密閉體系中影響蠟燭燃燒時間的因素的探究

陳伯瀚 賈喜珍

摘要：對密閉體系中下列影響蠟燭燃燒時間的因素進行探究：蠟燭燭芯長度、蠟燭高度、氧氣氮氣混合氣體中氧氣體積分數(shù)、氧氣二氧化碳混合氣體中氧氣體積分數(shù)等。結(jié)合實驗中蠟燭高度和燭芯長度變化，從反應(yīng)原理角度對燃燒時間曲線變化的可能原因進行解釋。

關(guān)鍵詞：蠟燭;燃燒時間;反應(yīng)速率;氧氣體積分數(shù)

文章編號：1008-0546（2022）10x-0096-02中圖分類號：G632.41文獻標識碼：B

在講授空氣中氧氣含量測定時，有學(xué)生提出，可以研究氧氣濃度和蠟燭燃燒時間的關(guān)系，進而利用該關(guān)系推算出空氣中氧氣的濃度。其思路類似于利用標準曲線測定濃度。受到學(xué)生的啟發(fā)，設(shè)計下面的實驗方案。

一、實驗方案

1.蠟燭燃燒時間的測定方法

將蠟燭放置于玻璃片上，用集氣瓶倒扣在玻璃片上，測定從倒扣集氣瓶至蠟燭熄滅的時間。測定蠟燭高度和燭芯長度對燃燒時間影響的實驗時，均使用空氣。測定氧氣體積分數(shù)對燃燒時間影響的實驗時，對同一組蠟燭修剪至相同的蠟燭高度和燭芯長度，如圖1所示。所有測量數(shù)據(jù)均取三次測量的平均值。

2.不同濃度氧氣的配制方法

配制氧氣氮氣混合氣的方法：使用285mL集氣瓶，往集氣瓶中加入一定量的水，上方留出空氣。再通過排水法，用氧氣將水排盡。配制出21%～100%氧氣體積分數(shù)的氧氣氮氣混合氣體。

配制氧氣二氧化碳混合氣的方法：使用285mL集氣瓶，先用排水法收集部分氧氣，再用排水法，用二氧化碳將水排盡。配制出10%～100%氧氣體積分數(shù)的氧氣二氧化碳混合氣體。先收集氧氣后收集二氧化碳的目的是避免二氧化碳溶于水對實驗造成影響。

二、數(shù)據(jù)結(jié)果及分析

1.蠟燭高度對蠟燭燃燒時間的影響

實驗1：實驗用蠟燭燭芯長度均為0.5cm，測得蠟燭燃燒時間隨蠟燭高度增大而減少，如表1所示。由數(shù)據(jù)推測：蠟燭熄滅時不一定將集氣瓶中的氧氣完全消耗，燭芯附近氧氣下降到一定的濃度時，蠟燭就會熄滅。由于燃燒時生成的二氧化碳在受熱下密度減小，升至集氣瓶上方，因此在集氣瓶中蠟燭越高越先熄滅。[1]

2.燭芯長度對蠟燭燃燒時間的影響

實驗2：實驗用蠟燭高度均為2cm，測得蠟燭在集氣瓶中燃燒時間隨燭芯長度增大而減少，如表2所示。實驗時可明顯觀測到，燭芯越長，蠟燭火焰越大，燃燒越劇烈。由于蠟燭燭芯的作用是提供蠟燭蒸氣，[2]因此從數(shù)據(jù)推測，燭芯長度越大，石蠟蒸氣蒸發(fā)越多，相當于增大了反應(yīng)物接觸面積，也在一定程度上提高了石蠟蒸氣的濃度，導(dǎo)致燃燒反應(yīng)速率加快。

3.氧氣和氮氣比例對蠟燭燃燒時間的影響

實驗3：使用氧氣氮氣混合氣體測定時，實驗用蠟燭高度均為2cm，蠟燭燭芯長度為0.5cm。不同氧氣體積分數(shù)時，蠟燭燃燒時間的數(shù)據(jù)如圖2所示。實驗數(shù)據(jù)表明：隨著氧氣體積分數(shù)增大，蠟燭燃燒時間先增大，后減小。實驗現(xiàn)象是：隨著氧氣體積分數(shù)增大，蠟燭燃燒劇烈程度逐漸增大，當氧氣體積分數(shù)大于60%時，蠟燭在燃燒過程中高度顯著下降，燭芯長度顯著增加，且氧氣體積分數(shù)越大，這兩個變化越顯著。在90%和100%氧氣中，蠟燭高度可以下降約0.5～0.3cm，燭芯長度可以增長約0.9～1.2cm。

蠟燭燃燒時間與氧氣總量以及燃燒速率有關(guān)，燃燒速率又與氧氣濃度，反應(yīng)物接觸面積有關(guān)，而反應(yīng)接觸面積主要與蠟燭燭芯長度有關(guān)。當氧氣體積分數(shù)在20%～50%之間時，氧氣總量增大使燃燒時間延長的影響為主要因素，燃燒速率增大使燃燒時間縮短的影響為次要因素。當氧氣體積分數(shù)在5%～100%之間時，蠟燭燭芯長度的變化會使氧氣總量增大和燃燒速率增大兩個影響因素的主次關(guān)系調(diào)換。此外，結(jié)合實驗1結(jié)論，蠟燭高度變短會延長燃燒時間，但這與實驗3結(jié)果不符，說明蠟燭高度變化在實驗3中也為次要因素。

4.氧氣和二氧化碳比例對燃燒時間的影響

實驗4：實驗用蠟燭高度均為2cm，蠟燭燭芯長度為0.5cm，使用氧氣二氧化碳混合氣體測定。不同氧氣體積分數(shù)時，蠟燭燃燒時間數(shù)據(jù)見圖2。實驗數(shù)據(jù)表明：氧氣體積分數(shù)10%時，蠟燭不能燃燒，20%至90%時，隨著氧氣體積分數(shù)增大，蠟燭燃燒時間增長，體積分數(shù)與燃燒時間存在較好的線性關(guān)系。90%至100%時，燃燒時間比較接近。實驗現(xiàn)象是：隨著氧氣體積分數(shù)增大，蠟燭燃燒劇烈程度逐漸增大。在氧氣體積分數(shù)80%～100%時，和實驗3類似，蠟燭在燃燒過程中也出現(xiàn)高度顯著下降，燭芯長度顯著增加現(xiàn)象。對比實驗3和實驗4數(shù)據(jù)，推測：二氧化碳濃度可能對蠟燭能否燃燒有影響，蠟燭熄滅時，集氣瓶中可能存在部分沒有消耗的氧氣。[3]

三、結(jié)論與反思

密閉體系中蠟燭燃燒時間是一個多因素影響的復(fù)雜問題，其本質(zhì)和三個因素有關(guān)：氧氣總量、燃燒速率、熄滅時的氧氣剩余量。其中燃燒速率本質(zhì)上又和溫度、氧氣濃度、石蠟蒸氣濃度以及反應(yīng)物接觸面積有關(guān)，石蠟蒸氣濃度和反應(yīng)物接觸面積又和蠟燭燭芯長度有直接關(guān)系。此外，二氧化碳濃度可能會影響支持蠟燭燃燒的最低氧氣濃度。[4]

本實驗之所以會研究蠟燭燭芯長度對燃燒時間的影響，源自對不同濃度氧氣氮氣混合氣體燃燒時間圖像的分析。如果只考慮氧氣濃度對于反應(yīng)速率的影響，在氧氣體積分數(shù)60%～100%時，曲線最多只會趨于平緩，但不會下降。因此，曲線下降證明一定有其他因素加快了反應(yīng)速率。同時，實驗中觀察到燭芯長度對蠟燭火焰大小有非常明顯的影響。在以上啟發(fā)下，通過實驗驗證了燭芯長度對反應(yīng)速率的影響。

參考文獻

[1]柴建波.實驗探究密封容器內(nèi)不同高度蠟燭的熄滅順序[J].中學(xué)物理教學(xué)參考，2021，50（13）：54-56.

[2]唐思嘉.蠟燭及其燃燒實驗的教學(xué)設(shè)計[J].化學(xué)教學(xué)，2017（09）：63-66.

[3]范婉貞等.利用手持技術(shù)探究建筑火災(zāi)逃生策略的合理性——測量氧氣含量、二氧化碳濃度和溫度的變化[J].化學(xué)教育，2017，38（01）：63-68.

[4]黃毓展，等.運用數(shù)字化手持技術(shù)探究蠟燭非常規(guī)熄滅的原因——通過測量二氧化碳濃度和溫度的變化進行驗證[J].化學(xué)教育，2018，39（21）：63-69.