將白磷包裹在鐵絲絨內(nèi)進(jìn)行水中燃燒實(shí)驗(yàn)

李德前 魏海 張羿

摘要： 借助直角玻璃管、后具支試管、球形干燥管、小氣球、裹在鐵絲絨中的白磷、罐裝氧氣、水和氫氧化鈉等實(shí)驗(yàn)用品，設(shè)計(jì)了三套白磷在水中燃燒實(shí)驗(yàn)的新裝置。改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn)，白磷始終在水下燃燒，不僅操作簡(jiǎn)便、現(xiàn)象直觀，而且反應(yīng)可控、實(shí)驗(yàn)有趣，有利于學(xué)生認(rèn)識(shí)燃燒反應(yīng)的條件，發(fā)展學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)。

關(guān)鍵詞： 白磷; 水中燃燒; 鐵絲絨; 實(shí)驗(yàn)改進(jìn)

文章編號(hào)： 1005-6629（2021）12-0072-03

中圖分類號(hào)： G633.8

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： B

白磷在水中燃燒實(shí)驗(yàn)非常有趣，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象出乎意料。很多教師按照九年級(jí)化學(xué)教科書上的方法（裝置如圖1所示[1]）進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí)，由于熱水的溫度（約80℃）明顯高于白磷的熔點(diǎn)（約44℃），致使白磷熔化，再加上氧氣流的沖擊，造成白磷分散，在燒杯底部開放的空間里四處游蕩[2]，這樣一來(lái)，氧氣與白磷難以充分接觸，燃燒因此斷斷續(xù)續(xù)，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象有時(shí)曇花一現(xiàn)，有時(shí)稍縱即逝，難以滿足學(xué)生的觀察欲望;并且原實(shí)驗(yàn)也沒(méi)有從環(huán)保的角度進(jìn)行設(shè)計(jì)。

另外，有的改進(jìn)實(shí)驗(yàn)雖然能使白磷持續(xù)燃燒，但白磷實(shí)質(zhì)上是在水面上的氧氣（或空氣）中燃燒的。如潘國(guó)榮、李文博、胡海銘等老師設(shè)計(jì)的試管倒扣法[3～5]（裝置如圖2-a所示），操作者將充滿氧氣的試管小心而準(zhǔn)確地倒扣在固定白磷的凹槽上，白磷立即燃燒，同時(shí)試管里出現(xiàn)負(fù)壓，熱水不斷涌入試管內(nèi)，使得白磷始終漂浮在水面之上，處于氧氣的包圍之中，因而白磷持續(xù)燃燒，直至氧氣耗盡。再如張儀軒、程明銀等老師設(shè)計(jì)的球形干燥管（或漏斗）倒扣法[6，7]（裝置如圖2-b所示），操作者通過(guò)緩緩?fù)苿?dòng)注射器活塞，向倒置的球形干燥管里不斷鼓入空氣（或氧氣），同時(shí)熱水從球形干燥管和橡膠塞之間的縫隙中被排出，使球形干燥管內(nèi)逐漸充滿空氣（或氧氣），白磷因此從熱水中暴露出來(lái)，得以與氧氣充分接觸而持續(xù)燃燒，直至白磷燃盡。

顯然，改進(jìn)該實(shí)驗(yàn)的主要思路是，在對(duì)環(huán)境友好前提下，促使水中白磷始終與氧氣接觸。據(jù)此，我們通過(guò)保障氧氣供應(yīng)（如改用罐裝氧氣）、改變氧氣流方向（如改為由下向上通入氧氣）、限制白磷的游動(dòng)空間（如把白磷放入鳥巢狀鐵絲絨里）等，對(duì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了成功的改進(jìn)。

1 改進(jìn)方案Ⅰ

1.1 實(shí)驗(yàn)用品

15mm×150mm×150mm的直角玻璃管、鐵絲絨、單孔橡皮塞、導(dǎo)氣管、小氣球、鑷子、護(hù)目鏡等;罐裝氧氣、白磷、蒸餾水（水中滴有適量NaOH溶液）等

1.2 實(shí)驗(yàn)裝置

新設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)裝置如圖3所示（夾持裝置略）。

1.3 實(shí)驗(yàn)過(guò)程

（1） 取一個(gè)15mm×150mm×150mm的直角玻璃管，在玻璃管內(nèi)注入滴有NaOH溶液的蒸餾水（水面略超過(guò)彎管上壁8mm左右即可[8]），然后將裝置固定到鐵架臺(tái)上。

（2） 剪取一小塊鐵絲絨，將其整理為厚薄均勻、疏密適度、直徑約1cm的鳥巢狀[9]，然后將黃豆粒大小的一塊白磷放入“鳥巢”中，再通過(guò)擠壓、牽引鐵絲線將“鳥巢”封口。

（3） 將內(nèi)有白磷的“鳥巢”放入蒸餾水中，隨后按圖3所示連接好整個(gè)實(shí)驗(yàn)裝置（確保裝置不漏氣）。

（4） 緩緩打開氧氣罐的旋塞，緩慢通入氧氣6～7s，觀察到白磷沒(méi)有燃燒。

（5） 停止通入氧氣，點(diǎn)燃酒精燈加熱蒸餾水;待蒸餾水接近沸騰時(shí)停止加熱，立即通入氧氣，觀察到“鳥巢”中的白磷在熱水中劇烈燃燒（有關(guān)反應(yīng)的化學(xué)方程式是4P+5O2點(diǎn)燃2P2O5及P2O5+6NaOH2Na3PO4+3H2O，下同），并伴隨黃色火焰。

（6） 上述實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象說(shuō)明，可燃物燃燒需要溫度達(dá)到著火點(diǎn)并接觸氧氣。

（7） 實(shí)驗(yàn)結(jié)束，整理儀器，處理廢液。

2 改進(jìn)方案Ⅱ

2.1 實(shí)驗(yàn)用品

15mm×150mm后具支試管、透明硅膠管、鐵絲絨、小氣球、鑷子、護(hù)目鏡等;罐裝氧氣、白磷、80℃熱水（水中滴有適量NaOH溶液）等

2.2 實(shí)驗(yàn)裝置

新設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)裝置如圖4所示[10]（夾持裝置略）。

2.3 實(shí)驗(yàn)過(guò)程

（1） 取一支15mm×150mm的后具支試管，在試管底部放入適量的細(xì)砂（細(xì)砂的高度與試管的支管口下沿相平）;在試管的支管口套接一段透明硅膠管，注意使硅膠管的豎直高度略高于試管的2/3，然后將裝置固定到鐵架臺(tái)上。

（2） 剪取適量的鐵絲絨，將其整理成鳥巢狀，再將黃豆粒大小的一塊白磷塞入“鳥巢”中，然后將“鳥巢”封口。

（3） 將內(nèi)有白磷的“鳥巢”放入后具支試管底部，隨即向試管里注入滴有氫氧化鈉溶液的80℃熱水（液面約在試管的2/3處），然后按圖4所示連接整個(gè)實(shí)驗(yàn)裝置（確保裝置不漏氣）。

（4） 緩緩打開氧氣罐的旋塞，緩慢通入氧氣，觀察到“鳥巢”中的白磷在熱水中劇烈燃燒，產(chǎn)生黃色火焰，小氣球也逐漸變大。

（5） 關(guān)閉氧氣罐的旋塞，停止通入氧氣，白磷立即停止燃燒;再次通入氧氣，白磷又燃燒起來(lái)。如此反復(fù)幾次，熱水中的黃色火焰一閃一滅[11]，非常好看，直到白磷燃燒完全。

（6） 上述實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象說(shuō)明，可燃物燃燒需要溫度達(dá)到著火點(diǎn)并接觸氧氣。

（7） 實(shí)驗(yàn)結(jié)束，整理儀器，處理廢液。

3 改進(jìn)方案Ⅲ

3.1 實(shí)驗(yàn)用品

25mL的球形干燥管、鐵絲絨、透明硅膠管、脫脂棉、鑷子、護(hù)目鏡等;罐裝氧氣、白磷、80℃熱水（水中滴有適量NaOH溶液）等

3.2 實(shí)驗(yàn)裝置

新設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)裝置如圖5所示（夾持裝置略）。

3.3 實(shí)驗(yàn)過(guò)程

（1） 取一支25mL的球形干燥管，在其細(xì)導(dǎo)管末端套接一段透明硅膠管（注意使硅膠管的豎直高度略高于干燥管的球形水平直徑），然后將裝置固定到鐵架臺(tái)上。

（2） 剪取適量的鐵絲絨，將其整理成大小合適、厚薄均勻的鳥巢狀，再用鑷子夾取黃豆粒大小的一塊白磷，將其放入“鳥巢”中，再將“鳥巢”封口。

（3） 將內(nèi)有白磷的“鳥巢”放入球形干燥管的球形管底部，隨即往球形干燥管里注入適量的滴有氫氧化鈉溶液的80℃熱水（水面不超過(guò)球形管的水平直徑），然后按圖5所示連接整個(gè)實(shí)驗(yàn)裝置（確保裝置氣密性良好）。

（4） 緩緩打開氧氣罐的旋塞，慢慢通入氧氣，觀察到“鳥巢”中的白磷在熱水中劇烈燃燒，產(chǎn)生黃色火焰。

（5） 停止通入氧氣，磷火就會(huì)熄滅;再通入氧氣，白磷復(fù)燃;如此反復(fù)，熱水中的黃色火焰隨之一閃一滅，直至白磷耗盡，學(xué)生對(duì)此現(xiàn)象激動(dòng)不已。

（6） 上述實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象說(shuō)明，可燃物燃燒需要溫度達(dá)到著火點(diǎn)并接觸氧氣。

（7） 實(shí)驗(yàn)結(jié)束，整理儀器，處理廢液。

4 結(jié)束語(yǔ)

上述改進(jìn)實(shí)驗(yàn)中用鐵絲絨做成的“鳥巢”，其表面的鐵絲絨不能太密，以防氧氣與白磷不能充分接觸;也不能過(guò)于稀疏，以防白磷滲出;鐵絲的直徑以0.2mm左右為宜，因?yàn)樘?xì)的鐵絲在水中會(huì)變軟而失去彈性。實(shí)驗(yàn)的廢液中如果還有白磷殘留，可以借助硫酸銅溶液進(jìn)行處理（有關(guān)的化學(xué)方程式是11P+15CuSO4+24H2O5Cu3P+6H3PO4+15H2SO4）。本實(shí)驗(yàn)的廢液中含有磷酸鈉，可以回收利用（如用作磷肥，澆灌校園花草樹木）。

本改進(jìn)實(shí)驗(yàn)的創(chuàng)新點(diǎn)主要是，裝置設(shè)計(jì)巧妙，總能使白磷在水中與氧氣充分接觸。白磷燃燒的產(chǎn)物絕大部分被水中的NaOH直接吸收，一水兩用;小氣球確保從水中逸出的白煙也能被收儲(chǔ)或吸收，因而實(shí)驗(yàn)過(guò)程對(duì)環(huán)境友好;直接使用罐裝氧氣，操作相對(duì)方便，氧氣充足、氣流穩(wěn)定，實(shí)驗(yàn)的可視性好;尤其是費(fèi)用很低，灌裝一瓶（10L）工業(yè)氧氣不超過(guò)10元，足夠中等規(guī)模的初中實(shí)驗(yàn)室使用4～5年。

總之，白磷在水中燃燒的改進(jìn)實(shí)驗(yàn)，體現(xiàn)了創(chuàng)新、激趣、節(jié)約、安全、環(huán)保等理念[12]，充分發(fā)揮了學(xué)科的育人功能，不失為優(yōu)秀的中學(xué)化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源。

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