“水中白磷燃燒”實(shí)驗(yàn)的再改進(jìn)

周良建 陳勇 蔣明會(huì) 丁玲

摘要： 對(duì)已有的“水中白磷燃燒”實(shí)驗(yàn)進(jìn)行歸類、分析，結(jié)合當(dāng)前中學(xué)化學(xué)實(shí)驗(yàn)的實(shí)際，對(duì)該實(shí)驗(yàn)進(jìn)行再改進(jìn)。改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn)具有裝置簡(jiǎn)練、便于攜帶、操作便捷、現(xiàn)象明顯、材料節(jié)省、綠色環(huán)保、安全可靠、拓展性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。

關(guān)鍵詞： 水中白磷燃燒; 裝置優(yōu)化; 實(shí)驗(yàn)改進(jìn); V形玻管

文章編號(hào)： 10056629（2022）01006104

中圖分類號(hào)： G633.8

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： B

1 問題及概述

“熱水中白磷燃燒”實(shí)驗(yàn)（見圖1）是人教版九年級(jí)化學(xué)上冊(cè)第七單元課題1中的演示實(shí)驗(yàn)[1]。針對(duì)該實(shí)驗(yàn)裝置存在的問題，眾多學(xué)者與一線教師對(duì)其進(jìn)行了一系列改進(jìn)。對(duì)已有的改進(jìn)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行分析后發(fā)現(xiàn)，雖各具一些優(yōu)點(diǎn)，但也存在許多不足之處。

以錢勝[2]、郭強(qiáng)[3]、張艷琴[4]為代表的“簡(jiǎn)易型”裝置（如圖2所示）所用器材易得，操作簡(jiǎn)便，白磷燃燒現(xiàn)象明顯。但實(shí)驗(yàn)過程中產(chǎn)生的白煙不能被有效吸收處理，對(duì)人體和環(huán)境產(chǎn)生一定影響。同時(shí)，部分實(shí)驗(yàn)白磷用量較多，不能完全反應(yīng)，易產(chǎn)生大量白磷碎屑，不便于處理和回收再利用。

以錢勝[5]、郭強(qiáng)[6]、譚文生[7]、劉信友[8]等為代表的“環(huán)保Ⅰ型”裝置（如圖3所示）由于本身為封閉系統(tǒng)，能防止白磷燃燒后產(chǎn)生的白煙外逸，利用裝置內(nèi)的熱水還能吸收白煙，能減少實(shí)驗(yàn)對(duì)環(huán)境的影響。該類裝置還可供學(xué)生分組實(shí)驗(yàn)，有利于培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手能力和觀察能力。但這類裝置使用時(shí)，需課前預(yù)先裝入氧氣、白磷和熱水，為防止水溫下降影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果，裝好試劑后必須盡快進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

以吳國(guó)權(quán)[9]、周來友[10]等為代表的“環(huán)保Ⅱ型”裝置（如圖4所示）能快速便捷地提供氧氣，通過控制氧氣與白磷的接觸與分離，可反復(fù)呈現(xiàn)水中白磷燃燒與熄滅的現(xiàn)象，對(duì)反應(yīng)后產(chǎn)生的白煙也進(jìn)行了吸收處理。但這類裝置部分設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，不能快速組裝、拆卸與搬運(yùn)，不便于多個(gè)班級(jí)連續(xù)授課使用。

2 裝置的優(yōu)化與改進(jìn)

通過對(duì)上述已有改進(jìn)實(shí)驗(yàn)的分析與比較，在吸取這類實(shí)驗(yàn)優(yōu)點(diǎn)的基礎(chǔ)上，本研究小組對(duì)其進(jìn)行了整合式優(yōu)化與再改進(jìn)，從而制作出如圖5所示的改進(jìn)裝置。

2.1 實(shí)驗(yàn)用品

碎屑狀白磷、氧氣袋、細(xì)沙、50mL小燒杯、6mm內(nèi)徑V形管、膠皮管、小氣球、醫(yī)用棉簽、紙巾、50mL醫(yī)用注射器、溫度計(jì)（100℃）、盛有開水的保溫杯、小刀

2.2 制作方法

（1） 用實(shí)驗(yàn)室常見的6mm內(nèi)徑玻璃管加熱制成V形管，并在V形管中裝入少量細(xì)沙蓋住底部。再將紙巾呈螺旋狀包裹在醫(yī)用棉簽小木棒上，制成柱徑為4～5mm的圓柱形螺旋紙棒（以下簡(jiǎn)稱“紙棒”），將紙棒從玻璃管一側(cè)插入至V形管底部并用水潤(rùn)濕。同時(shí)，在該側(cè)玻璃管口套上一個(gè)小氣球。從V形管另一側(cè)放入少許白磷碎屑，用少量水送至V形管底部，并連接好膠皮管放入小燒杯中備用。

（2） 用50mL注射器收集氧氣，作為向V形管中注入氧氣的供氣裝置。

2.3 制作原理

（1） 6mm玻璃管內(nèi)徑小，利于給管內(nèi)白磷快速加熱，同時(shí)也便于通入的氧氣與白磷充分接觸。制成V形管后，管口兩端高，中間低，有助于白磷在V形管底部的水中貯存。實(shí)驗(yàn)時(shí)，當(dāng)停止通入氧氣，管內(nèi)水快速流回浸沒白磷使其熄滅。

（2） 細(xì)沙可使液態(tài)白磷附著在其表面，阻止白磷隨水流動(dòng)。

（3） “無針尖注射頭”可有效控制實(shí)驗(yàn)過程中的氧氣流速，防止氧氣流速過快造成液態(tài)白磷從玻璃管中溢出。

（4） “紙棒”與玻璃管內(nèi)壁的縫隙呈螺旋上升狀，可使實(shí)驗(yàn)中產(chǎn)生的白煙被水充分吸收，末端氣球的使用能防止未吸收完的少量白煙污染環(huán)境。

（5） 實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，轉(zhuǎn)動(dòng)小木棒可帶動(dòng)“紙棒”旋轉(zhuǎn)，既能清洗玻璃管內(nèi)壁，也方便將“紙棒”從玻璃管中取出。

（6） 用注射器代替供氣裝置，氧氣不易流失，方便攜帶與貯存，且便于實(shí)驗(yàn)時(shí)控制氧氣流速。

2.4 操作方法及現(xiàn)象

將V形管上的膠皮管與裝有氧氣的注射器連接，向裝有冷水和白磷的V形管中通入氧氣，可觀察到冷水中白磷不燃燒。向小燒杯中倒入約80℃的熱水，將V形管底部裝有白磷的部分浸沒在熱水中。待白磷熔化后，可觀察到液態(tài)的白磷附著在細(xì)沙表面，緩慢推動(dòng)注射器活塞，當(dāng)通入氧氣與白磷充分接觸時(shí)，白磷即被點(diǎn)燃并持續(xù)燃燒。當(dāng)停止通入氧氣，V形管中的水流回浸沒白磷，白磷立即熄滅。

2.5 操作注意事項(xiàng)

（1） “紙棒”直徑在4～5mm之間為宜，且不宜塞得太緊，以便“紙棒”潤(rùn)濕后玻璃管內(nèi)的氣體能夠流通。

（2） 玻璃管內(nèi)細(xì)沙不宜太多，熱水以80℃左右為宜。既能確保玻璃管受熱均勻，又便于吸收白磷燃燒后產(chǎn)生的熱量。

（3） 玻璃管中碎屑狀白磷顆粒直徑應(yīng)小于2mm。向玻璃管中注入氧氣時(shí)，每次燃燒持續(xù)4～5s暫停注入氧氣，防止因白磷燃燒過于劇烈而使玻璃管炸裂。

3 改進(jìn)裝置的優(yōu)點(diǎn)

3.1 攜帶方便，便于演示和存放

改進(jìn)優(yōu)化后的裝置所用儀器少，不僅方便教師在講臺(tái)上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)演示，還便于教師在臺(tái)下手持裝置移動(dòng)演示，讓學(xué)生能近距離觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。在裝置內(nèi)氧氣和白磷未用完的情況下，將注射器與膠皮管分離開可暫時(shí)存放，方便多個(gè)班級(jí)連續(xù)授課，而不影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

在對(duì)注射器中氧氣的貯存時(shí)間與白磷燃燒現(xiàn)象的有關(guān)研究發(fā)現(xiàn)（見表1），室溫15℃時(shí)，注射器中50mL氧氣在8小時(shí)以內(nèi)使用，白磷均能正常燃燒，不會(huì)對(duì)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象產(chǎn)生影響。

3.2 操作便捷，現(xiàn)象明顯可控

課堂演示時(shí)，由于藥品已提前裝入該裝置中，教師只需通過“連裝置→推活塞→倒熱水→推活塞”的簡(jiǎn)單四步操作，即可讓學(xué)生觀察到通入氧氣時(shí)冷水中白磷不燃燒，而熱水中白磷燃燒的現(xiàn)象。若在推動(dòng)活塞過程中暫時(shí)停頓，還可觀察到熱水中白磷燃燒與熄滅交替出現(xiàn)的有趣現(xiàn)象。若實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)氧氣不足，可將注射器取下，將注射器與制取氧氣的發(fā)生裝置或氧氣袋導(dǎo)管連接，只需5秒即可快速收集50mL氧氣。改進(jìn)裝置具有隨取隨用、操作便捷、現(xiàn)象可控、成功率高的特點(diǎn)。利用本裝置在我校30個(gè)教學(xué)班級(jí)進(jìn)行課堂演示實(shí)驗(yàn)，成功率達(dá)到100%。

3.3 節(jié)約環(huán)保，廢料易于處理

改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn)裝置，氧氣和白磷用量明顯減少。利用試劑瓶?jī)?nèi)的少量白磷碎屑即可完成實(shí)驗(yàn)演示。同時(shí)，實(shí)驗(yàn)中產(chǎn)生的廢料也易于處理并再利用，對(duì)環(huán)境和人體不構(gòu)成任何影響。當(dāng)實(shí)驗(yàn)完畢，玻璃管中若殘留有少量白磷，可繼續(xù)通入氧氣使之完全反應(yīng)。玻璃管中的廢液用適量的稀氨水進(jìn)行中和處理，可用作盆栽營(yíng)養(yǎng)液，真正做到環(huán)保節(jié)約和廢物利用。

在對(duì)白磷用量與燃燒現(xiàn)象可持續(xù)時(shí)間的研究中發(fā)現(xiàn)（見表2），直徑約為2mm（1/2粒綠豆大小）的白磷顆粒，結(jié)合50mL氧氣使用，在保證每次燃燒現(xiàn)象持續(xù)5s的情況下，可供三個(gè)教學(xué)班級(jí)連續(xù)兩次課堂演示，而不需要添加任何藥品。

3.4 分組實(shí)驗(yàn)，拓展學(xué)習(xí)途徑

本實(shí)驗(yàn)裝置具有良好的安全性，不單可用于教師課堂演示實(shí)驗(yàn)，還可用于學(xué)生分組實(shí)驗(yàn)以及課外拓展實(shí)驗(yàn)。在學(xué)生對(duì)該裝置與燃燒條件已有認(rèn)知的基礎(chǔ)上，可拓展用于課后延時(shí)服務(wù)活動(dòng)中，讓化學(xué)興趣小組的學(xué)生對(duì)該裝置及藥品進(jìn)行適當(dāng)改進(jìn)，設(shè)計(jì)其他實(shí)驗(yàn)方案進(jìn)一步驗(yàn)證燃燒需要的可燃物以及可燃物的著火點(diǎn)溫度。這樣不僅激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，拓展學(xué)生的思維，更能促進(jìn)學(xué)生科學(xué)探究與創(chuàng)新意識(shí)的化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)的養(yǎng)成。

參考文獻(xiàn)：

[1]人民教育出版社編著. 義務(wù)教育課程標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)教科書·化學(xué)（九年級(jí)上冊(cè)）[M]. 北京： 人民教育出版社， 2012： 129.

[2][5]錢勝， 馮紅霞. 對(duì)“白磷在水下燃燒實(shí)驗(yàn)”的多種改進(jìn)[J]. 化學(xué)教學(xué)， 2011， （3）： 38～39.

[3][6]郭強(qiáng)， 支維洲， 楊嶸， 趙越. “白磷在水下燃燒實(shí)驗(yàn)”的再改進(jìn)[J]. 化學(xué)教學(xué)， 2011， （11）： 39～40.

[4]張艷琴， 史祥利. 探究“燃燒的條件”實(shí)驗(yàn)改進(jìn)[J]. 濰坊教育學(xué)院學(xué)報(bào)， 2012， 25（4）： 93～94.

[7]譚文生. 對(duì)“白磷在水下燃燒實(shí)驗(yàn)”的趣味性設(shè)計(jì)[J]. 化學(xué)教學(xué)， 2011， （12）： 42.

[8]劉信友. “白磷在水下燃燒實(shí)驗(yàn)”的微量化設(shè)計(jì)[J]. 化學(xué)教學(xué)， 2015， （3）： 54.

[9]吳國(guó)權(quán). 白磷水下燃燒演示實(shí)驗(yàn)的再研究[J]. 化學(xué)教育， 2013， 34（3）： 58～59.

[10]周來友. 白磷在水中燃燒實(shí)驗(yàn)的再改進(jìn)[J]. 化學(xué)教學(xué)， 2017， （8）： 68～72.