由“蠟燭為何會熄滅”引發的實驗探究

胡云

一、問題的提出

人教版化學九年級上冊第130頁課堂探究——滅火的原理（如下圖）。

點燃三支蠟燭，在其中一支蠟燭上扣一個燒杯；將另兩支蠟燭分別放在兩個燒杯中，然后向一個燒杯中加入適量的碳酸鈉和鹽酸，蠟燭燃燒的現象有什么不同？請用滅火原理分析。根據滅火原理分析，現象是左邊第一個燒杯中的蠟燭熄滅，原因是與空氣隔絕，所以蠟燭熄滅。上課時有學生提出問題：蠟燭熄滅后，燒杯中究竟還有沒有氧氣呢？學生的這個問題引起了我的思考。于是我設計了實驗進行了驗證，裝置如下圖：

在一個燃燒匙中放置蠟燭，另一個燃燒匙中放置適量的白磷，在瓶底鋪一層氫氧化鈉粉末（放置白磷的燃燒匙正好能置于氫氧化鈉粉末上），分液漏斗中加入水。實驗步驟：1.點燃蠟燭塞緊瓶塞；2.待蠟燭熄滅后，打開分液漏斗閥門，向瓶中滴加適量的水，利用氫氧化鈉粉末溶于水放出的熱量點燃白磷。實驗現象：白磷燃燒。結論：置于燒杯中的蠟燭熄滅后，燒杯中依然有氧氣存在。這個實驗證明了蠟燭熄滅并不是因為裝置中沒有氧氣了，而是經過蠟燭的燃燒將裝置中的氧氣消耗了一部分，使裝置中氧氣的體積分數降低所致，這又引起了我的思考：使蠟燭熄滅所需最低氧氣體積分數是多少呢？從實驗的實際操作考慮，我把實驗的名稱定為：探究使木條熄滅所需最低氧氣體積分數。

二、實驗探究

1.實驗原理

（1）如何獲得氧氣體積分數不同并且都小于21%的“空氣”？

既然是探究使木條熄滅所需最低氧氣體積分數，首先就要獲得氧氣體積分數不同并且都小于21%的“空氣”，也就是如何稀釋空氣。可以在集氣瓶中加入不同體積的水，然后采用排水集氣法的原理，向瓶中充入氮氣將水排出，這樣即可獲得氧氣體積分數不同并且都從計算公式可以看出，通過改變集氣瓶中水的體積，可以得到氧氣體積分數不同并且都小于21%的“空氣”，集氣瓶的體積可以這樣獲得：向集氣瓶中加滿水，然后用量筒量水的體積。

（2）如何獲得氮氣？

人教版九年級化學上冊第二單元課題一《空氣》中有個實驗，名稱是“空氣成分測定實驗”，裝置如下圖：

實驗原理是：紅磷燃燒將裝置內的氧氣消耗掉，使裝置內大氣壓減小，待裝置冷卻至室溫，打開止水夾，水倒流約五分之一個體積，根據大氣壓原理可知進入水的體積就是消耗氧氣的體積。當水倒流約五分之一個體積后，裝置中約五分之四體積氣體的主要成分就是氮氣。利用該實驗裝置即可獲得氮氣。

（3）如何將裝置中的氮氣排出，并把集氣瓶中的水排出？

通過空氣成分測定實驗的裝置獲得了氮氣，接下來要考慮如何將裝置中的氮氣排出，并把集氣瓶中的水排出。在空氣成分測定實驗的裝置的基礎上做了改進，加個分液漏斗，裝置如下圖：

通過分液漏斗向裝置內加水，利用水產生的壓力將裝置中的氮氣排出，接下來就可以用排水集氣法的原理，用氮氣將集氣瓶中的水排出了。

2.實驗儀器和藥品

實驗儀器：大號廣口瓶、橡皮塞、燃燒匙、分液漏斗、水槽、集氣瓶、玻璃片、酒精燈、藥匙。

實驗藥品：白磷、木條（直徑約5mm）。

3.實驗步驟

（1）關閉止水夾，關閉分液漏斗，點燃白磷，塞緊瓶塞。

注：為了確保裝置的氣密性，可在分液漏斗中加入一定量的水。

（2）利用等待裝置冷卻的時間，向集氣瓶中加入不同體積的水。

我通過多次實驗，選擇了以下體積的水：10mL、15mL、20mL、25mL、30mL、35mL、40mL、45mL、50mL、55mL。

（3）待裝置冷卻至室溫，打開止水夾，待水不再倒流時，即可得到氮氣。

（4）通過分液漏斗向裝置中加水，利用水產生的壓力將裝置中的氮氣排出，同時用排水集氣法的原理將集氣瓶中的水排出，得到氧氣體積分數不同并且都小于21%的“空氣”。

（5）用燃著的木條進行燃燒實驗。

將直徑約為5mm的木條在酒精燈上點燃后，分別伸入盛有氧氣體積分數不同并且都小于21%的“空氣”的集氣瓶中，記錄現象。

（6）數據分析。

通過實驗可知：集氣瓶中水的體積為40mL時，木條立即熄滅。將這個數據帶入計算公式。

三、實驗結果與討論

1.實驗中注意的事項

（1）這個實驗對氣密性的要求很高，所以需要在橡皮塞打孔處及瓶口涂抹凡士林。氣密性的檢查：關閉止水夾，關閉分液漏斗，點燃白磷產生大量的白煙，此時將導氣管放入水中打開止水夾，通過分液漏斗向裝置中加水，如果裝置漏氣，就會有白煙冒出。

（2）為了將裝置中氧氣耗盡，白磷要過量。

（3）為了平衡裝置內外壓強，一定要等到裝置冷卻至室溫后才能打開止水夾讓水倒流。

（4）在排出氮氣的操作中要注意，分液漏斗中始終都有水，否則一旦與外界大氣相通，導致實驗失敗；同理導氣管也要注意不要拿離水面。

（5）為了節約氮氣，在換集氣瓶時可關閉分液漏斗。

（6）在排出集氣瓶中水時，發現水排不盡，每瓶都有2mL～3mL的水，所以為了減小實驗的誤差，在量取水時可以在原來數據上多量取2mL。例如，量取10mL水時可量取12mL的水。

2.實驗結果

通過這個實驗可以得出以下結論：

（1）使燃著的木條熄滅所需最低氧氣體積分數約是15.8%。

（2）可燃物的熄滅不是完全沒有氧氣，當氧氣的體積分數降低至某一值時，可燃物即可熄滅。

（3）通過白磷可以在蠟燭熄滅后的氣體中燃燒，可以推斷出不同的可燃物熄滅時所需氧氣的體積分數不同。