对“倾倒二氧化碳使蜡烛熄灭”实验的探究和创新

黄新阶 孙 旭

湖北省赤壁市实验中学(437300) 湖北省教育科学研究院(430071)

1 问题的提出

人民教育出版社义务教育教科书化学9年级上册第6单元课题3中的实验：在阶梯支架上放2支点燃的蜡烛后放入烧杯中，往烧杯中倾倒适量的二氧化碳，观察现象并分析。教科书试图通过倾倒二氧化碳使低处和高处的2支蜡烛熄灭来证明其密度比空气大。该实验设计和结论存在以下问题：

(1)密度比空气小的气体从高处倾倒后会不会进入烧杯呢?

(2)蜡烛在烧杯中燃烧时放出的热等因素导致烧杯中的气体气压变小，是不是烧杯中的“负压”把二氧化碳吸进烧杯中？

(3)教师演示时，有时低处的蜡烛先熄灭，有时高处的蜡烛先熄灭，两种现象是不是都能说明二氧化碳密度比空气大?

(4)不少学者和一线教师期望实验能够出现“高蜡烛后熄灭”的实验现象，克服高蜡烛先熄灭的“意外”，对该实验进行研究和改进(在知网中以“二氧化碳使蜡烛熄灭”为关键词检索到256条信息)，真的需要改进吗？

(5)还有简易方法证明二氧化碳的密度比空气大吗？

2 文献综述

知网数据库中比较有代表性的改进装置如下：

在做“倾倒二氧化碳使蜡烛熄灭”实验时，二氧化碳是从高于蜡烛顶端的烧杯口处倾倒下去的，如图1所示；有的是把二氧化碳“赶入”烧杯底部，如图2、图3、图4所示；有的用三层阶梯蜡烛代替两层阶梯蜡烛，如图5所示；有的用大的广口瓶代替集气瓶，广口瓶配双孔橡皮塞(带内长外短和外长内短两支玻璃导管，内长的伸到瓶底)，通过外长的导管慢慢把二氧化碳倾注到烧杯中，如图6所示。

这些改进装置与操作方法都是“千方百计”把二氧化碳“赶入”烧杯中，没有跳出“使低处的蜡烛先熄灭”这个“标准预设现象”，没有回答实验过程中出现的非“标准现象”(高处的蜡烛先熄灭)意味着什么。某些证明二氧化碳密度比空气大的“新方法”看似可行，实证时不能再现文中的现象，即使出现了“标准预设现象”，也因为忽视了实验过程中的温度等变量导致不严谨。

3 实证研究

实验1：用密度比空气小的氮气按照倾倒二氧化碳的方法做对比实验。

从烛火正上方顺着烧杯内壁“倾倒”氮气，蜡烛都熄灭。

结论：密度比空气小的氮气也能“倾倒”进去。

实验2：测定蜡烛燃烧前后烧杯中气体的温度。

在烧杯内的一侧放置2根规格相同的酒精温度计，为了便于观察，将温度计用胶带固定在纸板上，使2根温度计酒精液泡的高度分别与阶梯上蜡烛的火焰等高，如图7所示。实验数据显示蜡烛燃烧前后烧杯中气体的温度在2 min之内升高了6 ℃。

结论：蜡烛燃烧放热，烧杯中气体的温度升高。

实验3：用蚊香燃烧的烟雾验证烧杯中的气压小于空气气压。

在阶梯支架上放2支短蜡烛，点燃后放入烧杯中，再将安放有燃着的蚊香的铁丝网放在烧杯口，观察到原本向上运动的蚊香烟雾被吸入烧杯内。

结论：温度升高时气体的体积膨胀、密度变小，导致烧杯中的气压比烧杯外的气压小，所以本应缓缓上升的蚊香烟雾会飘向杯底。

实验4：将1瓶二氧化碳气体倾倒于1个烧杯中，立即将载有2只点燃的蜡烛的小梯子放入烧杯中，看到2只蜡烛都熄灭。如果倾倒的二氧化碳不多，可能矮蜡烛熄灭，高蜡烛不熄灭。不管是哪种情况都能说明二氧化碳气体像倾倒液体一样从集气瓶中倒入了了烧杯中。

结论：该操作排除了蜡烛燃烧放热导致烧杯中的空气密度变小这个变量，实验说服力强。

实验5：采用在高蜡烛上方、烧杯正上方、高蜡烛处烧杯边沿、矮蜡烛处烧杯边沿等多种方位向烧杯中倾倒二氧化碳，发现在高蜡烛上方倒二氧化碳时几乎都是高蜡烛先熄灭，在矮蜡烛处烧杯边沿倒二氧化碳时几乎都是矮蜡烛先熄灭。

结论：倾倒二氧化碳的速度、角度、方位等都会影响蜡烛的熄灭情况，哪支蜡烛先熄灭只与倾倒操作方式有关，无需用隔板和其他工具“逼着”二氧化碳从烧杯底部扩散上来，从而出现“标准预设现象”。

4 研究结论和创新设计

4.1 研究结论

教科书中倾倒二氧化碳使蜡烛熄灭实验证明其密度比空气大的设计是不严谨的，是有瑕疵的。没有考虑蜡烛燃烧放热导致烧杯中的气体密度变小，二氧化碳气体及密度比空气小的氮气能倒入烧杯内有烧杯中气体“负压”的“功劳”。

倾倒二氧化碳气体无论是高处或者低处的蜡烛先熄灭都能说明二氧化碳气体的密度比空气密度大，无须一定要低处的蜡烛先熄灭。

4.2 创新设计

4.2.1 称量法

把1个大烧杯放在电子天平上面称量，记下读数，再把二氧化碳迅速倾倒烧杯中，可以观察到电子天平读数变大，说明盛有二氧化碳的烧杯比盛有空气的烧杯重，进而说明二氧化碳的密度比空气大。

优点：操作简单，读数直观，容易理解。

4.2.2 密度计测密度法

用气体密度计分别测定烧杯中空气和二氧化碳气体的密度，前者显示1.280 g/L，后者显示1.899 g/L。向盛有空气的烧杯中倾倒二氧化碳气体，测定混合气体的密度在上述数值之间，表明二氧化碳已经倒入了烧杯中，密度比空气大。

优缺点：直接测定气体的密度是最科学的方法，直观明了，其它借助现象推测密度的间接法理解难度大。缺点是测定仪器不普及。

4.2.3 气球法

把1个充满空气的气球和1个充满氢气的气球连在一起放在大烧杯内，此时，气球在烧杯底部。将二氧化碳慢慢倾倒大烧杯中，发现气球渐渐离开杯底，浮了起来。用手轻轻按压该气球再一松手，气球又上浮。充满空气的气球上浮有力地证实了相同状况下二氧化碳的密度比空气的大。

优点：趣味性强，操作简单。该方法是在文献基础上改进而来的。特别提醒的是：文献中介绍只用充满空气的气球是无法完成实验的，因为二氧化碳气体不能把空气球浮起来，加上1个氢气球就可以。

4.2.4 石蕊试剂检验法

把5团棉花用棉线依次捆在1根细铁丝上，使棉花之间保持2 cm间距，将棉花团用紫色石蕊试液湿润后，放进大烧杯中，向烧杯中倾倒二氧化碳，发现杯底的棉花变红，上面的棉花没有变色，说明二氧化碳的密度比空气大。或者先把二氧化碳倒入空烧杯中，立即在该烧杯中滴加2 mL紫色石蕊试液并振荡，石蕊试液立即变红，表明二氧化碳已经倒入空烧杯中了。

优点：操作简单，现象明显，可以和二氧化碳与水反应等性质实验结合起来，一个实验得出多个结论。