，減少了石棉網(wǎng)之石棉對人身的傷害，而且達(dá)到了更好的實驗效果。

英美國家的中學(xué)實驗熱源多樣。主要以煤氣燈為主，還有很多電加熱源，如熱盤，納米熱盤，電加熱套，電熱燈，微型實驗中還有微型酒精燈等[8]。很多有機(jī)實驗禁止用火焰直接加熱。

煤氣燈（Benson burner）以煤氣或者天燃?xì)鉃槿剂稀Ｃ簹鉄舻闹饕Y(jié)構(gòu)包括燈管，調(diào)氣孔，開關(guān)，氣源接口。煤氣燈的火焰一般分為三層，外焰溫度約為800～950℃，內(nèi)焰溫度約為500℃，焰心溫度約為300℃。英國的IGCSE化學(xué)試題中有一道題目：把火柴頭迅速插入煤氣燈的焰心，火柴頭竟沒有點(diǎn)燃，并認(rèn)為原因是焰心有大量的煤氣缺少氧氣且溫度低。作者懷著驚奇的心情卻也成功體驗出了這個實驗。英美學(xué)生實驗“測定硫酸銅結(jié)晶水含量”的熱源就是煤氣燈[9]。這種實驗方法在國外已經(jīng)十分普遍，但我國大部分地區(qū)還未實行。我校實踐表明，煤氣燈做這個實驗效果良好。雖然煤氣燈溫度比酒精燈高，但因為加熱裝置是一個開放的體系，升溫需要一定的時間，五水合硫酸銅失水的過程在可控程度內(nèi)，用煤氣燈加熱可以縮短加熱時間，達(dá)到與酒精燈加熱媲美的效果。煤氣燈在我國已越來越引起重視，有些學(xué)校實驗室不具備鋪設(shè)煤氣管道的條件，就用煤氣罐替代煤氣管道供氣。這時實驗室需要建設(shè)專門的儲氣瓶室，并要注意規(guī)范操作和使用安全。

電熱盤（Ceramic or Metal coated Hot Plate）是用陶瓷或者鋁硅合金做面板，電阻絲加熱的電加熱源。陶瓷或者鋁硅合金面板可以耐酸堿耐腐蝕，最高溫度320～450℃，還能恒溫加熱。它加熱效果好，溶液受熱均勻，實驗效果良好，可用于制備乙酸乙酯、瓊脂、氫氧化鐵膠體、淀粉溶液等。endprint

納米熱盤（Nano Heat Hot Plate）表面是耐酸堿的陶瓷玻璃，它用納米材料加熱，比傳統(tǒng)電熱盤更輕巧。溫度范圍0～360℃，因為納米技術(shù)加熱更加均勻，因此配制的溶液能體現(xiàn)更好的實驗細(xì)節(jié)效果。

電加熱套（Heating Mantle）是中間球形中空的電阻絲加熱源。它內(nèi)部襯有球狀的金屬網(wǎng)內(nèi)膽，最高溫度達(dá)450℃，用于加熱球形玻璃儀器，如圓底燒瓶。圓底燒瓶受熱均勻，實驗效果好。

電熱燈（Electrical Burner）是國外最近出現(xiàn)替代煤氣燈的電加熱源。它是電阻絲加熱，功率約為500瓦，5分鐘內(nèi)最高可達(dá)920℃。但這一新產(chǎn)品的技術(shù)目前還不穩(wěn)定。

微型酒精燈（Micro Spirit Burner）為微型實驗配套設(shè)計，以酒精為燃料。燈體是塑料材質(zhì)，但安裝燈芯的管子是玻璃或者陶瓷材質(zhì)。微型酒精燈外焰溫度可達(dá)到約565℃，低于普通的酒精燈溫度。

電加熱源替代石棉網(wǎng)酒精燈的加熱方式，能減少潛在危險。高原缺氧地區(qū)，酒精燃燒不充分，電加熱源能發(fā)揮更好的替代作用。這些電加熱源雖然實驗效果好，但一線教師目前不太愿意積極使用，主要原因是與教材要求的酒精燈加熱配套的裝置圖不同，擔(dān)心影響學(xué)生的考試成績。

5 總結(jié)

通過實驗可知，用數(shù)字信號高溫傳感器探究酒精燈火焰溫度：溫度從高到低依次是外焰>內(nèi)焰>焰心，這與傳統(tǒng)教材和實物間接實驗方法的結(jié)論一致。幾種酒精燃料的溫度從高到低依次是工業(yè)酒精>95%乙醇>無水乙醇。這與實物間接探究實驗和肉眼觀察法的結(jié)論吻合。數(shù)字化實驗儀器的性能直接影響實驗結(jié)果的準(zhǔn)確性。最新的數(shù)字實驗儀器使用了鉑金材料和數(shù)字信號傳感技術(shù)，實驗的結(jié)論與傳統(tǒng)教材的觀點(diǎn)一致?，F(xiàn)代實驗技術(shù)手段既有其先進(jìn)性也有其局限性?，F(xiàn)代實驗手段要與傳統(tǒng)實驗方法結(jié)合，更加重視化學(xué)實驗的實踐性和嚴(yán)謹(jǐn)性。科學(xué)實驗的探索過程本身充滿了挑戰(zhàn)和曲折，有時甚至?xí)霈F(xiàn)反復(fù)，這是中學(xué)化學(xué)實驗發(fā)展現(xiàn)代化進(jìn)程的必經(jīng)之路，也是科學(xué)的魅力所在。中學(xué)實驗室，除了酒精燈作為加熱源外，還可以使用實驗效果良好的電加熱源。現(xiàn)行教材中還沒有出現(xiàn)電加熱源，因此一線教學(xué)使用時還存在顧慮。酒精燈并非是實驗室唯一的加熱源，其根本目的是為化學(xué)實驗服務(wù)，無論采用何種加熱源，能達(dá)到良好的實驗效果才是硬道理。

參考文獻(xiàn)：

[1]程曉莉.比較酒精燈內(nèi)、外焰溫度高低的四種實驗方法[J].化學(xué)教學(xué)，2012，（6）：45～46.

[2]戴樹東.酒精燈火焰溫度實驗探究[J].實驗設(shè)計與技術(shù)，2016，（S2）：50，58.

[3]季進(jìn)明.酒精燈內(nèi)焰和外焰溫度高低的再探究[J].化學(xué)教學(xué)，2013，（3）：66～67.

[4] http：//www.jschemedu.com/zxzx/2014-3/092653_142844.html.蔣紅年.溫度傳感器探究酒精燈、蠟燭外焰、內(nèi)焰、焰心的溫度高低.

[5]錢揚(yáng)義，陳國泉.酒精燈火焰溫度是外焰“最高”嗎[J].化學(xué)教育，2006，（7）：52～54.

[6]江軍. DIS探究酒精燈火焰的溫度[J].化學(xué)教育，2009，（11）：61～64.

[7]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.

[8] http：//www.findel-international.com.

[9] Kevin Hutchings. Classic Chemistry Experiments One Hundred Tried and Tested Experiments [M]. London： the Royal Society of Chemistry，2001：132～133.endprint