对蜡烛燃烧过程的探究

北京师范大学（100875）魏锐

北京师范大学鄂尔多斯附属学校（017000）方芳

北京市第八中学（100033）杨萌

1灭烛复燃

为了说明烛芯处有可燃气体，人教版教材中使用的实验是吹灭蜡烛，用燃着的火柴接触白烟便可复燃蜡烛。而实验中因白烟的散逸，很难点燃。那么，能否使火柴在距离烛芯更远的位置点燃蜡烛，以增强实验的趣味性呢？

在探讨具体的实验方案之前，我们先介绍一种设计实验的重要思维策略——溯因思维（或称作溯因推理）。在探索自然奥秘的科学思维中，溯因推理是一种不可或缺的思维形式，溯因推理是根据已观察到的现象去猜测其内在机理的思维形式。在实验设计中，运用溯因推理的思维形式推测产生实验现象或者达到预期目的的内在机理，然后从其内在机理出发进行实验改进。抓住了内在机理，会使实验改进的方向更加具有针对性和目的性，思维过程更加有序化，实验改进更加有效。

1.1溯因思维1

蜡烛熄灭后上升的白烟越聚集，越容易引燃火柴，而吹灭蜡烛容易使白烟飘散。如何减少白烟的飘散呢？答案是要减少熄灭蜡烛时对火焰的扰动。接着再追问：还有什么方法可以熄灭蜡烛？进而可以追溯燃烧的条件和灭火的途径，撤去可燃物自然不可行，降低温度也不易行，隔绝空气最容易实现。北京市石景山区的特级教师白福秦老师用铜片制作成锥形“灭烛罩”，用它把蜡烛罩灭，可使白烟上升得更为稳定。用金属制作的原因在于其容易加工，导热性好，兼具隔绝空气和降低温度的双重作用。若用简便易得的小容器，例如：青霉素小瓶、酒精灯帽、半截试管等进行实验，也可以取得类似的效果。

实验卡片1罩灭蜡烛复燃

（1）取一根普通蜡烛，点燃。

（2）用青霉素小瓶罩在蜡烛火焰上。

（3）蜡烛熄灭后迅速移开青霉素小瓶，并将一根燃着的火柴至于火焰上方接触白烟，可观察到一条火舌将蜡烛引燃。

1.2放大思维1

若期望增大复燃时火柴与烛芯的距离，白烟越多越浓重，效果越好。那么，如何使白烟更浓呢？通过加粗蜡烛和烛芯就可以实现。

这便涉及到设计实验的另一个重要的思维策略——放大思维，放大思维是顺承溯因思维的思维策略。通过溯因思维找到实验改进的思路和切入点，对这些切入点的特征进行放大甚至是夸张处理，使其特征更加突出，能够有效增强实验的效果。

加粗蜡烛和烛芯可以使灭烛复燃的效果更加明显。白福秦老师制作的蜡烛直径约2.5 cm，烛芯直径约6 mm，配合“灭烛罩”使用，熄灭后可在烛芯上方10 cm以上的地方引燃蜡烛。顺着这一思路还可以进一步放大，将酒精灯的灯芯放在熔化的石蜡中浸透，团成一团放在石棉网上点燃，用漏斗罩灭，点燃漏斗颈口处的白烟，轻轻向上提起漏斗，则看到漏斗颈口处的火焰顺着漏斗颈向下移动，迅速引燃棉线。

实验卡片2浸有石蜡的酒精灯芯复燃

（1）取约10 cm长的粗棉线（没用过的酒精灯芯），放在融化的石蜡中浸透（相当于蜡烛）。

（2）取出棉线，使之成为一团，放在石棉网上点燃。

（3）棉线燃烧片刻后，用一直径60 mm、高100 mm的漏斗罩住，少顷可看到燃烧的棉线全部熄灭。

（4）这时点燃漏斗径口处的白烟，可看到白烟被点燃，发出蓝色的火焰。

（5）轻轻向上提起漏斗，则看到漏斗径口处的火焰顺着漏斗径向下移动，迅速引燃了棉线。

改进后的实验能清楚地看到：蜡烛刚熄灭后产生的白烟能够被点燃，燃着的白烟能将已熄灭的棉线引燃。

1.3反向思维1

人类的思维具有方向性，存在着正向与反向的差异，由此产生了正向思维与反向思维两种形式。正向思维是指沿着人们的习惯性思考路线去思考，而反向思维则是指背逆人们的习惯性思维路线去思考。目前中学化学教学中的核心实验，绝大多数都已经形成稳定的实验方案，对于优化实验的方向也都有了习惯性的预期，若反其道而行之，也许会有意想不到的收获。这就是另一种设计实验的思维策略——反向思维。

若使灭烛复燃的现象更明显，习惯性的思考路线是加粗蜡烛和烛芯。反向思维，细的蜡烛就不行吗？笔者使用市售直径约9 mm的小蜡烛，用约5 cm长的半截试管罩灭，也可以在火柴距离烛芯5 cm以上的地方将蜡烛引燃。大蜡烛可使演示实验现象更直观，小蜡烛可用于学生分组实验，在教学中各取所长。

2引出白烟并点燃

沪教版教材说明从蜡烛火焰中，用玻璃管可以引出一缕白烟并点燃，如图1所示。实际操作时，实验效果很不理想。引出白烟倒没问题，但点燃时火焰不能连续。实验改进的目的是引出更多的白烟，使引出的白烟更容易被点燃。

2.1溯因思维2

从火焰的哪个部位能引出更多的白烟？对于这个问题的追问，不难回答：焰心处烛芯的顶部是火焰中白烟最多的部位。在引出白烟时，玻璃管的一端应保持在这个位置。尽管这一溯因并没有引发实验的改进，却可以使我们明确了一个实验演示的注意事项。

2.2溯因思维3

如何引出更多的白烟？需要玻璃管伸入火焰的一端的直径较大，从而产生改进实验的思路：将玻璃管一端扩大后能否起到更好的效果。

2.3溯因思维4

如何使白烟更容易被点燃？由这一问题出发可以猜想：若玻璃管点燃白烟的一端变细，则白烟被聚集，从而更容易被点燃。

将“溯因3”与“溯因4”的改进思路结合起来，即玻璃管的一端变粗，另一端变细，最简单的用品是直径较粗的尖嘴玻璃管，当然尖嘴不可太细，这样可能会阻碍白烟的流出。笔者选用直径为7 mm、9 mm，尖嘴处直径约为3 mm，长度为5 cm、8 cm的尖嘴玻璃管进行实验，均取得了很好的实验效果。

实验卡片尖嘴粗玻璃管引出白烟并点燃

（1）取一根普通蜡烛，点燃。

（2）取一根直径约9 mm、尖嘴处直径约为3 mm、长8 cm的玻璃管。左手持玻璃管，将其粗的一端至于火焰的焰心处，可观察到尖嘴处有白烟引出。

（3）右手持打火机点燃引出的白烟，可观察到微小的淡蓝色火焰。

说明：因玻璃管较长，用手持玻璃管比镊子操作更方便。使用打火机可免去擦燃火柴的麻烦，且火柴将燃尽时会烧手。

2.4放大思维2

实验设计

如果进一步放大，继续加粗收集端的直径，收集的效果不是会更好吗？一端大、一端小的漏斗可以看做是放大甚至是夸张了的尖嘴导管。有文献称将漏斗倾斜45 °，罩在火焰上并靠近焰心，从漏斗颈引出的白烟容易被点燃，如图2所示。但经笔者实验，发现该方法无法成功。因将漏斗一侧压在火焰上时，由于空气对流另一侧可有大量的空气补充进来，这样即使有白烟引出，也会与空气混合并被蜡烛火焰引燃，引出的只是浓重的黑烟。

这个实验带给我们的启示是，化学是一门实验的学科，一个好的想法必须付诸实践检验是否可行；另外，放大思维的放大过程也是有限的，超出一定的限度则适得其反。

2.5反向思维2

若对该实验进行改进，我们的习惯性预期一般为：白烟在引出过程中路径越短、阻力越小，引出就越顺畅，燃烧的效果应越好。于是，正向思维的路线是采用直的、尽可能短的玻璃管。若进行尝试会发现，玻璃管越短，用镊子夹取就越不方便，且并未发现更明显的燃烧现象。采用反向思维，与“直”和“短”相反的特征是“长”和“弯”。若进行实验研究，可制作不同长度、不同夹角、不同弯折次数的弯管，比较用它们做实验的效果是否存在差异。已有研究表明，N形弯管或水平部分长度超过10 cm的直角弯管，能取得更好的实验效果，是由于白烟在较长的曲管中行进的路程较长，因此曲管对形成的白烟有冷却、缓冲和聚集的作用，有利于产生速率平稳的白烟。

实验卡片4曲管引出白烟

（1）取一根弯曲的玻璃管，把它的一头深入火焰的焰心，可以观察到有白烟钻进玻璃管，从另一头冒了出来。

（2）若在另一头放个玻璃瓶，可以感觉到白烟比较重，向瓶底降落。过一会儿，瓶中充满了白烟，并有部分白烟冷凝，如图3所示。

（3）有2个弯角的导管（N形管）可用做白烟聚集器，如图4所示。曲管无需特别加工、订制，通过胶管把收集气体用的短弯管与短直角导管（其实对弯角角度没有太高的要求）连接起来即可。点燃蜡烛约1 min后白烟从导管缓缓冒出，便可持续点燃白烟。

（4）由于直角导管只有1个弯角，所以采用直角导管做聚集器时，导管的另一侧至少需要10 cm长，如图5所示。长玻璃管能延长白烟的滞留时间，一定程度上起着聚集作用。点燃蜡烛约1 min后白烟从导管缓缓冒出，便可持续点燃白烟。

2.6放大思维3

若对长、弯的玻璃管所能起到的作用进行溯因，由于它们“能延长白烟的滞留时间，在一定程度上起到聚集作用”，因此改善了实验效果。接下来还可以进一步采用放大思维，即如何让聚集的效果更加明显？制作玻璃管连接干燥管、玻璃管连接试管的装置，引出的白烟可持续燃烧。

实验卡片5用干燥管、大试管聚集白烟并点燃

（1）以球形干燥管（通过试管夹、冷凝夹固定在铁架台上，下同）作为聚集器，如图6所示，可以看到蜡烛白烟像舞台上的烟雾一样，在干燥管大小球内的下半部流动，点燃蜡烛约2 min后白烟从干燥器末端缓缓冒出，便可持续点燃白烟。这时，既使熄灭蜡烛，由于干燥管里聚集有较多白烟，末端的小火苗至少会持续10 s。

（2）以大试管作为聚集器，如图7所示，可观察到蜡烛白烟在试管内慢慢聚集，点燃蜡烛约8 min后，白烟从导管缓缓冒出，便可持续点燃白烟。

3抽出白烟并点燃

3.1溯因思维5

若对该实验的过程继续追问：白烟是如何出来的？是用玻璃管导出的，是一种自动的流动。由这种“自动”的方式出发进行思考：是否有比“自动”更为高效的措施？那就是采用“被动”的方式。换句话说，若用一个装置把白烟抽取出来，不是会更有效吗？我们身边唾手可得的用品就是胶头滴管，可以用它来设计实验吗？

实验卡片6胶头滴管取出白烟并点燃

（1）将胶头滴管的尖嘴伸入焰心的烛芯上端，挤压胶头后缓缓松开，就可以看见白烟被吸入滴管中。

（2）将滴管移出，尖嘴靠近蜡烛火焰，挤压胶头，可观察到白烟燃烧，如图8所示。

这一改进方案可以实现观察白烟和点燃白烟的双重功能。类似的，将尖嘴处于火焰中的不同

部位，抽取烟气，会发现烟气的状态与点燃的效果均不同。例如，在火焰最为明亮的部位抽出的烟气较稀薄，颜色发黑。如果在胶头滴管后衬一张白纸，并挤出烟气，可观察到明显的黑烟。

3.2放大思维3

用胶头滴管可以抽出白烟，但胶头体积较小，抽取白烟并不高效。借助放大思维，如果增大胶头的容积就能够提高抽出白烟的效率。若要把胶头放大，洗耳球与胶头材质和形状都相似，最容易想到，注射器也是可以实现抽出白烟功能的大容器。

实验卡片7注射器抽出白烟并点燃

（1）把胶头滴管的胶头取下，取一支10 ml的塑料注射器，将注射器与滴管连接（挑选合适的滴管，可使注射器前段细颈恰好能伸入滴管大口端），如图9所示。

（2）滴管的尖嘴伸入焰心的烛芯上端，缓缓抽动

注射器的活塞，可看到白烟经滴管流入注射器中。

（3）将滴管移出，尖嘴靠近蜡烛火焰，推注射器的活塞，可观察到白烟燃烧。由于用注射器抽出的白烟较多，可以观察到白烟燃烧形成稳定的火焰，火焰的大小可由推注射器的速度控制。

若将注射器直接连接针头，便是这个装置的简化版。但由于针头太细，冷凝的白烟容易堵塞针头，故使用胶头滴管与注射器配合效果更好。

4说明

笔者在做上述实验的时候发现，有的品牌的蜡烛熄灭后有白烟，有的蜡烛则没有。后经查证文献，可能是由于石蜡的型号不同其熔点不同所致：熔点偏高的蜡烛，烛体偏硬，燃烧速度慢而充分，燃烧中和熄灭后烟少味小，但火焰小。熔点偏低的蜡烛，烛体软易变性，燃烧速度快而不充分，燃烧中和熄灭后烟大味浓。因此在购买蜡烛的时候，选取质软的品种，实验效果较好。

收稿日期：2014-11-23

基金项目：

本文为甘肃省教育厅“十二五”立项课题阶段成果之一，课题号是GS［2014］GHBZ092。