降温灭火实验新设计

2017-03-11 08:25潘国荣刘芬
中学课程资源 2017年2期

潘国荣+刘芬

摘 要:取一个容积为2 L左右的圆柱形透明塑料瓶,瓶子剪掉一边保留完整瓶底,外壁用一张红纸贴上做成“贴红塑料半瓶”。把适宜的广口瓶玻璃盖(或金属瓶盖、塑料瓶盖)倒放(粘贴)在“贴红塑料半瓶”底部中间,再放上一个燃烧匙,实验装置就组装完毕了。在瓶盖的凹槽里注满0℃左右的冰水,将硫放入燃烧匙里燃烧,把硫燃烧的燃烧匙放到装满冰水的瓶盖上进行“降溫灭火”实验。

关键词:灭火原理 硫燃烧 降温灭火 灭火实验

实验设计

灭火的原理有三个:一是去掉可燃物;二是让可燃物与氧气隔离;三是降温低于可燃物的着火点。对于“降温低于可燃物的着火点”这个灭火原理,我国现行各种版本的初中化学教科书中都没有设计相应的实验,学生对这个问题的理解没有直观的情景材料,许多学生只能囫囵吞枣地死记硬背。

一、实验设计的思路

用一个简单的实验演示说明:可燃物在空气中燃烧,单独降低温度,也能够灭火。需要的可燃物是常见的,现实生活中或者实验室里就有,比较便宜。可燃物要易燃烧,点燃方便,但燃烧不能太剧烈,易熄灭;实验装置简洁,制作容易,能够推广;实验操作简单、方便,对比性强、成功率高;实验过程安全、无危险。

二、实验研究的过程

我们曾将125 mL的小集气瓶固定在250 mL的烧杯里,在集气瓶和烧杯之间注入用饱和食盐水制作的冰水,让小集气瓶里的气温为-3 ℃,将点燃的生日小蜡烛慢慢伸入集气瓶里,几分钟也不熄灭。我们用点燃的两块小木炭,一块伸入气温为-3 ℃的小集气瓶里,一块伸入室温的小集气瓶里,小木炭燃烧后再进行对比,但对比性不好,不能说明问题。至此,这个实验制作设计宣告失败,只能暂停实验。

冬天,我们在对“硫在空气中燃烧”的实验进行改进时,在燃烧匙里放入了过多的硫粉,实验过程中为了让燃烧的硫熄灭掉,就把燃烧匙伸到了冷水槽中,在燃烧匙底接触水面的瞬间,发出了“哧”的声音,燃烧匙边也出现了许多水雾,燃烧匙上的火焰减弱,一会儿就熄灭了。由此,我们的“降温灭火实验设计”在“踏破铁鞋无觅处”时,通过硫燃烧的熄灭,迎来了“柳暗花明又一村”的设计新思路。

三、实验装置的制作

取一个容积为2 L的圆柱形透明塑料瓶,把上面小的部位切掉,用记号笔在瓶子两边画线使之一分为二。从两边沿画线剪下,保留完整瓶底,被剪掉的瓶子的一边瓶底最低保留2.5 cm的高度,使瓶子仍能放置平稳且不变形,取名“透明塑料半瓶”。在“透明塑料半瓶”的外面贴上一张红纸(对此问题,我们在另外一篇文章《硫在空气与氧气中燃烧实验创新设计》已做了对比实验和讨论),以得到“贴红塑料半瓶”。取一个燃烧匙,选择一个广口瓶玻璃盖,使它倒放时凹槽口能容下四分之三左右的燃烧匙底部,确保燃烧匙边高于凹槽瓶盖边(如图3所示)。把适宜的广口瓶玻璃盖倒放在“贴红塑料半瓶”底部中间,再放上一个燃烧匙,就组成实验装置了(如图1、图2所示)。如找不到适宜的广口瓶玻璃盖,可以用适当大小的金属瓶盖或者塑料瓶盖,只是轻的盖子要用万能胶黏贴在“贴红塑料半瓶”的底部中间,要固定好,防止在放入燃烧匙时碰翻。

四、实验操作方法

在“贴红塑料半瓶”底部的广口瓶玻璃盖的凹槽里注满0 ℃左右的冰水,将硫黄粉放入燃烧匙里约三分之一匙,把装有硫黄粉的燃烧匙放在酒精灯火焰上加热,点燃硫黄,迅速移动硫黄被点燃了的燃烧匙到“贴红塑料半瓶”瓶盖上方,观察硫黄燃烧的现象(如图4所示),再把燃烧匙放到下面装有冰水的瓶盖上按住,观察其产生的现象(如图5、图6所示)。

五、实验现象与结果

1.实验产生的主要现象

在红色纸背景的衬托下,硫在空气中燃烧所产生的淡蓝色火焰非常清晰。把附着硫黄的燃烧匙放在装满冰水的瓶盖上,会听到“哧”“哧”的声音,燃烧匙边会产生少许水雾,燃烧匙上的火焰变小,火焰熄灭后燃烧匙中间的上方会短暂出现少许黄烟。

2.实验结果与讨论

硫黄的熔点因为结晶状态不同而有所差异,在106.8 ℃~114.6 ℃之间,沸点是444.6 ℃。硫黄受热先熔化后燃烧,其着火点是190 ℃,产生火焰是因为硫蒸汽在燃烧。硫的燃烧热是296.83 kJ·mol-1,比碳的燃烧热393.51 kJ·mol-1要低得多,也就是说硫的燃烧放热要相对少一些。当附着硫黄的燃烧匙底部浸入冰水中,由于燃烧匙的热传导作用,使正在熔化燃烧的硫黄产生的热量不足以对抗冰水吸收的热量,使温度急速下降而凝固,温度低于硫黄的着火点而停止燃烧。这个实验设计可以作为中学实验教学中“降温灭火”的良好实例。

“降温灭火”原理早已在实践中有所应用,效果较好。例如,我国于1987年3月利用液氮(在1.01×105 Pa下温度为-196 ℃)在大连港成功扑救新加坡籍“电气石海皇”轮鱼粉自燃酿成的火灾;2013年我国生产出一种新型的灭火产品DSPA-5火场快速降温弹(灭火弹),它能够在大约30秒钟将150 m3室内的火场温度从1000 ℃降至100 ℃左右,并保持45~60分钟的控温时间,从而达到灭火目的,它是一种室内和密闭空间火灾高效节能灭火的新方式。

六、实验设计的优点

本实验设计的优点主要是:

(1)为学生学习“降温灭火”原理提供了真实而生动的情境,通过实验学化学,让学生在循序渐进中加深对知识的理解。同时,教师还可以结合现实应用情况进一步向学生介绍化学知识,拓宽学生视野。

(2)实验用品中的透明塑料瓶、金属瓶盖、塑料瓶盖等,很便宜,可以有效利用废物。

(3)实验装置简单易做,没有难度,学生都能操作成功。

(4)实验操作简单、安全、无危险。药品用量少、污染小。

(5)实验过程简洁明了,成功率高,效果好。

(6)实验既可以作为教师的演示实验,也可以作为学生的探究实验活动。无论是城市学校,还是乡村学校都可以应用。

参考文献:

[1]王晶,郑长龙.义务教育教科书·化学·九年级·上册[M].北京:人民教育出版社,2012.

[2]沈怡文,陈德余.义务教育教科书·化学·九年级·上册[M].北京:科学普及出版社,2012.

[3]王祖浩,王磊.义务教育教科书·化学·九年级·上册[M].上海:上海教育出版社,2012.

[4]江琳才.义务教育教科书·化学·九年级·上册[M].北京:科学出版社,广州:广东教育出版社,2012.