二氧化碳熄灭阶梯蜡烛实验的创新设计(一) 灭阶当倾倒二氧化碳时
1 化学教材中的氧化验实验方案
中学化学教材在探究二氧化碳化学性质时都不约而同地安排了 “二氧化碳熄灭阶梯蜡烛”的实验,如人教版九年级化学就设有该实验的碳熄梯蜡方案, 见图1。灭阶当倾倒二氧化碳时,烛实应该看到蜡烛自下而上依次熄灭的创新现象,这能说明 “二氧化碳的设计密度比 空气大”的物理性质,和 “二氧化碳既不能燃烧、氧化验 一般也不支持燃烧”的碳熄梯蜡化学性质。可见,灭阶实验的烛实成功对于学生形成物质概念十分重要
国内不同版本的教材采用的实验方案略有不同。沪教版中的创新阶梯蜡烛实验,在倾倒二氧化碳气 体时用玻璃片遮挡着蜡烛火焰,设计见图2;粤教版中的氧化验学生实验,则是碳熄梯蜡通过自制的喇叭形纸筒来倾倒 二氧化碳,见图3。灭阶
查阅文献资料可知,国内学者对二氧化碳熄灭蜡烛实验的改进主要从装置上着手:(1)通过增加 挡板的方法,如在烧杯内增加隔板、毛玻璃片等阻 挡物来阻止下沉的二氧化碳气体与上方蜡烛火焰接 触,可以避免上方蜡烛先熄灭;(2)利用改变二氧化碳气流通道的方法,例如添加纸筒、漏斗,或连接粗导管、箱体、长阶梯等来导引二氧化碳气流顺利下沉,从而保证下方蜡烛先熄灭。
2 本实验设计研究的意义
好的教学实验应该符合用品简单、现象明显、 安全可靠的原则。前面提到的实验方案中,图1的实验设计颇具代表性。观察证实,熟练教师进行 演示实验时一般都能成功,但师范生或中学生进行实验时的成功率偏低,他们常出现 “上方蜡烛先熄 灭”或 “2支蜡烛同时熄灭”的 “不正常”情况,因此许多研究者提出了多种改进方案。问题是,由于改进后的实验方案中添加了各式各样的辅助工 具,反而使实验复杂化了,以致在一定程度上影响了学生对实验原理的正确认知。
为了保持简约、直观的特点又能提高成功率, 在人教版教材实验方案的基础上进行了深入研究, 着力在 “阶梯蜡烛的设计”和 “二氧化碳气体倾倒 方法”处下功夫。与之前的改进方案不同,本文将用实验数据作支撑。
3 研究过程
“二氧化碳熄灭阶梯蜡烛”的实验原理并不复杂,在室温下,二氧化碳的密度为1.977g/L,大 于空气的密度 (1.293g/L)。一般会认为,倾倒的 二氧化碳气体会顺利下沉至烧杯底部,实验必然成 功,但却忽略了二氧化碳气体在下落过程中自身的 扩散以及蜡烛燃烧时产生的上升热气流对下降的二 氧化碳气体所造成的影响。为此,进行了2方面的 改进。
3.1 阶梯蜡烛的改进
如图1-图3中搭建的阶梯蜡烛占据了烧杯约 2/3的空间,其燃烧产生的上升热气流容易阻挡二 氧化碳下降的通道。为了减小占用空间,改良了阶梯蜡烛的设计:将2支燃烧匙用细铁丝捆绑后分别朝向左和右,再将石蜡熔入燃烧匙中,加棉芯,制 成阶梯蜡烛。铁丝带有挂钩,可固定在烧杯中,还 可随意调节2支燃烧匙的间距,方便实验研究,见 图4。
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