“點燃蠟燭剛熄滅時產生的白煙”實驗改進探索

廣東高州中學初中校區（525200）黃小玲 吳宇

“點燃蠟燭剛熄滅時產生的白煙”實驗是人教版化學九年級上冊第一單元課題2“對蠟燭及其燃燒的探究”系列實驗中的一個實驗。如圖1 所示，教材通過設計用嘴吹滅蠟燭，使之產生白煙，然后用火柴點燃白煙，白煙燃燒，從而向學生證明該白煙是石蠟蒸汽。

圖1

該內容是《義務教育化學課程標準（2011 年版）》一級主題“科學探究”中二級主題“增進對科學探究的理解”的情景素材［1］，從蠟燭燃燒這一生活常見現象出發，通過證明蠟燭剛熄滅時產生的白煙具有可燃性，得出白煙的主要成分是石蠟蒸汽的結論。該實驗探究過程落實了三維教學目標，契合了課程標準提倡的教學理念。

但在現實教學實踐中按照教材介紹的方法進行實驗，存在一些操作上的問題：1.蠟燭熄滅后產生的白煙量比較少，不足以點燃。2.吹蠟燭時，由于溫度下降，石蠟難以氣化，不容易繼續形成白煙。3.吹滅蠟燭時，在人為或自然氣流的作用下，白煙容易被吹偏或消散較快，難以被準確點燃。4.在實驗操作中，在離棉芯稍遠處點火，會因為白煙量少而難以點燃，導致實驗失敗；在離棉芯稍近處點火時，不免有直接點燃棉芯的嫌疑，從而降低實驗的說服力。5.基于白煙的不確定性，該實驗對操作者的操作熟練程度和實驗條件有較高要求，人為因素對實驗影響較大。這一系列問題導致實驗存在一些不穩定因素，使得實驗得出的結論不夠嚴謹，缺乏說服力。

為了解決上述問題，眾多學者對此實驗進行了不斷探索，以期獲得持續穩定的實驗效果。鄧繼紅等人摸索出了隔空點燃蠟燭剛熄滅時產生的白煙的最佳實驗條件，即選擇粗棉芯蠟燭，先讓蠟燭燃燒1min 以上，再用嘴垂直向下快速吹滅蠟燭，接著用頸短腹大的漏斗導出白煙，并與多個對照組進行實驗比較而獲得令人信服的結果。但該實驗容易受到棉芯粗細、蠟燭燃燒時間、熄滅蠟燭的方式、采集白煙的漏斗的形狀等因素的影響，對蠟燭和漏斗的選擇也比較嚴格，無法確保實驗的普遍性［2］。曾小英等人利用燒瓶收集蠟燭熄滅時產生的白煙以供點燃（如圖2），雖然操作簡單，但受到燒瓶頸部大小的影響，難以確保白煙大量收集，而且需要手持燒瓶進行操作，容易燙傷實驗者。同時，該實驗要求提前在燒瓶內部收集盡可能多的白煙，對蠟燭的消耗量較大［3］。王儀輝利用粉筆和石蠟自制大型蠟燭，產生足量白煙以便于點燃，效果較好，但對蠟燭的消耗量也很大，并受鐵絲網與粉筆燈芯距離的影響，燃燒持續現象不明顯［4］。鞠東勝等人用干燥管、大試管、曲管、直角導管等收集白煙并點燃。雖然操作簡單易行，但該實驗未能增大白煙的形成量，導致實驗結果不穩定，而且該實驗要求使用的白煙聚集器口徑與火焰寬度相比不宜過大或過小，器材離蠟燭棉芯距離過大或過小均不利于白煙的形成和導出，這些因素均對實驗影響較大［5］。閆秋艷用鐵絲繞成螺旋狀罩住蠟燭火焰，用嘴吹滅蠟燭，再點燃產生的白煙（如圖3）。該實驗操作簡便、有趣，但實驗效果受人為因素影響較大，無法體現科學客觀性［6］。鄭杏珍等人用玻璃漏斗收集白煙引流以點燃，但由于玻璃儀器壁薄易碎，受熱易爆裂，且表面光滑易脫落難以固定，需要手持操作，多次實驗后易高溫燙手，這都增加了實驗結果的不穩定性、人為影響因素及安全隱患；而且用玻璃漏斗罩住燃著的蠟燭時，石蠟燃燒不充分，易產生大量黑煙，影響實驗效果（如圖4）；如果用燈帽蓋滅燃著的蠟燭，再迅速用倒置的玻璃漏斗企圖引流白煙以在管口處點燃，會發現因白煙量過少而難以點燃［7］。

圖2

圖3

圖4

為了避免實驗的不確定性，減少主觀因素的影響，客觀地反映事物真實的本原，筆者也對此實驗進行了探索和改進，并獲得了穩定、客觀的實驗結果。

一、實驗材料

酒精燈陶瓷燈芯管，帶鐵夾的鐵架臺，蠟燭。（如圖5）

圖5

二、實驗內容

（一）實驗裝置

1.將酒精燈的陶瓷燈芯管取下，遠離明火，讓黏附在燈芯管表面的酒精在室溫下完全揮發或用干燥濾紙擦干。

2.待陶瓷燈芯管表面的酒精完全揮發后，將陶瓷燈芯管以管頭在上、管體在下的方式，正向固定于鐵架臺的鐵夾上，使得燈芯管頭卡于鐵夾邊上，燈芯管體置于夾片中，組裝成一套穩定輸出型石蠟制煙裝置。

（二）實驗效果

1.點燃蠟燭，根據蠟燭的高度調整裝置的高度，使陶瓷燈芯管底部距離蠟燭焰心0.5～1 cm，并使陶瓷燈芯管的小孔正對蠟燭的火焰，觀察陶瓷燈芯管的上方孔口是否有大量白煙冒出。

2.將紙條等易燃物置于陶瓷燈芯管上方孔口，測試其能否被點燃，若不能點燃，證明孔口冒出的是白煙，無火焰躥出。

3.用打火機或火柴點燃白煙，白煙迅速被點燃，說明白煙具有可燃性；隨著白煙的穩定輸出，白煙燃燒現象明顯且持續時間長，實驗效果良好（如圖6）。

圖6

三、實驗對比

將教材實驗方法和用漏斗收集白煙進行點燃的實驗方法與本實驗進行對比，并對實驗結果進行統計學分析。

（一）教材實驗方法

1.于無風、非對流實驗環境中。

2.調節蠟燭棉芯，使其垂直于桌面，固定并點燃蠟燭。

3.為保證蠟燭熄滅后能順利產生白煙，且白煙能聚集上升，采用自上而下的扇滅方式熄滅蠟燭。

4.熄滅蠟燭，白煙升起，實驗者迅速啟動打火器對距離燈芯2 cm處的白煙點火。

（二）漏斗收集白煙進行點燃的實驗方法

1.于無風、非對流實驗環境中。

2.調節蠟燭棉芯，使其垂直于桌面，固定并點燃蠟燭。

3.用酒精燈燈帽蓋滅蠟燭，迅速用倒置的玻璃漏斗罩住蠟燭棉芯。

4.迅速在漏斗管口處點燃白煙。

（三）實驗結果統計分析

在相同的實驗條件下，三種實驗方法（人教版教材實驗、漏斗收集白煙實驗、本創新實驗）各重復操作20次，實驗結果如下。

實驗結果顯示，本創新實驗的成功率明顯高于另外兩個實驗，特別是漏斗收集白煙實驗。

（四）實驗原理

陶瓷為固態，導熱率為1.22 W/m·k，比金屬的導熱率小，相同受熱條件下熱量散失較金屬材料低。酒精燈是實驗室常用的儀器，它的燈芯管是陶瓷材質，呈中空柱狀，在其下方燃燒石蠟能產生大量石蠟蒸汽，并經中空柱狀陶瓷燈芯管聚集形成柱狀輸出。此過程原理為石蠟受熱汽化成石蠟蒸汽，石蠟蒸汽在上升過程中遇到導熱率較低的中空柱狀陶瓷燈芯管，并仍以蒸汽的形式輸出，從而形成穩定的柱狀白煙。

筆者曾使用金屬材料（銅、鐵、鋁）替代陶瓷進行實驗探究，發現金屬材料組裝的實驗裝置中白煙的輸出量明顯減少，持續性差，無法滿足實驗點燃的要求。

（五）實驗改進后的優缺點

1.裝置取材方便，制作簡單，操作簡便，耗材少，只需要一個酒精燈的燈芯管、一個鐵架臺和一根蠟燭。

2.現象明顯，成功率高。能穩定輸出大量白煙，易于點燃，白煙燃燒持續時間較長。

3.實驗科學，客觀性強。本實驗設計的支撐裝置為鐵架臺，可固定夾持，減少人為操作等因素對白煙輸出或燃燒的影響；實驗適用性強，受外界因素影響小，成功率高，可多次重復實驗結果，實驗結果更加科學客觀、有說服力。

4.本實驗的統計學數據有一定的局限性，隨著探究的深入，還可以進一步完善。本實驗只探索了陶瓷和金屬兩種材料，但隨著材料學的發展，可能會有更好的材料支持實驗進行，獲得更好的實驗效果。

四、實驗小結

改進后的實驗能穩定輸出白煙，方便點燃。學生觀察到白煙能被點燃，火焰隨著裊裊煙柱而舞動，體驗到了實驗成功的喜悅。此實驗活用了實驗室常見的酒精燈的燈芯管，拓展了常規實驗儀器的使用領域，引發了學生對如何擴大常規實驗儀器的用途的思考。穩定輸出大量白煙，便于學生充分觀察石蠟在實驗過程中的固—液—氣三態變化，加深對物理變化與化學變化兩者關系的理解，明白物質發生化學變化的過程中會同時發生物理變化。

本實驗設計的整套裝置由鐵架臺夾持而成，減少了人為因素的影響，使得實驗結果更科學客觀，且操作簡單便捷，實驗生動有趣，現象明顯，成功率高，適合教師課堂演示，也可作為學生的課外實驗。

五、總結與展望

創新實驗器材，改進實驗裝置，活用酒精燈的陶瓷燈芯管，使得蠟燭穩定輸出白煙，便于白煙的點燃，實現了科學探究與創新意識學科核心素養的落地，進而引導學生學會從化學的角度認識物質世界，提高學生運用化學知識和科學方法分析、解決簡單問題的能力，使學生在知識的形成和應用過程中形成科學態度，掌握科學方法，在“做科學”的探究活動中培養創新精神和實踐能力，為學生的未來發展奠定基礎。

作為化學教育工作者，筆者日后將繼續在學科教學工作中開展更多科學可行、簡約創新的可視性教學實驗，讓學生在趣味小實驗中掌握物質世界的大學問。