探究隔空點燃蠟燭剛熄滅的白煙的成功率

鄧繼紅 丁偉 王祖浩 王政 何轉(zhuǎn)有

摘要： 探究隔空點燃蠟燭剛熄滅時的白煙的成功概率。通過對照實驗，揭示主要因素為棉芯粗細、熄滅方式、白煙采集方式。較理想做法為選擇粗棉芯蠟燭，用嘴垂直向下快速吹滅，用頸短腹大的合適漏斗，用初測成功的蠟燭。用自制中漏斗，粗蠟燭燃燒1min以上可達100.0%，中、細蠟燭（有粗、細棉芯兩種）燃燒時間>6min，棉芯較長，成功概率為80.0%～100.0%。拓展了該實驗的應(yīng)用方向。

關(guān)鍵詞： 蠟燭; 棉芯粗細; 熄滅方式; 白煙采集; 實驗改進

文章編號： 10056629（2018）3007305 中圖分類號： G633.8 文獻標識碼： B

1 問題提出與現(xiàn)有研究

《化學(xué)》（九年級）上冊有探究實驗“點燃蠟燭剛熄滅時產(chǎn)生的白煙” [1]。怎樣才更可觀察到點燃的是白煙而不是棉芯？怎樣才更容易成功點燃？教師用書 [2]提示，粗蠟燭更容易成功。趙紅 [3]等使用自制粗棉芯蠟燭來產(chǎn)生更多白煙。魏少興 [4]用酒精燈帽蓋滅、鄭興珍 [5]等用倒扣的漏斗收集白煙隔空點火在可觀性上取得顯著效果。本實驗旨在探究隔空點燃蠟燭剛熄滅的白煙的理想條件，以期提高該演示實驗的成功概率。

蠟燭由石蠟等組成，

石蠟主要成分是22、 28烷。點燃蠟燭需先點燃棉芯，放熱使之熔化、氣化為石蠟蒸氣。燭芯上吸有蠟油，彎曲燃燒更完全，太直會結(jié)炭，太細易出淚，太粗易出煙 [6]。1820年法國人巴歇列發(fā)明了三根棉線編的燭芯，使之自然松開。有文獻 [7]報道，用比燭焰稍大的玻璃管等套住焰心，在上端10cm外仍可點燃;也有用鋁箔管條收集燭芯的蒸氣的“子母共燃”實驗 [8][9][10]。

2 實驗用品與實驗設(shè)計方法

2.1 實驗用品

實驗采用的蠟燭和漏斗見圖1。市售的蠟燭分為細A[1.5（cm），5中線（分別為直徑、棉芯數(shù)目，下同）];細B（1.5， 8中線）;中（1.8， 7中線）;粗（2.2， 8股×4細線）。漏斗類型分為市售大號[10（cm）， 4（cm），約1（cm 2），塑料（分別為底直徑、頸長、頸孔、材質(zhì)，下同）];自剪的中號（8， 3， 1，塑料或錫紙）;實驗室的普通（8， 3， 0.5，玻璃）;一次性杯剪孔（8， 0.1， 1，塑料）漏斗。

圖1 實驗采用的蠟燭和漏斗

2.2 研究假設(shè)

根據(jù)作者和本科組陳尤、黃立紅等老師的教學(xué)實踐和文獻資料 [11， 12]提出研究假設(shè)。分為三個主階段： 產(chǎn)生足夠的石蠟蒸氣;收集聚攏管束狀態(tài)的、濃度大的白煙;迅速點燃白煙。除去不可控的因素，影響隔空點燃蠟燭剛熄滅的白煙的成功率的因素，假設(shè)有如下幾點： A.石蠟受熱面積。如蠟燭的粗細、棉芯的粗細;并攏的蠟燭根數(shù);初始棉芯長度;B.蠟燭燃燒時間。時間太短，石蠟蒸氣不足;C.熄滅蠟燭方式。D.采集白煙方式。本文中點火方式均為用燃著的蠟燭嘗試點燃白煙。固定其他因素，分別探究三個階段各環(huán)節(jié)最佳條件。

3 實驗過程與結(jié)果分析

3.1 細A蠟燭的對照實驗

3.1.1 細A蠟燭的實驗設(shè)計

對細A蠟燭的八組實驗設(shè)計和成功概率見表1。其中熄滅方式為： ①用嘴隨機方向吹滅;②用嘴垂直向下快速吹滅;③用塑料蓋蓋滅;④用普通漏斗壓滅。

3.1.2 細A蠟燭實驗結(jié)果分析

其他條件相同的情況下，第二組棉芯長1.5cm、 1.2cm概率分別為38.9%、 22.2%;1根為41.7%， 2根為25.0%，可見，1.5cm的起始棉芯長度（稍長）成功概率高一些。起始棉芯長度在燃燒數(shù)分鐘后發(fā)生變化，安靜地燃燒棉芯會增長一些。第三組火源距離棉芯1、 2、 2cm分別是100.0%、 0、 100.0%，可見，隨機嘴吹的氣流比較急促時，白煙逆向回流;氣流緩慢時，白煙順氣流飄走。可預(yù)測，用嘴垂直向下快速吹滅蠟燭，蠟燭的白煙高效上飄能較全面被收集。從第一、四組可見，用嘴垂直向下快速吹滅蠟燭，比起用嘴隨機方向（橫或斜）吹滅蠟燭，成功概率高約一倍。由五組可見，用嘴垂直向下快速吹滅蠟燭的方式較好，原因一是使棉芯周邊的液態(tài)石蠟更多轉(zhuǎn)化為白煙;二是因為快速，白煙逆向上飄，贏取了時間，利于用漏斗采集更多的白煙。由六組可見，選擇中漏斗比普通漏斗較容易成功。經(jīng)后期粗蠟燭使用錫紙漏斗和一次性杯剪孔漏斗的比較，發(fā)現(xiàn)中漏斗成功率還是比普通漏斗高。可推測，是因為塑料中漏斗腹部空間容量較大，頸長較短，頸孔稍大所致。細A蠟燭燃燒時間少于3min，成功概率普遍較低，多次、多組試驗發(fā)現(xiàn)，若燃燒時間超過5min效果會好得多。對照第四組、第一組棉芯1.5cm的（1～3min， 30.0%）和第三、五、六組（>6min， 50.0%）數(shù)據(jù)，結(jié)合多次試驗結(jié)果可知，細A蠟燭，燃燒時間超過5min會好得多，如超過6min更容易成功。

2根蠟燭并攏燃燒，石蠟受熱面積雖增大，但白煙濃度沒有增大，即使同時增大漏斗，成功概率也不高。無漏斗時點火并不是距離棉芯越近越容易成功。蓋滅后再倒扣漏斗，白煙散去一部分;側(cè)壓滅時，白煙產(chǎn)生較少。

3.2 細B蠟燭的對照實驗

細A、 B蠟燭主要是棉芯粗細不同。第九組實驗使用1根細B蠟燭，棉芯自然長度約為1.4cm，燃燒時間>6min，吹滅方式和漏斗不同，其中一次性杯底部剪孔小于1cm 2為超短頸漏斗。8組每組5根測一次，實驗結(jié)果見圖2（用spss軟件制圖）。

圖2 細B蠟燭實驗成功率

結(jié)果表明，細B蠟燭無漏斗點燃，橫或斜著吹滅成功率比較高。有漏斗（60.0%）比無漏斗（50.0%）總概率高。有漏斗，垂直向下吹滅比較好。垂直向下快速吹滅，漏斗頸越短成功率越高。

累計有漏斗時的3組垂直向下吹的成功概率與橫或斜著吹滅的比例為2∶1，第一、四組的成功概率也是2∶1。說明有漏斗，不管棉芯粗細，燃燒時間長短，垂直向下吹滅蠟燭均可以提高大約一倍的成功概率。

3.3 粗蠟燭的對照實驗

3.3.1 粗蠟燭的成功率實驗

第十組實驗粗蠟燭棉芯自然長度約1.4cm，燃燒時間>4min，吹滅方式和漏斗不同。結(jié)果見圖3，共8組每組5根對比實驗。錫紙貼著中漏斗外圍按壓而成。

圖3 粗蠟燭實驗成功率

粗蠟燭產(chǎn)生的白煙既快又多。結(jié)合錫紙中漏斗分析，普通漏斗腹部容量較小、頸長且頸孔細，白煙易飄散。中漏斗效果相當好，有類似效果的是一次性杯剪孔漏斗。配合垂直向下快速吹滅，成功率均可達100.0%。

3.3.2 對照粗、中、細蠟燭的成功率

第十一組實驗粗、中、細蠟燭比較。實驗燃燒時間4min以上，垂直向下吹滅，繼續(xù)做了4組中、細A蠟燭的實驗，結(jié)果如圖4所示。

圖4 粗、中、細蠟燭的實驗成功率

垂直向下吹滅，使用中漏斗采集白煙，結(jié)合細A四組、五組，從本組實驗可知： 燃燒時間足夠（>6min）有利于提高中、細蠟燭的成功概率。

3.3.3 對照粗蠟燭燃燒時間的影響

第十二組實驗研究粗蠟燭合適的燃燒時間。垂直向下吹滅蠟燭，使用塑料中漏斗采集白煙，對3根粗蠟燭分別在約48、 86、 135s熄滅后均點燃了白煙;2根并攏的細A蠟燭在約2.5、 4、 5min進行實驗均沒被點燃。粗蠟燭燃燒近1min，石蠟表面可全部溶解，表面完全液化后有較高的成功率。而2根細A蠟燭并攏燃燒2.5～5min效果也不理想。石蠟受熱面積相同，棉芯粗和棉芯細效果截然不同。棉芯粗焰心大，石蠟蒸氣多，而棉芯細，火焰小，石蠟蒸氣少，兩者熄滅時產(chǎn)生的白煙明顯不同，棉芯粗白煙多而濃。

3.4 各種蠟燭的總成功概率實驗結(jié)果和分析

第十三組實驗： 1根細A蠟燭（直徑1.5cm，棉芯線5中線），棉芯1.5cm，燃燒時間>6min，用嘴隨機方向吹滅蠟燭，用腹部較大的、頸長約3cm、頸孔約1cm 2的自制塑料中漏斗迅速采集并點燃白煙，5組各10根蠟燭測二次。成功概率約60.0%，對首次成功的二測可達70.0%以上。第十四組實驗： 改用嘴垂直向下吹滅蠟燭，2組各10根蠟燭測二次。一測總概率為75.0%（四分之三），對首次成功的二測可達80.0%，這可能與其棉芯長度比較長、可形成的焰心容積比較大、蒸氣多有關(guān)，也可能與其成分有關(guān)。課前7min試做成功的蠟燭，教師帶兩根去演示，可保證至少一支蠟燭實驗成功。

第九組1根細B蠟燭（直徑1.5cm，棉芯線8中線）棉芯自然長度約為1.4cm，燃燒時間>6min，用嘴垂直向下吹滅蠟燭，采用塑料中漏斗，點亮的概率為80.0%。若不用漏斗，橫或斜著吹滅有80.0%，使用一次性杯剪孔漏斗可達100.0%。不管棉芯粗細，燃燒時間長短，有漏斗時，垂直向下吹滅蠟燭概率均可提高約一倍。

第十組粗蠟燭（直徑2.2cm，棉芯線4細線×8股）、中蠟燭（直徑1.8cm，棉芯線7中線）各1根，棉芯自然長度約1.4cm，燃燒時間>4min，垂直向下吹滅蠟燭，采用塑料中漏斗，粗蠟燭點燃的概率為100.0%。無漏斗，粗蠟燭橫或斜著吹滅成功概率有90.0%。中蠟燭點燃的概率僅為20.0%。本組中蠟燭實驗再結(jié)合第二、四組和第三、五、六、十一組細A、粗蠟燭的分析，可知燃燒時間足夠（>6min）對于中、細蠟燭的成功很重要。

點燃剛熄滅的蠟燭的白煙，使用的點火方式對實驗影響不大。用燃著的蠟燭點火要注意防止蠟油滴到棉芯上。火柴棒短較快燃光。棉簽棒干燥、長度合適是較好的選擇。粗蠟燭棉芯過短，也可能導(dǎo)致失敗。粗蠟燭、粗棉芯容易形成濃度大的白煙還有一個原因是溶解的蠟油凹陷深度大。細蠟燭可用水浴冷卻蠟燭形成深凹陷形狀來進行實驗 [13]。粗蠟燭棉芯除了棉線還有一根類似塑料的透明膠線，使燃燒過程有黑煙和較難聞氣味，是課堂分組實驗沒被采用的原因。

4 結(jié)論與反思

4.1 探究隔空點燃蠟燭剛熄滅的白煙的概率實驗結(jié)論

隔空點燃蠟燭剛熄滅的白煙，成功概率主要跟采用的蠟燭棉芯粗細、吹滅蠟燭的方向、采集白煙的漏斗形狀緊密相關(guān)。采用1根蠟燭即可，用嘴垂直向下較快速吹滅蠟燭，采用頸孔適中頸短腹部大（底部直徑約8cm，為蠟燭直徑3～6倍）、頸短（<3cm）、頸孔適中（略<1cm 2）的中漏斗比較理想，使用曾經(jīng)成功的蠟燭復(fù)測可提高概率。中、細蠟燭燃燒時間>6min、棉芯線較長（約1.5cm）比較理想，粗蠟燭只需燃燒1min以上即可。操作如圖5。

圖5 點燃蠟燭剛熄滅的白煙的高成功率做法

4.2 研究結(jié)論

綜上，石蠟蒸氣多，則白煙多。焰心大，則白煙多。白煙自然流向是隨風(fēng)飄走，氣流急則逆向飄回。白煙流向一致易于形成大濃度，利于點燃。保持濃度大的白煙并使之暢通流動，為采集白煙的合適的容器。產(chǎn)生白煙階段，棉芯越粗越有利，棉芯細的要燃燒足夠長時間（>6min）效果才稍好;棉芯稍長且直有利。滅火階段，用嘴垂直向下快速吹滅蠟燭的方式比蓋滅、壓滅方式更多地把蠟油轉(zhuǎn)化為蒸氣，可使白煙成聚攏狀態(tài)、濃度較大地上飄。收集白煙階段，用腹部容量稍大、頸稍短的漏斗成功率高。點火應(yīng)及時迅速，在白煙散開前點燃。

4.3 反思與討論

姚孟建 [14]用透明塑料管套住短蠟燭來使蠟燭復(fù)燃的實驗正好驗證垂直下吹的做法是有效的。王寶權(quán) [15]用鐵絲網(wǎng)隔離白煙來點燃的效果和一次性杯剪孔漏斗的短頸原理是一致的。從本實驗還可以很好地解釋為什么用嘴吹滅酒精燈（同為蒸氣燃燒，棉芯非常粗）是很危險的。

對初入學(xué)的77名高中學(xué)生的調(diào)查發(fā)現(xiàn)，認為“化學(xué)實驗一定要在講臺、實驗室做的”有18人（23.4%），“化學(xué)實驗一定要老師帶領(lǐng)下才能做的”有29人（37.7%），故提高全民化學(xué)素養(yǎng)亟需改變化學(xué)實驗觀念。本實驗除了作為高效的課堂演示實驗外，也可以作為家庭趣味實驗、魔術(shù)實驗、DIY實驗來設(shè)計開發(fā) [16]。石蠟熔化溫度低，棉芯容易獲得，通過水浴加熱可自制粗棉芯的、加香薰油的、有焰色反應(yīng)效果的、營造節(jié)慶氛圍的蠟燭等。除了從塑料罐中剪切漏斗，還可以用錫紙、鋁箔等制作各種形狀的采集白煙的容器。

上世紀九十年代電線還沒有普及到農(nóng)村家庭時，自制的照明煤油燈棉芯是很粗的，有的棉片條O型包裹在金屬圈內(nèi)處于焰心環(huán)境溫度低是不怎么需要更換的。推測文獻中介紹的子母共燃實驗的成功率可以從改變棉芯形狀（如燃氣灶般O型）以增大焰心容積的角度改進。感興趣的學(xué)生可以探究沒棉芯的蠟燭能否燃燒（設(shè)法熔化石蠟有蒸氣產(chǎn)生則可燃），從而理解為什么旺火炒菜鍋里可

能會著火（油脂蒸氣可燃）。耐高溫玻璃尖管和注射器吸取焰心蒸氣的實驗改進 [17]，加上攝影技術(shù)應(yīng)可以輔助捕捉白煙形成和燃燒的微觀慢過程。

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