蜡烛燃烧实验的新设计

色素的提取与分离 实验的设计存在很多差异㊂在操作流程上,浙科版采用烘干叶片可以降低叶片水分对色素提取的影响,有利于提高色素提取效率㊂在制备滤纸条㊁色素分离过程中,人教版对滤纸条尺寸㊁层析液用量的描述没有限定数值,要求学生根据实际情况灵活使用,显得不死板㊁更加人性化㊂在实验目的的设计上,人教版除对技术操作提出要求外,对探究能力也提出要求,更符合新课程教材设计要求㊂此外,在实验讨论环节,人教版提出的问题面更广,而浙科版列出的问题对学生的分析总结能力提出更高要求㊂可以说不同版本的教材各有所长㊂在教学中教师应该引导学生熟悉实验原理,在此基础上可以要求学生采用不同方法进行实验,以探寻实验的优化流程,切实实现实验
教学提升学生实验技能㊁探究素养的目的㊂参考文献:
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[2]朱正威,赵占良.普通高中课程标准实验教科书㊃
生物㊃必修1㊃分子与细胞[M ].北京:人民教育出版社,2007:97-98.
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生物学㊃必修1㊃分子与细胞[M ].杭州:浙江科学技术出版社,2005:87-88.
(责任编辑:李巧红)
蜡烛燃烧实验的新设计
胡巢生
摘㊀要:梳理㊁分析3个版本教科书中蜡烛燃烧实验的设计,在操作层面上对教科书实验设计提出商榷,深入研究文献成果的特点,透析不同熄烛方式的原理,利用蜡烛在氧气中燃烧设计蜡烛燃烧实验探究活动,完成蜡烛燃烧产物的检验㊁观察烛油的形成和隔空点烛实验的改进和探究㊂
关键词:初中化学;蜡烛燃烧;熄烛原理;隔空点烛;实验设计胡巢生,江苏省宿迁市钟吾国际学校,高级教师㊂
㊀㊀一㊁问题的提出
蜡烛燃烧与学生的生活联系十分紧密,是一个探究 精品 ㊂有研究者从不同的角度撰文对蜡烛燃烧问题进行探讨[1]㊂3个版本教科书[2
-4]
多次使用蜡烛燃烧设计实验探究活动,
涉及蜡烛燃烧㊁蜡烛的组成元素㊁燃烧条件等(见表1)㊂3个版本均将 对蜡烛及其燃烧的探究 安排在第一章(单元)作为重要的探究实验㊂人教版和沪教版将其作为第一个学生探究实验,旨在通过对该实验的观察㊁记录㊁分析,学习科学探究的方法,并激发学生对化学的学习
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㊀㊀㊀㊀㊀㊀
表1㊀3个版本教科书利用蜡烛燃烧设计的探究内容
人教版
鲁教版
沪教版
蜡烛
燃烧实验石蜡的性质观察颜色㊁状态㊁形状㊁硬度㊁闻一闻气味㊁与水的密度大小比较仔细观察点燃时㊁燃烧过程中㊁熄灭时㊁熄灭1min 后的现象取一段蜡烛,观察外观特征(如颜色㊁形状等)火焰各层温度比较取一根火柴梗,插入火焰中,约1s 后取出,观察不同部位的烧灼情况
水蒸气的检验
在火焰上方罩上一个干燥的烧杯在火焰上方罩上一个冷而干燥的烧杯在火焰上方罩一个干冷的小烧杯
二氧化碳的检验用澄清石灰水湿润内壁的烧杯罩在
火焰上方
将罩在火焰上方的烧杯迅速倒置,向其中加入少量澄清石灰水
白烟复燃
实验点燃蜡烛刚熄灭时产生的白烟
将一根短尖嘴玻璃管末端插入烛芯附近,火柴尖嘴处点燃,产生 子母焰 取一小段粗玻璃管,从蜡烛火焰中引出 白烟 (未点燃)在氧气中燃烧
点燃用燃烧匙㊁铁丝固定的蜡烛,伸入盛满氧气的集气瓶中点燃固定在燃烧匙的蜡烛,由上而下缓慢伸入集满氧气的集气瓶中
生成炭黑把冷碟子放在火焰的上方
把玻璃片放在火焰的上方
CO 2灭烛实验烧杯中阶梯㊁一支蜡烛熄灭实验描述:烧杯中阶梯蜡烛熄灭实验
烧杯中阶梯蜡烛熄灭实验
物质燃烧的条件
利用蜡烛和烧杯探究蜡烛在不同条件下的燃烧粗金属丝绕成的线圈罩在一支蜡烛的火焰上点燃的蜡烛作为粉尘爆炸实验的明
火;灭火的几种方法
兴趣㊂鲁教版教材通过提出相关问题㊁对蜡烛燃烧和熄灭的猜想㊁蜡烛燃烧的火焰现象㊁产物和熄灭蜡烛火焰的实验探究环节,体会化学探究活动的特点㊂因此,该实验的成败与否将直接影响到学生对化学探究实验的兴趣和对初中化学学科的第一印象㊂
3个版本教科书都采用烧杯收集㊁检验二
氧化碳和烧杯冷却法检验水蒸气的存在㊂但对手拿烧杯的方式㊁烧杯是垂直还是倾斜㊁烧杯与火焰高度的关系㊁什么时间观察等均未作说明㊂人教版和鲁教版对烧杯的规格也未作说明㊂人教版和沪教版采用冷碟子和玻璃片置于蜡烛火焰的上方,收集炭黑,说明蜡烛由碳元素组成,在空气中易发生不完全燃烧㊂由于石蜡含碳量较高,且熔化和气化都会消耗掉较多的热量,在火焰接触到受热物体时发生不完全燃烧㊂火焰燃烧时缺氧程度越大,蜡烛燃烧越不完全,产生的黑烟也就越多㊂
笔者通过实践发现,人教版教科书的实验设计效果并不理想㊂①时值9月,气温较高,将干燥的烧杯罩在火焰上方,水雾较少,基本观察不到现象,且烧杯很快变黑,一定程度上减弱实验现象㊂②将一个内壁用澄清石灰水润湿的烧杯罩在火焰上方,以检验二氧化碳,解释较勉强㊂原因有三:①可能是水分蒸发,致使Ca(OH)2固体析出;②可能是溶液受热,使Ca(OH)2的溶解度降低,致使Ca (OH)2固体析出;③可能是其与二氧化碳反应所致㊂因此,实验后迅速将烧杯正放,加入少量澄清石灰水,振荡,观察现象比较合适㊂
很多研究者认为教科书中的白烟复燃实验设计成功率较低,进行了很多的改进,但有的实验改进虽然符合科学性,也有一定的创造性,但操作繁琐㊁装置复杂㊂
㊀㊀二㊁对相关文献的简评
笔者认真梳理㊁分析近几年有关该实验创新的研究发现,对熄烛后白烟的复燃方法的研究较多,专门检验二氧化碳和水的研究较少,鲜有针对燃烧产生的黑烟性质的探究实验㊂
(一)蜡烛燃烧气体的成分
刘潇珂等发现从蜡烛燃烧的内焰与外焰结合区域引出的气体中不仅含有石蜡蒸气和一氧化碳,而且还含有能使酸性高锰酸钾溶液和溴水褪色的物质,再分别通入银氨溶液和氯化亚铜氨溶液中,分别产生了白色和红色沉淀,得出在蜡烛燃烧的气体产物中可能含有末端炔烃和烯烃等物质[5]㊂潘国荣㊁白显圣用透明的圆柱形去底塑料瓶㊁90ʎ弯尾球形干燥管㊁铁架台等组装实验装置,蜡烛燃烧时,瓶壁中下部位产生
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雾状,干燥管里的澄清石灰水变浑浊,说明蜡烛燃烧的产物有水和二氧化碳[6]㊂叶红艳将蜡烛放置在液封集气瓶中燃烧,同时验证玻璃瓶罩内部出现大量水雾㊁石灰水表面出现白膜㊁漏斗内部有大量白烟,白烟复燃的成功率大大提高[7]㊂
(二)隔空点烛
邓继红等通过对照实验,揭示影响实验成功的主要因素为:棉芯粗细㊁燃烧时间㊁熄灭方式㊁白烟采集方式㊂认为较理想做法为选择粗棉芯蜡烛,用嘴垂直向下快速吹灭,用颈短腹大的合适漏斗,可使白烟成聚拢状态㊁浓度较大地上飘[8]㊂王宝权利用石棉网上的铁丝网从火焰的下部平切入蜡烛火焰,看到铁丝网上方的火焰熄灭并在上方形成一段悬空的白烟,点燃白烟,形成 悬浮之火 ,通过玻璃管引气㊁胶头滴管吸气㊁注射器抽气等方法聚集白烟[9]㊂姚孟建用一根受热的玻璃管套住蜡烛,对上升白烟起到了保温㊁防飘散的作用,并保持白烟基本上呈直线上升状态[10]㊂
上述这些实验改进的共同特点:减少外界因素的干扰,尽量保持白烟量大不脱离灯芯㊁温度高㊁聚集㊂当然,实验者点燃白烟的技巧㊁速度也是很关键的因素㊂
㊀㊀三㊁熄烛方式的原理分析
法拉第的报告‘蜡烛的故事“中有讨论:燃烧产生的高温气体和被加热的空气向上流动,同时周围的冷空气补充进来,对流使火焰总是向上,把蜡烛的火焰拉长㊂冷空气冷却了烛身顶部的外围,形成 烛杯 储存蜡油,使其能够源源不断地沿着烛心向上输送并燃烧㊂通常情况下蜡烛火焰的温度与可燃物的状态㊁燃空比㊁对流速度及气流的压力有很大的关系㊂蜡烛燃烧是自己提供完整的燃烧对流循环体系:熔化 气化 燃烧 空气对流 熔化 [1]刘立新认为要解释蜡烛燃烧的现象,要明确两个不同的 温度 :一个是燃烧部位的温度,另一个则是可燃物所处的环境温度,二者一般是不同的(见图1)㊂火焰的燃烧存在着温度的辐射,温度A足够高时,辐射的温度会使火
焰下面的蜡烛(蜡烛的最上层)熔化,融化的蜡
烛经过灯芯的毛细作用向上流动,当流动到接
近火焰的下界面时,火焰有更高的辐射温度㊂
这一温度足够使液态的蜡烛气化,满足燃烧条
件,产生持续的燃烧[11]㊂
图1㊀蜡烛燃烧时两个不同温度的图示
笔者将一支较粗的蜡烛点燃,慢慢放入盛
有水的小鱼缸中,发现蜡烛火焰经历稳定燃
烧 跳动 变小㊁跳动 逐渐熄灭的过程㊂熄
灭后没有观察到白烟的产生,还形成了很深的
烛杯[12]㊂这一熄灭过程和吹灭蜡烛的现象不同㊂吹灭蜡烛实质是把已经发生的燃烧反应所
产生的热能带走,也就是将温度A降低到着火
点以下而熄灭㊂通过倾倒二氧化碳㊁用烧杯完
全罩住燃着的蜡烛,则是使蜡烛隔绝氧气而
熄灭㊂
鲁教版教科书课后习题:将一个用导热性
能良好的粗金属丝(铜丝或铝丝)绕成的线圈
罩在一支蜡烛的火焰上,火焰很快就熄灭了㊂
如果预先将金属丝圈加热,再罩到蜡烛火焰上,
蜡烛就可以照常燃烧 这一现象就可以用 后续链受抑制 的原理加以解释㊂
由此可见,蜡烛燃烧产生白烟的多少不仅
取决于棉芯粗细㊁长短㊁燃烧时间,还取决于周
围环境的温度和蜡烛本身燃烧放出的热量㊂这
两个因素一定程度上决定着蜡烛气化的速率和
后续链反应能否持续进行㊂
㊀㊀四㊁创新实验设计
笔者努力改变传统的实验教学观,注重把
创新实验融入到化学教学实践中,从实践操作
层面阐释化学实验教学的具体途径与策略,着
力培养学生的科学思维㊁创新意识和实践能力㊂
改进蜡烛在氧气中燃烧实验,完美地完成蜡烛
完全燃烧产物的检验㊁炭黑的生成㊁观察烛油的
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形成和隔空点烛实验㊂
(一)实验仪器及药品
试管㊁酒精灯㊁集气瓶㊁毛玻璃片㊁铁架台㊁带导管的单孔塞㊁燃烧匙㊁高锰酸钾㊁药匙㊁1.5cm左右有烛杯且烛芯较长的蜡烛㊁火柴㊁小木条㊂
(二)实验操作步骤㊁现象与结论
①用加热高锰酸钾制取并用向上排空气法收集一集气瓶的氧气,将蜡烛固定在燃烧匙内㊂②在空气中点燃蜡烛,待其烛杯中储有较多的蜡油时,移开集气瓶上的毛玻璃片,调节蜡烛位于集气瓶竖中轴线位置从上向下慢慢伸入集气瓶中㊂观察到蜡烛剧烈燃烧,发出白光,大量蜡油滴落,随着氧气量的减少,有黑烟冒出㊂③待火焰减弱,立即从集气瓶提出蜡烛,用嘴垂直向下吹灭蜡烛,大量的白烟延伸约7cm-8cm,立即用燃着的木条在距离烛芯约2cm-3cm处点燃白烟,可以看到明显的细小的火焰向下蔓延并立即点燃蜡烛㊂
④稍后,观察到集气瓶内壁上部有较多的水珠㊁毛玻璃片上有少许炭黑,向集气瓶中倒入少量澄清石灰水,振荡,澄清石灰水变浑浊㊂通过蜡烛在氧气中燃烧,增强了蜡烛燃烧的剧烈程度,从而大大提高了液化和气化的石蜡量,成功实现隔空点燃蜡烛刚熄灭产生的白烟㊂同时,随着集气瓶中氧气量的减少,石蜡蒸汽发生不完全燃烧,生成CO和炭黑㊂
㊀㊀五㊁结语
该创新实验设计放大了实验的效果,在实验设计㊁实验方法㊁探究功能㊁绿色化学㊁教学价值等方面,表现出更丰富㊁更深刻的内涵㊂这既有利于学生直接感受㊁认识物理变化和化学变化的差异,又有利于有关化学反应概念㊁原理的形成;既有利于初步训练学生的观察能力㊁动手能力和实验记录能力,又有利于增强对化学学科的理解能力㊂
因此,教师应充分挖掘化学实验的思想观念㊁方法特征和人文内涵,积极探索化学实验创新和教学创新之路,引导学生拓宽认识视角和认识思路,以锻炼学生的创新思维,开阔学生的学科视野,提高学生的实验探究能力,达到提升学生化学学科核心素养之目的㊂
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(责任编辑:李巧红)
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