李德前 周梅華 張羿

摘要： 利用亞克力塑料板制作一個敞口的實驗盒，通過實驗盒中間的隔板可以排除煙囪效應對傾倒氣體操作的干擾。在實驗盒里依次進行傾倒氧氣助燃、傾倒二氧化碳滅火兩個組合實驗，不僅現(xiàn)象有趣，而且結論可靠。豐富了實驗教學資源，提高了實驗教學效果。

關鍵詞： 傾倒氧氣助燃; 傾倒二氧化碳滅火; 實驗組合設計

文章編號： 1005-6629（2021）03-0067-04

中圖分類號： G633.8

文獻標識碼： B

1? 問題的提出

1.1? “傾倒二氧化碳滅火”改進實驗存在煙囪效應干擾

“傾倒二氧化碳滅火”實驗是現(xiàn)行各個版本的初中化學或科學教科書中的經典實驗，針對該實驗的不足，一線教師作了許多改進，其中不少的改進方案都能出現(xiàn)標準預設現(xiàn)象（即蠟燭自下而上依次熄滅），但這些改進裝置[1～3]（如圖1所示）在傾倒氣體時又強

化了煙囪效應，使蠟燭燃燒區(qū)域上升的熱氣流對傾倒的氣體形成了較強的拔風、抽吸作用。

設想在圖1所示的三個改進裝置中，如果傾倒的是密度比空氣小的氮氣，那么氮氣也會使蠟燭自下而上熄滅，因為煙囪效應造成大量的氮氣被吸入燒杯底部[4]。因此，“傾倒二氧化碳滅火”實驗必須排除“煙囪

效應”對氣體傾倒操作產生的干擾。

1.2? 教科書上沒有設計“氧氣密度比空氣大”實驗

現(xiàn)行各個版本的初中化學或科學教科書上均沒有編排“氧氣密度比空氣大”的實驗，教材的編寫者都是通過語言陳述直接給出“氧氣密度比空氣大”的知識。這樣處理，使教學缺乏直觀性和說服力，學生對此知識點只能死記硬背。

由此設想，利用“傾倒二氧化碳滅火”的改進裝置進行“傾倒氧氣助燃”實驗，以驗證氧氣支持燃燒、密度比空氣大等性質。

2? 實驗的改進和創(chuàng)新

2.1? 改進思路

利用無色和黑色的兩種亞克力塑料板，設計一個長方體形狀的實驗盒，上面敞口;在實驗盒中間加設一塊可以上下移動的豎向隔板（相當于閘門），將實驗盒劃分為“蠟燭燃燒室”和“氣體傾倒室”兩部分（如圖2所示）。

在傾倒氣體助燃或滅火實驗中，當按下隔板后再進行傾倒氣體操作，就可以排除煙囪效應對傾倒的氣體所產生的抽吸作用。

2.2? 實驗用品

氧氣、二氧化碳、較細的蠟燭、線香;自制的實驗盒、500mL的寬口塑料瓶、氧氣傳感器（含數(shù)據(jù)處理軟件）、火柴、細木條、酒精燈、細沙等

2.3? 制作實驗盒

（1） 截取15cm×9cm的無色透明亞克力塑料板一塊，用作實驗盒的正面（便于學生觀察實驗盒內的現(xiàn)象）;截取15cm×9cm的黑色亞克力塑料板一塊，用作實驗盒的背面;截取9cm×6cm的黑色亞克力塑料板三塊，兩塊用作實驗盒的左右側面，一塊作為實驗盒中間的隔板;截取15cm×6cm的黑色亞克力塑料板一塊，用作實驗盒的底面。

（2） 按圖3所示，借助無影膠，將用作正面、背面、左側、右側和底面的5塊亞克力塑料板粘合成一個實驗盒（其容積約為810mL）。

（3） 在實驗盒前后兩塊塑料板正中的對應內壁上，粘接兩條豎直的凹槽;將隔板插入凹槽中，使其像閘門一樣能上下自由移動（如圖3所示）。

（4） 也可以借助3D打印技術，使實驗盒直接成型。

2.4? “傾倒氧氣助燃”實驗

（1） 向實驗盒的底部加入適量的細沙（不超過實驗盒容積的1/4），用于固定蠟燭或線香，同時方便調整蠟燭或線香露出細沙的高度。

（2） 取兩支細蠟燭、兩根線香，分別插入細沙中，并使兩根蠟燭、兩根線香露出細沙的高度不同（如圖4所示）。

（3） 找兩個500mL的寬口塑料瓶，采用排水法，分別收集一瓶氧氣、一瓶二氧化碳，旋緊瓶蓋后備用。

（4） 點燃酒精燈，借助細長的木條，引燃蠟燭、線香;旋開盛有氧氣的塑料瓶蓋，將瓶中的氧氣緩緩注入氣體傾倒室里（如圖4所示）。

（5） 估計氧氣完全倒出后，輕輕提起實驗盒中間的隔板，立即觀察到蠟燭燃燒更旺，發(fā)出白光，帶有火星的線香也劇烈燃燒起來，產生近乎白色的火焰。

上述實驗現(xiàn)象說明，傾倒氧氣時，在沒有煙囪效應干擾的情況下，氧氣能自由地較快地大量下沉。氧氣在空氣中能夠大量下沉，表明氧氣的密度比空氣大[5，6];在提起中間的隔板后，蠟燭、線香燃燒更旺，這又說明了氧氣能支持燃燒。

2.5? “傾倒二氧化碳滅火”實驗

（1） 當蠟燭、線香的燃燒恢復到正常狀態(tài)時，按下中間的隔板，將蠟燭燃燒室與氣體傾倒室再次隔開。

（2） 旋開盛有二氧化碳的塑料瓶蓋，將瓶中的二氧化碳氣體緩緩注入氣體傾倒室里。

（3） 估計二氧化碳完全倒出后，輕輕提起實驗盒中間的隔板，立即觀察到蠟燭、線香均從低到高依次熄滅（如圖5所示）。

上述實驗現(xiàn)象說明，傾倒二氧化碳時，在沒有“煙囪效應”干擾的情況下，二氧化碳能自由地較快地大量下沉。二氧化碳在空氣中能夠大量快速下沉，表明二氧化碳的密度比空氣大[7，8];在提起中間的隔板后，燃著的蠟燭、線香均被熄滅，這又說明了二氧化碳不燃燒，也不支持燃燒。

（4） 實驗結束，整理實驗用品，引導學生完成實驗報告。

2.6? 幾點說明

（1） 實驗盒中間的隔板與兩邊的凹槽應較為吻合，以防蠟燭燃燒室與氣體傾倒室隔離不徹底，影響實驗效果。

（2） 放有細沙的實驗盒總容積約是600mL，其中氣體傾倒室和蠟燭燃燒室的容積各占300mL左右，塑料瓶內氣體的體積約是500mL。由于一部分氣體在傾倒時會逃逸到實驗盒外面的大氣中，因此塑料瓶內的氣體要盡量完全倒出，以確保有足量的氧氣或二氧化碳進入實驗盒內。多次實驗發(fā)現(xiàn)，在緩慢傾倒塑料瓶中的氣體時，一般傾倒12～15s能將氧氣完全倒出、8～11s能將二氧化碳完全倒出。

（3） 如果實驗裝備條件允許，在“傾倒氧氣助燃”實驗中還可以借助氧氣傳感器來定量說明“氧氣傾倒后能很快地大量下沉”（如圖6、圖7所示）。

分析圖7中的曲線不難發(fā)現(xiàn)，在傾倒氧氣后，“氣體傾倒室”內氧氣濃度明顯增大（如圖AB段），在傾倒氧氣大約到第25s時，氧氣濃度達到最大值，約62%（見圖中B點），充分說明氧氣在空氣中能夠較快地大量下沉。

另外，提起實驗盒中間的隔板后，氧氣濃度先快速下降（因為大量的高濃度氧氣從高處流入低濃度氧氣區(qū)域，并有煙囪效應相助，如圖中BC段），然后緩慢下降（主要是燃燒消耗氧氣），直至與環(huán)境值一致（燃燒結束，實驗盒內外的氣體發(fā)生交換）。

3? 對實驗的評價

（1） 利用上述實驗盒，首先驗證“氧氣密度比空氣大、支持燃燒”等性質，然后驗證“二氧化碳密度比空氣大、不燃燒、不支持燃燒”等性質，兩個不同性質的實驗在同一裝置內科學銜接、巧妙融合，提升了課堂實驗教學的效益。

（2） 上述實驗盒設計新穎，制作簡單，操作簡便，現(xiàn)象有趣，結論可靠，由現(xiàn)象到結論自然流暢，充分體現(xiàn)了實驗教具的科學性和實用性，有利于培養(yǎng)學生嚴謹求實的作風，并發(fā)展學生的科學探究能力和理性思維。

（3） 本實驗既可用于課堂演示，也可作為學生分組實驗，有助于學生認識氧氣和二氧化碳的性質，并激發(fā)他們的學習興趣和創(chuàng)新意識。

（4） 該實驗盒充實了中學化學實驗教學資源，為“開齊開足開好化學實驗”積累了必要的物質基礎，具有一定的推廣和應用價值。

總之，化學實驗創(chuàng)新永無止境，沒有最好只有更好。吸取前人的研究成果，融合自己的創(chuàng)新思路，就可以對化學實驗不斷創(chuàng)新，對實驗裝置進行優(yōu)化，從而豐富中學化學實驗教學裝備，提高化學教學質量。利用本實驗盒進行化學實驗，使理論知識直觀化，科學知識趣味化，有助于培養(yǎng)學生尊重事實、追求創(chuàng)新、勇于探索的科學素養(yǎng)[9]，同時也有效提升教師的專業(yè)素養(yǎng)和業(yè)務能力。

參考文獻：

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[9]周梅華， 李德前. 對燃碳法“測定空氣中氧氣的體積分數(shù)”實驗的質疑與探究[J]. 化學教學， 2015， （2）： 56～59.