“二氧化碳熄滅高低蠟燭”實驗創新設計

福建省廈門市洪塘中學(361100) 許振芳

福建省廈門市翔安第一中學(361101) 洪茲田

人教版9年級化學教科書關于“二氧化碳熄滅高低蠟燭”實驗采用如下方法:往放置高低不同的2支蠟燭的燒杯中傾倒CO2氣體，如圖1所示。通過“階梯蠟燭從低到高依次熄滅”的現象，得出CO2具有如下性質:一般情況下，CO2不可燃、不助燃，密度大于空氣。

圖1 教材實驗

按上述操作進行實驗存在一些不足。筆者在借鑒同行已有研究的基礎上，對該實驗進行改進和優化，改進后的實驗成功率大大提高。

1 原實驗存在的不足

按上述操作進行實驗，容易出現以下3種“超出標準預設”的現象。

(1)當傾倒CO2氣體的角度不好時，容易出現“上層蠟燭先熄滅”的現象。

(2)點燃蠟燭后如果沒有及時往其中傾倒CO2氣體，燒杯內部氣體因受熱形成向上的熱氣流，導致CO2氣體無法順利倒入，從而出現蠟燭無法熄滅的現象。

(3)若放置蠟燭的燒杯容積過大，而收集CO2氣體的集氣瓶容積過小，往往會由于CO2“心有余而力不足”而出現“下層蠟燭熄滅，而上層蠟燭無法熄滅”，甚至“2支蠟燭都無法熄滅”的現象。

2 實驗改進思路

2.1 儀器及藥品改進

5個透明塑料瓶代替燒杯；塑料瓶瓶身打孔并用熱熔膠連接形成連通器；增加1組高低蠟燭；配備2個自制燭臺(如圖2所示)；增加2條紫色石蕊濾紙條。

圖2 自制燭臺

2.2 裝置創新及原理簡析

3個塑料瓶(1個塑料瓶作為CO2氣體的緩沖裝置，另2個塑料瓶內分別放置高低不同的蠟燭各一組)，每相鄰的2個塑料瓶瓶身打孔，孔孔相對粘合形成連通器。2個塑料瓶瓶身分別放置濕潤的紫色石蕊濾紙條，利用不同高度濾紙條的顏色變化讓學生感受CO2的“氣流沉底”，進一步感受CO2密度大于空氣。

傾倒第1瓶CO2氣體時，CO2先進入第1個塑料瓶(緩沖裝置)，再通過連通孔依次進入另外2個塑料瓶。CO2氣體按照“預設”的“流向”精準地熄滅3支蠟燭，但是其中1支蠟燭由于傾倒的CO2氣體的量不夠多，需繼續傾倒1瓶CO2氣體方能熄滅。增加該步驟以培養學生的“變化觀念”素養和批判性思維。

3 改進后的實驗

3.1 實驗器材和藥品

同規格的透明塑料瓶5個(3個不帶蓋做連通器，2個帶蓋用于儲存CO2)；高低不同的2組蠟燭(一組高度為1.5 cm、4 cm，另一組高度為3 cm、5 cm)；自制燭臺2個；粗鐵絲2根；CO2氣體2瓶(與連通器的塑料瓶同規格)；橡皮泥若干；用紫色石蕊試液反復浸泡晾干的濾紙條若干。

3.2 改進后的實驗裝置

改進后實驗的裝置圖如圖3所示。

圖3 改進后的裝置圖

3.3 實驗操作和預期現象

按圖3所示裝置，進行如下實驗操作:

(1)在3個塑料瓶瓶身打上高低不同的4個孔，孔孔相對用熱熔膠粘合成連通器，其中①孔緊挨底部，②孔離底部3 cm；

(2)將潤濕的2條濾紙條(用紫色石蕊試液反復浸泡晾干)綁在粗鐵線上，并用橡皮泥固定在塑料瓶II和III的內壁；

(3)2個小燭臺分別放在塑料瓶II、III中。燭臺上分別放入2組高低不同的蠟燭。其中，塑料瓶III中為蠟燭A、B(高度分別為1.5 cm、4 cm), 塑料瓶II中為蠟燭C 、D(高度分別為3 cm、5 cm)；

(4)將第1瓶CO2氣體緩慢倒入塑料瓶Ⅰ中(作為緩沖裝置)，CO2氣體通過連通孔①進入塑料瓶II，CO2氣體熄滅3 cm高的蠟燭C后，并沒有繼續熄滅5 cm高的蠟燭D,而是從離塑料瓶II瓶底3 cm高的連通孔②中進入塑料瓶III，依次熄滅塑料瓶III中1.5 cm高的蠟燭A和4 cm高的蠟燭B；

(5)在1瓶CO2氣體傾倒完畢后，塑料瓶II中的蠟燭D依舊正常燃燒。再取1瓶CO2氣體，繼續將其傾倒入塑料瓶Ⅰ中，直至將蠟燭成功熄滅；

(6)觀察塑料瓶II、III中潤濕的濾紙條不同高度的顏色變化(靠近下部分的濾紙明顯變紅，而上部分濾紙仍然為紫色)。

4 實驗創新點評析

4.1 儀器生活化

本實驗所需的部分儀器如塑料瓶、橡皮泥、粗鐵絲、礦泉水瓶及瓶蓋等，均為易得的生活物品。不僅能給學生帶來親切感，而且有利于培養學生的資源再利用意識。

4.2 實驗綜合化

根據連通器原理，4支高低不同的蠟燭分布于2個塑料瓶中，從塑料瓶Ⅰ中傾倒CO2氣體后，4支蠟燭按照C、A、B、D順序熄滅。將“流”的文章做足，基于證據推理即可得出“一般情況下，CO2不可燃、不助燃且密度大于空氣”的結論。CO2氣體熄滅蠟燭C后還必須“漫”過連通孔②，才能“流”到塑料瓶III中去熄滅高度為1.5 cm的蠟燭A。隨著氣體的傾倒，最終成功地將蠟燭C、蠟燭A、蠟燭B依次熄滅。由于倒入的CO2氣體在塑料瓶中基本處于同一高度，仍無法達到蠟燭D的高度，只有繼續傾倒另一瓶CO2氣體后才能成功熄滅蠟燭D。這一后續的“加料”操作，體現了量變引起質變的辯證觀點，培養了學生的“變化觀念”素養和批判性思維。若整個過程把CO2換成水，則水流方向、水面的情況及熄滅順序也與上述順序一致。

4.3 現象可視化

本實驗中在高低蠟燭熄滅實驗的基礎上，增加濕潤的紫色石蕊濾紙條的變色實驗，讓本來“看不見”的CO2氣體的流動變為“看得見”。學生通過不同高度濾紙條的顏色對比即可粗略判斷塑料瓶中CO2氣體的“流動軌跡”，進而得出“CO2密度大于空氣”的結論。

4.4 實驗成功率高

改進后的實驗成功率極高，主要原因有3點:

(1)CO2熄滅蠟燭前進入緩沖裝置(塑料瓶Ⅰ)，氣流走向平穩，能較為“精準”地熄滅“目標”蠟燭；

(2)自制小燭臺方便取出與放置，在裝置外面點燃高低蠟燭，可以盡量避免由于加熱過久而產生向上的熱氣流對實驗的影響；

(3)即使蠟燭燃燒產生熱氣流，CO2氣體從緩沖瓶中經連通孔從下部流入，也基本不受熱氣流影響。

5 實驗注意事項

(1)本實驗需事先收集2瓶與塑料瓶容積相近的CO2氣體，擰緊瓶蓋備用。

(2)應緩慢傾倒CO2氣體，可用瓶蓋直接遮住瓶口讓氣流從小縫隙中流入瓶中。

(3)燭臺放在塑料瓶中央，盡量不靠在瓶壁上。

(4)蠟燭的燭芯不宜太長，否則燃燒時火焰太大，容易燒壞塑料瓶。

(5)不讓連通孔對著蠟燭火焰，以免氣流直接沖滅火焰影響實驗效果。