蠟燭燃燒探究實(shí)驗(yàn)背后的故事

□文/無(wú)錫市南長(zhǎng)實(shí)驗(yàn)中學(xué) 耿雁冰

供圖/視覺中國(guó)

翻開人教版九年級(jí)化學(xué)教材，同學(xué)們?cè)诘谝粏卧蜁?huì)接觸到一個(gè)關(guān)于蠟燭的實(shí)驗(yàn)：對(duì)蠟燭及其燃燒的探究。這個(gè)實(shí)驗(yàn)的主要目的，是讓同學(xué)們體會(huì)化學(xué)探究學(xué)習(xí)的特點(diǎn)以及關(guān)注點(diǎn)，如關(guān)注物質(zhì)的性質(zhì)、關(guān)注物質(zhì)的變化、關(guān)注物質(zhì)變化的過程以及對(duì)結(jié)果的解釋和討論。但是在實(shí)驗(yàn)之后，同學(xué)們會(huì)產(chǎn)生許多問題，以下問題出現(xiàn)的頻率相對(duì)較高。

蠟燭里面為什么要放一根棉線？點(diǎn)燃蠟燭時(shí)，為什么要先點(diǎn)燃棉線？棉線的作用是什么？能否用其他材料代替棉線？蠟燭燃燒時(shí)，是棉線在燃燒還是石蠟在燃燒，還是二者都在燃燒？石蠟燃燒的是固體、液體還是石蠟蒸汽？既然石蠟可以燃燒，為什么用火柴能夠點(diǎn)燃棉線卻點(diǎn)不著石蠟？蠟燭燃燒時(shí)，為什么會(huì)有半透明的液體流下來？這液體又是什么？為什么液體過一會(huì)兒又會(huì)凝結(jié)在燭身上？火焰的3 層（焰心、內(nèi)焰、外焰）為什么會(huì)呈現(xiàn)不同的顏色？蠟燭燃燒和酒精燃燒的火焰一樣都是3 層嗎？用燒杯收集蠟燭燃燒的產(chǎn)物時(shí)，為什么燒杯壁變黑了？蠟燭熄滅后產(chǎn)生的白煙是什么，是石蠟蒸汽凝結(jié)成的固體嗎？為什么這種白煙能直接點(diǎn)燃而石蠟卻不能直接點(diǎn)燃？為什么蠟燭一經(jīng)點(diǎn)燃就能持續(xù)燃燒？蠟燭的火焰為什么會(huì)閃爍搖晃？為什么火焰外部明亮、里邊暗？火到底是怎么回事，是一種物質(zhì)嗎？火焰為什么是那樣的形狀？

要解決以上問題，我們就需要去了解一個(gè)人、一個(gè)講座與一本書。

一位著名科學(xué)家：法拉第

邁克爾·法拉第（1791 年9 月22 日—1867 年8 月25 日）出生于英國(guó)一個(gè)貧苦的鐵匠家庭，卻是英國(guó)著名的自學(xué)成才的物理學(xué)家、化學(xué)家。

邁克爾·法拉第

作為一名科學(xué)家，法拉第的成就是多方面的。在物理學(xué)領(lǐng)域，他的發(fā)現(xiàn)奠定了電磁學(xué)的基礎(chǔ)。1831 年10 月17 日，法拉第首次發(fā)現(xiàn)電磁感應(yīng)現(xiàn)象，進(jìn)而得到產(chǎn)生交流電的方法。隨后，他又發(fā)明了圓盤發(fā)電機(jī)，這是人類創(chuàng)造出的第一個(gè)發(fā)電機(jī)。由于在電磁學(xué)方面作出了偉大貢獻(xiàn)，法拉第被稱為“電學(xué)之父”和“交流電之父”。

同時(shí)，法拉第在化學(xué)領(lǐng)域也是成就斐然。他最早的化學(xué)成果，出自擔(dān)任英國(guó)著名化學(xué)家漢弗里·戴維的助手時(shí)期。1819年，他研究了不銹鋼與合金；1820 年，他合成了二氯乙烷和六氯乙烷；1821 年，他研究了氣體液化問題，成功將二氧化碳、二氧化硫、氨氣、三氧化二氮等氣體液化；1825 年，他發(fā)現(xiàn)了芳香族化合物的母體——苯；1826 年，他研究了天然橡膠的成分，初步確定它的實(shí)驗(yàn)式是5 個(gè)碳原子和大約8 個(gè)氫原子；1833 年，經(jīng)過一系列的實(shí)驗(yàn)，他發(fā)現(xiàn)當(dāng)把電流作用在氯化鈉的水溶液時(shí)，能夠獲得氯氣……

為了便于科學(xué)研究，法拉第還研制了不少儀器裝置。例如，為了進(jìn)行光學(xué)實(shí)驗(yàn)，他制造出多種新型的玻璃。其中一塊樣品還在科學(xué)史上占有一席之地，因?yàn)楫?dāng)他將此玻璃放入磁場(chǎng)中時(shí)，他發(fā)現(xiàn)了極化光平面受磁力造成偏轉(zhuǎn)及被磁力排斥。他甚至發(fā)明了一種加熱工具，這種工具在科學(xué)實(shí)驗(yàn)室里被廣為采用，作為熱能的來源，它就是本生燈的前身。

圣誕科學(xué)講座

一個(gè)科普講座：圣誕科學(xué)講座

最早的有組織的科普活動(dòng)，可以追溯至英國(guó)大不列顛皇家研究院在每年圣誕節(jié)期間舉辦的圣誕科學(xué)講座，這一講座就是由邁克爾·法拉第于1825 年發(fā)起的，已有近200 年的歷史，其間只因第二次世界大戰(zhàn)中斷了4 年。在英國(guó)倫敦，圣誕節(jié)除了意味著享受圣誕大餐、裝飾圣誕樹、廣收圣誕禮物，孩子們還要參加這項(xiàng)爸爸媽媽、爺爺奶奶甚至曾祖父母小時(shí)候都參與過的歷史悠久的活動(dòng)。

圣誕科學(xué)講座每年都有一個(gè)主題，主題以自然科學(xué)為主?；顒?dòng)期間，主辦方都要安排科學(xué)家就某一科學(xué)領(lǐng)域進(jìn)行連續(xù)數(shù)日的講座。除了法拉第，卡爾·薩根、理查德·道金斯等著名科學(xué)家都曾去演講過，他們以寓教于樂的方式向少年兒童傳播科學(xué)知識(shí)，目的是使少年兒童感受科學(xué)的無(wú)窮樂趣，喚起少年兒童對(duì)科學(xué)的熱愛。

因?yàn)槁牨娭饕巧倌陜和@一特殊群體，歷代演講者都盡量用淺顯易懂的語(yǔ)言來表述他們?cè)缫蚜?xí)用的專業(yè)詞語(yǔ)，并配合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)、大量圖片、實(shí)物例證等，佐以手勢(shì)和笑容，力圖營(yíng)造出更活潑的氛圍，以形象生動(dòng)的方式講述科學(xué)知識(shí)。

英文版《蠟燭的故事》

一部科普名著：《蠟燭的故事》

作為圣誕科學(xué)講座的首創(chuàng)者，法拉第堅(jiān)持連續(xù)演講19 年，其名作《蠟燭的故事》就是他堅(jiān)持舉辦講座的結(jié)晶。在演講里，法拉第通過一系列的實(shí)驗(yàn)展示，抽絲剝繭，由表及里，層層深入地將蠟燭燃燒的各種化學(xué)原理詳細(xì)介紹給觀眾。其中所體現(xiàn)的科學(xué)思維和科學(xué)方法，歷久彌新，依然適用于現(xiàn)今的基礎(chǔ)科學(xué)教育。這本書在英國(guó)已印刷了200 余版，并被翻譯成數(shù)十種語(yǔ)言，可以說是一本暢銷全球、具有強(qiáng)大生命力的科普書。

《蠟燭的故事》到底講了什么？它又與我們的初中化學(xué)有什么關(guān)系呢？在這本書中，法拉第從蠟燭的制造談起，圍繞蠟燭燃燒時(shí)經(jīng)歷的物理、化學(xué)過程，詳盡介紹了氫氣、氧氣、氮?dú)?、水、空氣、碳、二氧化碳這些“身邊的化學(xué)物質(zhì)”，而且處處采用生動(dòng)具體而又貼近生活的有趣實(shí)驗(yàn)事實(shí)來說明。

除了具體的化學(xué)知識(shí)、精彩的實(shí)驗(yàn)，法拉第還在書中給我們展示了化學(xué)研究、學(xué)習(xí)的多種方法，這些方法將給我們以后的學(xué)習(xí)帶來啟發(fā)。

對(duì)比法

法拉第在關(guān)于蠟燭的講座中，處處使用了對(duì)比研究的方法。為了說明燭杯的形成是由于蠟燭四周受到了非常均勻的上升氣流的影響，法拉第在蠟燭的一邊微微吹動(dòng)燭火，結(jié)果杯口發(fā)生了傾斜破裂；要證明使火焰變得明亮的原因是火焰里的固體物質(zhì)發(fā)光，他先在含碳物質(zhì)燃燒的火焰里加入石灰、白金絲前后對(duì)比，又在不含碳的氫氧焰里加入石灰、白金絲前后進(jìn)行對(duì)比，充分證明了固體物質(zhì)本身無(wú)論是否可燃，只要它在燃燒中保持固體狀態(tài)，便會(huì)使火焰明亮；為了說明水變成水蒸氣后體積的變化情況，他為觀眾呈現(xiàn)了兩個(gè)大小懸殊的立方體，既形象又直觀；為了說明氫氣比空氣輕而二氧化碳比空氣重，他在空氣中吹氫氣肥皂泡、在二氧化碳?xì)怏w中吹空氣肥皂泡反復(fù)對(duì)比，現(xiàn)象既明顯又有趣。另外，他還將可燃物在空氣和氧氣中的燃燒進(jìn)行對(duì)比，將一氧化氮在純氧和空氣中的顏色變化進(jìn)行對(duì)比……諸如此類，不勝枚舉。對(duì)比實(shí)驗(yàn)給在場(chǎng)觀眾帶來強(qiáng)烈的視覺沖擊，有力地說明了法拉第想要說明的問題。

閱讀《蠟燭的故事》對(duì)化學(xué)學(xué)習(xí)很有幫助 供圖/視覺中國(guó)

類比法

在講座的最后，法拉第將人體的呼吸作用類比為蠟燭的燃燒。人們呼出的氣體能夠使燃著的蠟燭熄滅，能夠使石灰水渾濁，說明人呼出的氣體和蠟燭燃燒產(chǎn)生的氣體中都含有二氧化碳。人吸入的氣體為空氣，空氣中含有能支持蠟燭燃燒的氧氣?？墒?，人呼出的氣體卻不能再幫助蠟燭燃燒，說明其中的氧氣含量大大減少，也就是人吸入的氧氣在體內(nèi)被消耗了，好比蠟燭燃燒要消耗氧氣一樣。在人體呼吸作用過程中，食物就是人體內(nèi)部的“燃料”，與吸入的氧氣發(fā)生作用，生成二氧化碳，同時(shí)放出供人體活動(dòng)的熱量，就好比蠟燭燃燒放熱一樣。

分析歸納法

法拉第提出一個(gè)問題之后，往往不是直接告訴觀眾答案，而是通過大量的實(shí)驗(yàn)演示，帶著觀眾一步步地觀察和分析，經(jīng)過推理論證，最后才歸納出結(jié)論。為了說明光與焰產(chǎn)生的原因，經(jīng)過大量實(shí)驗(yàn)之后，他進(jìn)行了分析歸納：氣體燃燒或在此過程中能夠產(chǎn)生氣體的可燃物燃燒才產(chǎn)生火焰，而熔點(diǎn)高、不能產(chǎn)生氣體的固體，無(wú)論溫度多高，在燃燒過程中只能發(fā)光。一切明亮的火焰中，都含有固體顆粒。一切既能燃燒又可以產(chǎn)生固體微粒的物質(zhì)，不論其固體微粒的產(chǎn)生是在燃燒過程中（比如蠟燭） 還是緊接在燃燒之后（比如火藥、鐵粉），都能發(fā)出燦爛美麗的光芒。

看似簡(jiǎn)單的實(shí)驗(yàn)，看上去薄薄的一本書，其實(shí)博大精深。希望同學(xué)們?cè)趧偨佑|九年級(jí)化學(xué)時(shí)，就去讀一讀《蠟燭的故事》，我們可以在問題的驅(qū)動(dòng)下，隨著作者一步步抽絲剝繭，使問題逐個(gè)得到解決。同學(xué)們?cè)趯?shí)驗(yàn)中提出的許多問題，幾乎都可以在這本書中找到滿意的答案。