摘要:设计实验使纸筒、树叶或空心茎发生不完全燃烧,同时将产生的烟气导出点燃,这些现有教材中所没有的实验,供新课程安排教学所急需时用。 关键词:完全燃烧;不完全燃烧;烟筒;纸筒
文章编号:1005-6629(2010)03-0014-03 中图分类号:G633.8 文献标识码:C
目前在中学化学教学和科普教育中,人们常用蜡烛、煤炭等可燃物在缺氧条件下燃烧冒黑烟,或产生有毒气体的实验或事例来说明不完全燃烧概念,但是现有实验技术难以对它们燃烧后放出的烟气再次直接点火燃烧,从而不能直观地展示不完全燃烧的基本特征和主要危害。而我们用纸筒、树叶或空心茎做不完全燃烧实验,不仅克服了上述缺点,而且具有简易、更贴近生活的优点,正是新课程教学和科普教育所急需的好实验。
1 实验用品
白纸(或旧报纸)一张、白铁皮一小块、铁丝一段。或树叶、芦苇杆等。
2 教具制作
参见图1。
(1)纸烟筒的制作
取一张A4纸(或旧报纸),卷成两端直径大小不等的纸筒,其长度约30 cm,小端直径约1.2cm, 大端直径是小端的约3至4倍,如图1a所示。
(2)铁烟筒的制作
将白铁皮卷成两端直径大小不等的铁筒,其长度约15 cm,小端直径约1 cm,大端直径约2 cm,侧面的接缝用锡焊接牢,再将弯成U形的铁丝焊接到其侧面作为手柄即可,如图1 b所示。
(3)替代物的选择
纸烟筒可用树叶卷成的圆筒或芦苇秆等空心茎代替,铁烟筒可由玻璃管或牛角管等代替。
3 实验方法、现象、解释或结论
(1)单独用纸筒完成实验
将纸筒靠近小头的一半截的外表面用水润湿。然后手拿纸筒的润湿处,小头朝上倾斜,在其下部大头处点火,则燃烧产生的烟气从上口排出。稍后点燃烟气,可燃烧,火焰大且持续时间长(见图2)。因烟气由报纸不完全燃烧产生,其中含有大量可燃物(一氧化碳等物质)。
实验应在无风的场所进行,同时应根据烟气排放情况灵活调整烟筒倾斜角,使烟气长时间持续燃烧。
另外,值得做对比说明的是,纸筒与一张平整展开着的纸片在空气中燃烧相比,后者氧气供应相对比较充足,燃烧较完全,烟气中可燃物少,灰渣的颜色也略浅。
(2)纸筒插入铁筒中做实验
不用水润湿纸筒的一半截,而直接将其插入铁筒中。然后手拿铁筒的铁丝手柄进行上述相同的操作,则可看到烟气燃烧的火焰更大,持续时间更长(见图3)。原因是该方法中烟筒内的温度更高,不完全燃烧生成物中的木焦油类物质液化残留于筒内较少,使烟气中可燃物增多。
(3)纸筒插入玻璃管(或牛角管)中做实验
取一只内径约2 cm的玻璃管(或牛角管),将纸筒小头插入其中,用试管夹夹持进行实验,不仅可以证明烟气中有可燃物存在,而且在玻璃管内可看到褐色液体(见图4)。
其二,取焰色反应实验用的带细铁丝的玻璃棒,将细铁丝的头部弯曲成小环,用它蘸取该油状液体在酒精灯火焰上灼烧,蒸去水分使之浓缩,然后将铁丝从火焰上移开,发现铁丝上的物质可燃烧(见图5),证明褐色液体中含有可燃物(木焦油等物质)。
也可将油状液体(1滴以上即可)倒入燃烧匙中,在酒精灯火焰上点燃,效果很好。
其三,纸筒燃烧后的灰渣呈黑色,仍保持筒状且与未燃烧的纸筒及玻璃管连在一起,用酒精灯火焰灼烧它,发出明亮的光,残灰渐渐变薄变白,证明其中的黑色物质(无定形碳)也是可燃物(见附页照片)。
其四,本实验可以进行微型化设计:仅取一片扑克牌大小的纸片(或小纸条),卷成一个外径约1 cm的纸筒,将其一端插入内径约1 cm的玻璃管(或去掉挂钩和顶部螺丝的钢笔帽)中,用试管夹或镊子夹持进行实验。实验过程参看图6。
微型实验的用纸量很少,污染小,现象仍然很明显,适合于学生做分组探究。
(4)用树叶或植物的空心茎做实验
手指粗晒干的竹筒、芦苇杆、或其它空心茎、卷成筒状的树叶或笋衣,都能代替纸筒完成实验。而且这样做能更确切地说明生物质能的利用和相关的环境问题。参看图7和图8。
4 实验的应用
(1)初中教育
在初中化学课程主题五《化学与社会发展》中的“化学与能源和资源的利用”教学中,该实验可以说明燃料完全燃烧的重要性,并直观地展示不完全燃烧的“燃烧后的产物中还有剩余的可燃物存在”的基本特征。
(2)科普教育
在针对中小学生或普通群众的关于消防安全、环境保护、能源的利用等主题知识的科普讲座中,可用该实验说明燃料(可燃物)不完全燃烧的种种危害或益处,及如何避免其危害或加以利用。
例如,该实验能够很好的揭示目前在我国农村地区试点推广的秸秆气化技术的生产原理,该实验也能很好地说明吸烟有害健康问题。
(3)家庭教育
非常适合于开展家庭实验,让家庭成员人人懂得在家里生火做饭或取暖时,要注意通风换气、疏通烟道、预防一氧化碳中毒等道理。
5 实验原理分析
其一,物质发生不完全燃烧,其特征是“产物中还有剩余的可燃物存在”。
其二,固态生物质(包括纸片)的燃烧属于分解燃烧,其过程中有干馏作用存在,干馏作用的产物在氧气供应不足时仍将发生不完全燃烧。因此生物质不完全燃烧产物与干馏作用的产物相似,包括气态、液态、固态三种状态的可燃物。
其三,卷成筒状的纸片(或树叶)与展开了的纸片(或树叶)在空气中点燃,前者氧气供应更加不足,将发生更严重的不完全燃烧,其气态生成物因“烟筒效应”的作用而集中起来从烟筒上口排出,便于点燃。
其四、烟气的第二次燃烧可以认为是完全燃烧。纸片燃烧后的筒状灰烬,经酒精灯火焰的不断灼烧后黑色渐渐退去而最终变成白色,也可认为燃烧已经完全。牛角管或玻璃管中的液态生成物,被细铁丝蘸出后在酒精灯火焰的灼烧并点燃,可以认为燃烧比较完全。
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