探究“燃燒的條件和滅火方法”的創新實驗

趙映荷 楊艷

關鍵詞：燃燒的條件;滅火方法;創新實驗

一、問題提出

“探究燃燒的條件”實驗是現行人教版初中化學教材中的經典實驗[1]（見圖1），該實驗既是對氧氣相關知識的鞏固，又是用控制變量法進行科學探究思維的深化。

教材實驗裝置簡單、便于操作、易于觀察，但存在以下不足：一是實驗要求在通風櫥或抽風設備下進行，常規教室無此條件，而在敞開體系中實驗會產生大量白煙，五氧化二磷有毒，無益于師生身體健康，在敞開體系中燃燒，觀察實驗現象時有火焰燒到身上的危險;二是白磷熔點為44.1 ℃，在熱水中易熔化成黃泥狀物而自由游動，增加了準確通入氧氣或空氣的難度，通入氣體后白磷易分散成細微顆粒在水面燃燒，產生大量白煙逸散到空氣中;三是僅僅探究了燃燒的條件，沒有探究燃燒是否一定需要氧氣，燃燒結束后氧氣是否一定被耗盡，沒有一體化探究燃燒的條件和滅火方法，探究的趣味性、真實性、直觀性、綜合性不強;四是實驗后的廢液沒有處理。

二、創新實驗

1. 儀器、藥品及材料

儀器：水槽、鐘罩、燃燒匙（3個）、50 mL燒杯（2個）、氧氣傳感器、鑷子、鑰匙。

藥品：紅磷、白磷、蠟燭、10%氫氧化鈉溶液、酚酞。

材料：橡皮塞、40 ℃溫控開關（2個）、蜂鳴器、LED燈珠、水泵、PVC水管、導線、5號電池及電池盒、1 mL注射器、銅絲、火柴、濾紙。

2. 實驗裝置（圖2）及注意事項

儀器：水槽、鐘罩、燃燒匙（3個）、50 mL燒杯（2個）、氧氣傳感器、鑷子、鑰匙。

藥品：紅磷、白磷、蠟燭、10%氫氧化鈉溶液、酚酞。

材料：橡皮塞、40 ℃溫控開關（2個）、蜂鳴器、LED燈珠、水泵、PVC水管、導線、5號電池及電池盒、1 mL注射器、銅絲、火柴、濾紙。

2. 實驗裝置（圖2）及注意事項

（1）裝白磷和紅磷的燃燒匙高度差1 cm左右，距放蠟燭的燃燒匙5 cm左右，且不在同側。

（2）燃燒匙底部打孔，便于從熱水中提出時不帶出水，裝白磷的燃燒匙底部需墊濾紙，防止白磷在熱水中熔化提出水面時漏掉。

（3）實驗開始前白磷在熱水中，紅磷在空氣中，當紅磷和白磷同時燃燒后一起放入熱水中，熄滅后再一起提出熱水。

（4）兩個燃燒匙正下方一顛一倒放置兩個50 mL燒杯，上面燒杯中放80 ℃左右的熱水，下面燒杯抬高上面燒杯，防止熱水冷卻。

（5）如果要觀察到火焰由下而上跳躍，白磷只需豌豆大小。如果要觀察到上下兩團火焰同時燃燒，白磷的量則需要多點。為保證實驗效果，紅磷要足量。

（6）選擇2個40 ℃溫控開關并聯，提高報警及自動噴水幾率。

3.實驗原理

（1）物質燃燒的三個條件：可燃物、氧氣、溫度達到可燃物著火點，缺一不可。滅火原理：清除可燃物、隔絕氧氣、降低溫度至著火點以下，缺一即可。

（2）酚酞遇氫氧化鈉溶液變紅色，氫氧化鈉溶液吸收五氧化二磷，硫酸銅溶液吸收剩余白磷，減少污染。

（3）如圖3所示，燃燒時放熱，溫控開關接通電源，蜂鳴器報警，LED燈珠閃爍，水泵抽水形成紅色水幕降溫。

4.探究過程、現象及結論

按照圖2裝置進行探究并完成表1記錄。

5.實驗數據及分析

結合實驗探究過程和表2記錄情況分析可知：當氧氣濃度低于15.4%時蠟燭熄滅，白磷燃燒，證明不同物質燃燒所需的最低氧氣濃度不同。熱水中白磷不燃燒但提出水面后燃燒，證明燃燒需要氧氣;白磷燃燒引燃紅磷，證明不同物質的著火點不同，燃燒需要達到可燃物的著火點。將燃燒的白磷和紅磷放入熱水中時火焰熄滅，證明可以通過隔絕氧氣的方法滅火;將白磷和紅磷再次提出熱水，白磷燃燒但紅磷沒有立刻燃燒，證明可以通過降低溫度至可燃物著火點以下的方法滅火;如果火焰熄滅后已無白磷但紅磷剩余，證明可以通過清除可燃物的方法滅火。由此構建圖4的燃燒模型和圖5的滅火模型。

三、創新實驗的優點

1.密閉裝置綠色環保

變教材中敞口實驗為密閉裝置內實驗，并用氫氧化鈉溶液吸收白煙（P2O5 + 6NaOH == 2Na3PO4 +3H2O），有效抑制有毒物質五氧化二磷逸散，保證師生身體健康;實驗中如果還有白磷殘留，可以借助硫酸銅溶液進行處理（11P + 15CuSO4 + 24H2O == 5Cu3P +6H3PO4 + 15H2SO4）。

2.定性實驗定量呈現

引入氧氣傳感器從定量角度證實不同可燃物燃燒所需的氧氣最低濃度不同，讓傳統教學內容與現代教學工具融合，變不可視氧氣濃度為可視氧氣濃度數據的呈現，提高實驗的真實性和直觀性。

3.現象明顯趣味性強

密閉裝置內蠟燭、白磷、紅磷依次燃燒，白磷和紅磷在燃燒與熄滅中交替進行，鎂條在剩余氣體中燃燒，燃燒放熱接通溫控開關，引起蜂鳴器報警，LED燈珠閃爍，水泵噴水形成紅色水幕，現象明顯、趣味性強，充分刺激了學生的視覺和聽覺，增強了實驗的趣味性。

4.一組實驗多條結論

蠟燭燃燒前后對比可知：燃燒需要氧氣，并通過氧氣傳感器數據顯示蠟燭火焰熄滅后還有氧氣剩余;白磷燃燒前后對比可知：燃燒需要氧氣，但所需氧氣濃度小于蠟燭;由白磷燃燒引燃紅磷可知：不同可燃物的著火點不同;此時，如果將同時燃燒的紅磷和白磷同時放入熱水中，由火焰熄滅可知：隔絕氧氣是滅火的一種方法;再次將白磷和紅磷提出水面，由白磷燃燒但紅磷沒有立即燃燒可知：降低環境溫度至著火點以下可以滅火;火焰熄滅后如果紅磷有剩余而白磷已完全燃燒可知：清除可燃物是滅火的另一種方法。一組實驗即可一體化探究燃燒的條件和滅火方法。

5.創新實驗落實素養

一體化設計并改進實驗裝置，落實科學探究與創新意識的素養;基于真實情境探究燃燒條件和滅火方法，建構“燃燒模型”并進行修正，培養證據推理與模型認知能力;引入氧氣傳感器監測氧氣濃度，讓傳統教學內容與現代教學工具融合，提高實驗真實性和直觀性，感悟變化觀念和平衡思想;引入火警報警、自動噴水裝置，提高科學態度和社會責任[2]

四、實驗反思

蠟燭、白磷、紅磷依次在密閉裝置內燃燒，增強實驗的對比性和科學性，但本實驗無法實現鎂條在密閉裝置內的燃燒，僅通過磷燃燒后在水槽中加水，使鐘罩內外液面高度一致，減少打開橡皮塞后空氣進入的可能性，保證裝置內剩余氣體成分基本不變，從而證明鎂可以在氮氣中燃燒，實驗還不太嚴謹，有待進一步改進。