陳伯瀚 賈喜珍

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

關(guān)鍵詞：蠟燭;燃燒時(shí)間;反應(yīng)速率;氧氣體積分?jǐn)?shù)

文章編號：1008-0546（2022）10x-0096-02中圖分類號：G632.41文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

在講授空氣中氧氣含量測定時(shí)，有學(xué)生提出，可以研究氧氣濃度和蠟燭燃燒時(shí)間的關(guān)系，進(jìn)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(biāo)準(zhǔn)曲線測定濃度。受到學(xué)生的啟發(fā)，設(shè)計(jì)下面的實(shí)驗(yàn)方案。

一、實(shí)驗(yàn)方案

1.蠟燭燃燒時(shí)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(shí)間。測定蠟燭高度和燭芯長度對燃燒時(shí)間影響的實(shí)驗(yàn)時(shí)，均使用空氣。測定氧氣體積分?jǐn)?shù)對燃燒時(shí)間影響的實(shí)驗(yàn)時(shí)，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?dú)饣旌蠚獾姆椒ǎ菏褂?85mL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?jǐn)?shù)的氧氣氮?dú)饣旌蠚怏w。

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?jǐn)?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(shí)驗(yàn)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(shí)間的影響

實(shí)驗(yàn)1：實(shí)驗(yàn)用蠟燭燭芯長度均為0.5cm，測得蠟燭燃燒時(shí)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(shí)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(shí)，蠟燭就會(huì)熄滅。由于燃燒時(shí)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(shí)間的影響

實(shí)驗(yàn)2：實(shí)驗(yàn)用蠟燭高度均為2cm，測得蠟燭在集氣瓶中燃燒時(shí)間隨燭芯長度增大而減少，如表2所示。實(shí)驗(yàn)時(shí)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(dāng)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?dú)獗壤龑ο灎T燃燒時(shí)間的影響

實(shí)驗(yàn)3：使用氧氣氮?dú)饣旌蠚怏w測定時(shí)，實(shí)驗(yàn)用蠟燭高度均為2cm，蠟燭燭芯長度為0.5cm。不同氧氣體積分?jǐn)?shù)時(shí)，蠟燭燃燒時(shí)間的數(shù)據(jù)如圖2所示。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明：隨著氧氣體積分?jǐn)?shù)增大，蠟燭燃燒時(shí)間先增大，后減小。實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象是：隨著氧氣體積分?jǐn)?shù)增大，蠟燭燃燒劇烈程度逐漸增大，當(dāng)氧氣體積分?jǐn)?shù)大于60%時(shí)，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?jǐn)?shù)越大，這兩個(gè)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(shí)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(dāng)氧氣體積分?jǐn)?shù)在20%～50%之間時(shí)，氧氣總量增大使燃燒時(shí)間延長的影響為主要因素，燃燒速率增大使燃燒時(shí)間縮短的影響為次要因素。當(dāng)氧氣體積分?jǐn)?shù)在5%～100%之間時(shí)，蠟燭燭芯長度的變化會(huì)使氧氣總量增大和燃燒速率增大兩個(gè)影響因素的主次關(guān)系調(diào)換。此外，結(jié)合實(shí)驗(yàn)1結(jié)論，蠟燭高度變短會(huì)延長燃燒時(shí)間，但這與實(shí)驗(yàn)3結(jié)果不符，說明蠟燭高度變化在實(shí)驗(yàn)3中也為次要因素。

4.氧氣和二氧化碳比例對燃燒時(shí)間的影響

實(shí)驗(yàn)4：實(shí)驗(yàn)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?jǐn)?shù)時(shí)，蠟燭燃燒時(shí)間數(shù)據(jù)見圖2。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明：氧氣體積分?jǐn)?shù)10%時(shí)，蠟燭不能燃燒，20%至90%時(shí)，隨著氧氣體積分?jǐn)?shù)增大，蠟燭燃燒時(shí)間增長，體積分?jǐn)?shù)與燃燒時(shí)間存在較好的線性關(guān)系。90%至100%時(shí)，燃燒時(shí)間比較接近。實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象是：隨著氧氣體積分?jǐn)?shù)增大，蠟燭燃燒劇烈程度逐漸增大。在氧氣體積分?jǐn)?shù)80%～100%時(shí)，和實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)3和實(shí)驗(yàn)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(shí)，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(shí)間是一個(gè)多因素影響的復(fù)雜問題，其本質(zhì)和三個(gè)因素有關(guān)：氧氣總量、燃燒速率、熄滅時(shí)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(huì)影響支持蠟燭燃燒的最低氧氣濃度。[4]

本實(shí)驗(yàn)之所以會(huì)研究蠟燭燭芯長度對燃燒時(shí)間的影響，源自對不同濃度氧氣氮?dú)饣旌蠚怏w燃燒時(shí)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?jǐn)?shù)60%～100%時(shí)，曲線最多只會(huì)趨于平緩，但不會(huì)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(shí)，實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了燭芯長度對反應(yīng)速率的影響。

參考文獻(xiàn)

[1]柴建波.實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)的教學(xué)設(shè)計(jì)[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(yùn)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(jìn)行驗(yàn)證[J].化學(xué)教育，2018，39（21）：63-69.