降溫滅火實(shí)驗(yàn)新設(shè)計(jì)

潘國榮+劉芬

摘 要：取一個(gè)容積為2 L左右的圓柱形透明塑料瓶，瓶子剪掉一邊保留完整瓶底，外壁用一張紅紙貼上做成“貼紅塑料半瓶”。把適宜的廣口瓶玻璃蓋（或金屬瓶蓋、塑料瓶蓋）倒放（粘貼）在“貼紅塑料半瓶”底部中間，再放上一個(gè)燃燒匙，實(shí)驗(yàn)裝置就組裝完畢了。在瓶蓋的凹槽里注滿0℃左右的冰水，將硫放入燃燒匙里燃燒，把硫燃燒的燃燒匙放到裝滿冰水的瓶蓋上進(jìn)行“降溫滅火”實(shí)驗(yàn)。

關(guān)鍵詞：滅火原理 硫燃燒 降溫滅火 滅火實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

滅火的原理有三個(gè)：一是去掉可燃物；二是讓可燃物與氧氣隔離；三是降溫低于可燃物的著火點(diǎn)。對于“降溫低于可燃物的著火點(diǎn)”這個(gè)滅火原理，我國現(xiàn)行各種版本的初中化學(xué)教科書中都沒有設(shè)計(jì)相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)，學(xué)生對這個(gè)問題的理解沒有直觀的情景材料，許多學(xué)生只能囫圇吞棗地死記硬背。

一、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的思路

用一個(gè)簡單的實(shí)驗(yàn)演示說明：可燃物在空氣中燃燒，單獨(dú)降低溫度，也能夠滅火。需要的可燃物是常見的，現(xiàn)實(shí)生活中或者實(shí)驗(yàn)室里就有，比較便宜。可燃物要易燃燒，點(diǎn)燃方便，但燃燒不能太劇烈，易熄滅；實(shí)驗(yàn)裝置簡潔，制作容易，能夠推廣；實(shí)驗(yàn)操作簡單、方便，對比性強(qiáng)、成功率高；實(shí)驗(yàn)過程安全、無危險(xiǎn)。

二、實(shí)驗(yàn)研究的過程

我們曾將125 mL的小集氣瓶固定在250 mL的燒杯里，在集氣瓶和燒杯之間注入用飽和食鹽水制作的冰水，讓小集氣瓶里的氣溫為-3 ℃，將點(diǎn)燃的生日小蠟燭慢慢伸入集氣瓶里，幾分鐘也不熄滅。我們用點(diǎn)燃的兩塊小木炭，一塊伸入氣溫為-3 ℃的小集氣瓶里，一塊伸入室溫的小集氣瓶里，小木炭燃燒后再進(jìn)行對比，但對比性不好，不能說明問題。至此，這個(gè)實(shí)驗(yàn)制作設(shè)計(jì)宣告失敗，只能暫停實(shí)驗(yàn)。

冬天，我們在對“硫在空氣中燃燒”的實(shí)驗(yàn)進(jìn)行改進(jìn)時(shí)，在燃燒匙里放入了過多的硫粉，實(shí)驗(yàn)過程中為了讓燃燒的硫熄滅掉，就把燃燒匙伸到了冷水槽中，在燃燒匙底接觸水面的瞬間，發(fā)出了“哧”的聲音，燃燒匙邊也出現(xiàn)了許多水霧，燃燒匙上的火焰減弱，一會兒就熄滅了。由此，我們的“降溫滅火實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)”在“踏破鐵鞋無覓處”時(shí)，通過硫燃燒的熄滅，迎來了“柳暗花明又一村”的設(shè)計(jì)新思路。

三、實(shí)驗(yàn)裝置的制作

取一個(gè)容積為2 L的圓柱形透明塑料瓶，把上面小的部位切掉，用記號筆在瓶子兩邊畫線使之一分為二。從兩邊沿畫線剪下，保留完整瓶底，被剪掉的瓶子的一邊瓶底最低保留2.5 cm的高度，使瓶子仍能放置平穩(wěn)且不變形，取名“透明塑料半瓶”。在“透明塑料半瓶”的外面貼上一張紅紙（對此問題，我們在另外一篇文章《硫在空氣與氧氣中燃燒實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新設(shè)計(jì)》已做了對比實(shí)驗(yàn)和討論），以得到“貼紅塑料半瓶”。取一個(gè)燃燒匙，選擇一個(gè)廣口瓶玻璃蓋，使它倒放時(shí)凹槽口能容下四分之三左右的燃燒匙底部，確保燃燒匙邊高于凹槽瓶蓋邊（如圖3所示）。把適宜的廣口瓶玻璃蓋倒放在“貼紅塑料半瓶”底部中間，再放上一個(gè)燃燒匙，就組成實(shí)驗(yàn)裝置了（如圖1、圖2所示）。如找不到適宜的廣口瓶玻璃蓋，可以用適當(dāng)大小的金屬瓶蓋或者塑料瓶蓋，只是輕的蓋子要用萬能膠黏貼在“貼紅塑料半瓶”的底部中間，要固定好，防止在放入燃燒匙時(shí)碰翻。

四、實(shí)驗(yàn)操作方法

在“貼紅塑料半瓶”底部的廣口瓶玻璃蓋的凹槽里注滿0 ℃左右的冰水，將硫黃粉放入燃燒匙里約三分之一匙，把裝有硫黃粉的燃燒匙放在酒精燈火焰上加熱，點(diǎn)燃硫黃，迅速移動硫黃被點(diǎn)燃了的燃燒匙到“貼紅塑料半瓶”瓶蓋上方，觀察硫黃燃燒的現(xiàn)象（如圖4所示），再把燃燒匙放到下面裝有冰水的瓶蓋上按住，觀察其產(chǎn)生的現(xiàn)象（如圖5、圖6所示）。

五、實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象與結(jié)果

1.實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生的主要現(xiàn)象

在紅色紙背景的襯托下，硫在空氣中燃燒所產(chǎn)生的淡藍(lán)色火焰非常清晰。把附著硫黃的燃燒匙放在裝滿冰水的瓶蓋上，會聽到“哧”“哧”的聲音，燃燒匙邊會產(chǎn)生少許水霧，燃燒匙上的火焰變小，火焰熄滅后燃燒匙中間的上方會短暫出現(xiàn)少許黃煙。

2.實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

硫黃的熔點(diǎn)因?yàn)榻Y(jié)晶狀態(tài)不同而有所差異，在106.8 ℃～114.6 ℃之間，沸點(diǎn)是444.6 ℃。硫黃受熱先熔化后燃燒，其著火點(diǎn)是190 ℃，產(chǎn)生火焰是因?yàn)榱蛘羝谌紵Ａ虻娜紵裏崾?96.83 kJ·mol-1，比碳的燃燒熱393.51 kJ·mol-1要低得多，也就是說硫的燃燒放熱要相對少一些。當(dāng)附著硫黃的燃燒匙底部浸入冰水中，由于燃燒匙的熱傳導(dǎo)作用，使正在熔化燃燒的硫黃產(chǎn)生的熱量不足以對抗冰水吸收的熱量，使溫度急速下降而凝固，溫度低于硫黃的著火點(diǎn)而停止燃燒。這個(gè)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)可以作為中學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中“降溫滅火”的良好實(shí)例。

“降溫滅火”原理早已在實(shí)踐中有所應(yīng)用，效果較好。例如，我國于1987年3月利用液氮（在1.01×105 Pa下溫度為-196 ℃）在大連港成功撲救新加坡籍“電氣石海皇”輪魚粉自燃釀成的火災(zāi)；2013年我國生產(chǎn)出一種新型的滅火產(chǎn)品DSPA-5火場快速降溫彈（滅火彈），它能夠在大約30秒鐘將150 m3室內(nèi)的火場溫度從1000 ℃降至100 ℃左右，并保持45～60分鐘的控溫時(shí)間，從而達(dá)到滅火目的，它是一種室內(nèi)和密閉空間火災(zāi)高效節(jié)能滅火的新方式。

六、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)

本實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)主要是：

（1）為學(xué)生學(xué)習(xí)“降溫滅火”原理提供了真實(shí)而生動的情境，通過實(shí)驗(yàn)學(xué)化學(xué)，讓學(xué)生在循序漸進(jìn)中加深對知識的理解。同時(shí)，教師還可以結(jié)合現(xiàn)實(shí)應(yīng)用情況進(jìn)一步向?qū)W生介紹化學(xué)知識，拓寬學(xué)生視野。

（2）實(shí)驗(yàn)用品中的透明塑料瓶、金屬瓶蓋、塑料瓶蓋等，很便宜，可以有效利用廢物。

（3）實(shí)驗(yàn)裝置簡單易做，沒有難度，學(xué)生都能操作成功。

（4）實(shí)驗(yàn)操作簡單、安全、無危險(xiǎn)。藥品用量少、污染小。

（5）實(shí)驗(yàn)過程簡潔明了，成功率高，效果好。

（6）實(shí)驗(yàn)既可以作為教師的演示實(shí)驗(yàn)，也可以作為學(xué)生的探究實(shí)驗(yàn)活動。無論是城市學(xué)校，還是鄉(xiāng)村學(xué)校都可以應(yīng)用。

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