北京师范大学（100875） 魏锐
北京101中学（100091） 杨晶晶
北京市第八中学（100033） 杨 萌
蜡烛的燃烧过程可以描述为：给蜡烛一定的初始热量，固态的蜡受热熔融直至汽化，当温度继续升高达到蜡的可燃温度，汽化的蜡和氧气发生氧化还原反应而燃烧。燃烧释放出大量的热，使后续反应被不断地引发，从而维持燃烧持续进行。在燃烧过程中，不是构成蜡烛的各种有机物分子与氧气一碰撞就发生了反应，而是经历了一个复杂的过程：蜡的各种组分的气态分子被热“撕裂”成分子片段，与氧气甚至还有氮气发生作用生成各种自由基或小分子（例如-CH、-OH、-CN、-C-C等），经过一系列复杂的反应过程最终转化为C02、H20和C等主要产物。蜡烛燃烧生成的C容易检验，以下就以C02和H20的检验展开讨论。
1 水的检验
1.1 实验卡片1 通过冷凝检验生成的水
我们通常用于冷的烧杯罩在火焰上方，有水雾判断水的生成。借助溯因放大思维，若烧杯越冷、在火焰上方静置的时间越长，是否可得到更多的水呢？但仅仅用冷的烧杯可能无法很好地达成这一目标，因为它会很快地被火焰加热，在法拉第《蜡烛的故事》（1860）科普报告中采用放大思维，用冰盐混合物以获取持续的低温，以获得更多的冷凝水。以下两段文字摘录自法拉第的报告。
如图1所示小碗里装的是冰和食盐，小碗下面点着一支蜡烛，现在把蜡烛拿开，可以看到小碗底上挂有一滴水珠儿，一滴由蜡烛燃烧生成的可凝性产物。可以立即给大家证明，钾对这滴蜡烛烧成的可凝性产物，和刚才实验时对盆里的水，具有同样的作用。把钾一放上去，它顿时就燃烧起来，烧得跟方才一模一样。假如另外取1滴水滴在这块玻璃板上，再把钾往上一搁，根据钾的着火情况，大家也能马上作出判断，玻璃板上是有水存在的，这水，正好又是蜡烛燃烧时生成的产物。
借助冰盐混合物获得足够的冷凝水，不仅可以明显观察到水滴的形成，还可以使其能够与钾发生反应，从而说明生成的产物是水而非其他的液态有机物（存在蜡烛不完全燃烧的产物冷凝形成雾状或液滴的可能），使论证更为严密。当然，这一实验的实施要视环境的湿度而定，若实验时空气的湿度太大，装有冰盐混合物的容器本身即可以使空气中的水汽冷凝，从而干扰实验现象。
1.2实验卡片2 生成的水使无水CuS04固体变色
检验水的另一种常用方法是使无水CuS04变为蓝色，但水汽难以“自动”地通过无水CuS04固体。联想抽出白烟并点燃的实验设计，也可以采用“被动”的方式让水汽通过无水CuS04固体。
（1）如图2所示，取一段约5cm长的玻璃管，中间填充一段无水CuS04固体，然后在固体两侧分别塞上两小团棉团。
（2）用乳胶管将玻璃管与注射器连接。一般的乳胶管较粗，而注射器的接口较细，与乳胶管不匹配，可将乳胶管一端翻折（就像挽袖子一样）后使用。
（3）将玻璃管靠近酒精灯火焰上方，缓缓抽动注射器的活塞，当抽至最大体积时取下玻璃管，推出其中的气体，再连接玻璃管，反复抽取几次，可观察到白色粉末变为蓝色。
1.3 实验卡片3 用湿度传感器检验水的生成
以传感器为核心工具、与信息技术相整合的实验技术，或称为手持技术、掌上移动技术，能够实现科学实验过程中数据自动采集、直观显示以及实验数据的图形化，是近年来中学理科实验新技术的重要体现。随着研究的不断深入，仪器设备的价格不断降低以及其性能的不断优化，传感实验渐渐进人中学化学课堂教学，应用越来越普遍。数据采集器与不同的传感器连接，可以检测不同的物理参数，能够实现温度、压强、湿度、pH、电导率、力、声音、光强等几十种参数的检测，相当于将许多实验仪器简易化、微型化，整合于一体，为中学科学实验教学提供定量测定的工具。其中湿度传感器可以测定环境中的湿度，当然可以直接用于说明燃烧产物中有水存在。
（1）将湿度传感器（如图3所示）置于与火焰中部相同的高度，缓缓接近蜡烛火焰，可见湿度变化不明显。
（2）将湿度传感器向上移动，如图4所示，并移至火焰的正上方，可见湿度明显升高。
注意：整个过程中不要使湿度传感器的探头离火焰太近，以免高温损坏探头。
这个实验很好地说明了两个问题：其一是蜡烛燃烧有水生成；其二是热的燃烧产物在空气对流的作用下主要聚集在火焰的上方并逐渐上升，火焰两侧较少。
1.4拓展阅读 基于传感技术的实验系统
基于传感技术的中学理科实验系统主要由传感器（探头）与信号处理器、数据采集器、计算机等硬件设施以及实验数据处理程序等软件构成。由于传感器和数据采集器体积较小，携带方便，拿在手中就可以完成很多实验探究活动，因此许多研究者又形象地称其为手持技术，并将手持技术与网络技术整合构成的现代科学实验室称为掌上实验室。
1. 4.1传感器与信号处理器
传感器是传感技术的核心，它能感受到待测物的相关信息，并按照一定的规律通过信号处理器转换成可用输出信号，经数据采集器处理之后可将输出信号转化为数字信息，其工作原理如图5所示。
在中学化学实验中常用的传感器有温度传感器、压强传感器、电导率传感器、pH传感器、色度计传感器、电流传感器和电压传感器等。
1.4.2数据采集器
数据采集器具有数据采集与数据分析功能。它把实验过程中的物理信号转变为数字信号输出，全程跟踪实验过程中的数据变化并可以以曲线、数字、表格、仪表等多种直观、形象的形式显示实验结果。
1.4.3 实验数据处理程序
将数据采集器与计算机连接后，即可与实验数据处理系统软件进行通讯。它能够帮助我们更便捷地对数据采集器进行操作，对实验数据进行处理，并且以数字、曲线等多种形式显示实验数据，使我们能够更好地把握实验的动态，以及对实验结果进行分析、推测。
1. 4.4 实时录像系统
有的实验设备具有实时录像的功能。如果将摄像头与计算机连接，在实验的过程中便可以实时地记录实验现象，将数据曲线与实验现象同时呈现在计算机的同一界面，便于教师的实验演示以及学生的探究学习。记录的数据和拍摄的录像都可以保存在计算机中，在需要时播放，重现实验的实况。
基于传感技术的中学理科实验系统具有以下突出的特点：①便携，师生能随时随地进行定量的探究活动，并将实验的过程及结果储存；②实时，数据变化过程与实验过程同时进行，记录的数据和实验现象可以重复演示；③实验数据准确，完全符合中学对实验数据准确度的要求；④数据采集器可与各种传感器连接，可同时进行物理、化学、生物、体育、环境、气象等学科实验的定量探索研究；⑤可以以曲线、数字、表格、仪表等多种形式动态实时地显示实验的变化过程。
2 二氧化碳的检验
将澄清石灰水润湿内壁的烧杯罩在蜡烛火焰上方，检验C02的生成。由于烧杯内壁附着的澄清石灰水量少，该实验现象不明显。
改进方案：使用塑料袋收集生成的气体，然后再进行检验；用集气瓶收集气体，再倒人澄清石灰水，也可使现象更明显；采用抽气法使C02通过盛有澄清石灰水的洗气瓶，使现象更明显。
2.1 实验卡片4蜡烛燃烧产生二氧化碳的检验
使用青霉素小瓶、注射器设计该实验，简便易行，而且可以连接电导率传感器监测反应过程中溶液导电性的变化。此处借助溯因思维的方法，使用注射器抽气，使产生的C02“被迫”鼓入澄清石灰水中。
（1）将10ml玻璃注射器（取出活塞）、50ml塑料注射器、3cm的短针头、8cm的长针头、青霉素小瓶（含橡胶帽）组装成实验装置，注意长针头应伸入青霉素小瓶的底部，如图6所示。
（2）向青霉素小瓶中注入其容积一半的澄清石灰水，将玻璃注射器下端开口处靠近蜡烛火焰上方，缓缓抽动塑料注射器，蜡烛燃烧生成的产物便混合空气鼓人澄清石灰水中。
（3）当抽气大约30 ml时，可看到澄清石灰水明显变浑浊。蜡烛的型号以及抽气的速度对明显变浑浊时抽气的体积会产生一定的影响，若塑料注射器的活塞拉至最大体积（50ml）时，浑浊仍不明显，可取下塑料注射器，排除其中气体，重新接入实验装置，继续抽气。
采用该实验装置，避免了使用橡胶塞的打孔工作，连接组装非常简便，药品用量也较少，且实验过程时间短。
2.2实验卡片5 燃烧产物通入澄清石灰水电导率的变化
C02与Ca（OH）2反应，由于生成CaC03沉淀和水，溶液中的离子浓度会降低，若检测溶液的电导率，应发现电导率下降。
最简便的方法是实验前后分别用电导率传感器测定溶液的电导率，电导率下降，说明溶液的导电能力减弱，溶液中的离子减少。这一方法的缺点在于电导率值只有始态和终态两个数据，没有中间变化过程的记录。若将电导率传感器接人实验装置，使其在鼓气过程一直浸没在澄清石灰水中，便可绘制电导率的变化曲线。但该实验装置使用的青霉素小瓶口径较小，电导率传感器的探头无法伸人其中或刚好伸人其中，无法再连接针头并用配套的橡胶帽密封。若使用大一些的玻璃容器并配套橡胶塞做洗气瓶，因电导率传感器的探头较粗，在橡胶塞上为其打一个合适的孔并不方便；由于普通橡胶塞较厚，针头扎入也不容易；且跟青霉素小瓶相比，洗气瓶的体积增大，针头的长度明显不足。
鉴于上述困难，有没有办法在不改变图6实验装置的情况下，同时监测溶液电导率的变化呢？观察电导率传感器（如图7所示），它由两部分组成：一部分是用于浸入溶液的探头，其上固定了两片电极片；另一部分是信号放大器。将两部分用导线连接，旋下电导率探头，将信号放大器与两个导电夹（电流或电压传感器配套的导电夹）连接，再将导电夹直接夹在针头上（如图8所示），这就相当于把电导率传感器的探头浸入溶液了。
在图8所示的装置中，两根针头就相当于探头上固定的两片电极片。两者的区别在于，探头上电极片的大小和距离是固定的，从而输出的数据是经过标定的。而针头浸入溶液的面积和针头之间的距离与探头上的电极片都不相同，因此输出的数据并非溶液电导率值，但其数值的变化趋势与溶液电导率的变化趋势却是一致的。因此，可以直接根据其读数的下降说明溶液中离子的减少。
（1）旋下电导率探头，将信号放大器与两个导电夹连接，再将导电夹直接夹在针头上。
（2）向青霉素小瓶中注入其容积一半的澄清石灰水，将玻璃注射器下端开口处靠近蜡烛火焰上方，缓缓抽动塑料注射器，蜡烛燃烧生成的产物便混合空气鼓入澄清石灰水。观察澄清石灰水变浑浊以及电导率下降。
（3）当抽气大约30 ml时，可看到澄清石灰水明显变浑浊。蜡烛的型号以及抽气的速度对明显变浑浊时抽气的体积会产生一定的影响，若塑料注射器的活塞拉至最大体积（50ml）时，浑浊仍不明显，可取下塑料注射器，排除其中气体，重新接入实验装置，继续抽气。
图9为缓缓抽取50ml气体时溶液电导率的变化曲线。在抽气过程中虽然气泡对溶液导电性的阻碍，以及溶液液面的震动均会引起读数的波动，但曲线下降的趋势还是很明显的，说明生成沉淀过程中离子数目减小，达到了预期的实验目的。
2.3实验卡片6 二氧化碳通入澄清石灰水电导率的变化
在上述实验中，因向澄清石灰水中鼓气时引起溶液的震动，所得到的曲线存在波动，且因为燃烧生成CO。的量较小，并未观察到生成沉淀然后沉淀再溶解的过程。若用启普发生器制取C02，鼓入盛有澄清石灰水的烧杯中，并用磁力搅拌器搅拌，用电导率传感器记录溶液电导率的变化，可得到平滑的曲线。
（1）如图10所示，用量筒量取40 ml澄清石灰水，倒入100ml烧杯中，并在烧杯中放入磁子。
（2）在启普发生器里装人大理石和稀盐酸，然后关闭活塞，待用。
（3）将电导率传感器插入澄清石灰水中，启动磁力搅拌器，启动数据采集。
（4）待传感器测得的数据相对稳定后，打开启普发生器的活塞，匀速向澄清石灰水中通人C02，观察实验现象及显示的数据曲线的变化。生成的C02在通人澄清石灰水之前应通过装有NaHC03的干燥管，以除去其中的HCl。
（5）当澄清石灰水由浑浊变为澄清，并且电导率数据无明显变化时停止通气，停止数据采集，保存数据文件。
该实验得到的数据曲线如图11所示。该曲线生成沉淀的部分反映出的变化规律与图9所示相同，均为电导率下降。随着C02的继续通人，电导率经过一个转折点后增大，说明沉淀溶解过程中离子数目增加。此外，还可以发现仅靠观察实验现象无法发现的问题：其一是下降和升高的曲线斜率并不相同；二是曲线的初始值和终止值差异较大。
生成沉淀的过程中，电导率曲线较陡（斜率较大）；沉淀溶解的过程中，电导率曲线较平缓（斜率较小）。斜率的差异反映了两步反应的反应速率的差异。可以说明C02与溶液中的离子反应速率较快，而与沉淀的反应速率较慢。
若仅靠实验观察，溶液中开始有明显的沉淀生成后，由于体系浑浊，无法辨别反应的进程。借助电导率曲线的转折点，可以判断恰好沉淀完全的计量点，这便是电导滴定的基本思路。借助曲线的斜率判断反应速率，可以使学生体会反应物存在形态的差异对反应速率的影响。
2.4拓展阅读 对二氧化碳与澄清石灰水反应电导率曲线的进一步分析
若从反应的离子方程式来看，20H-+ 2C02=2HC03，作为反应物的OH-与产物HC03-浓度相等，反应前后Ca2+浓度又不变，为何沉淀完全溶解后，溶液电导率比初始值要小呢？
（1）若考虑过量的C02的溶解与电离，CO2+H2O=H++HC03，溶液中离子浓度应增大。
（2）若考虑HC03的电离，HCO3=H++C032-，溶液中的离子浓度应增大。
（3）若考虑HC03 -的水解，HC03-+H20 =H2C03+OH-，溶液中的离子浓度应不变。
C02、HC03-的电离与水解都应该是非常微弱的，在溶液中大量存在的还是HC03-，这些因素似不应对溶液的导电性产生太大的影响。即使考虑到这些因素，也是使溶液中的离子浓度增大或不变，而事实上溶液的导电性比初始状态要弱很多，并不吻合。
上述分析从离子浓度的角度进行，既然无法得到合理的解释，笔者不禁要追问，只有离子浓度影响溶液的导电性吗？除此之外还有其他的因素吗？可以比较反应始态与终态，看看都有哪些量发生了变化。尽管离子浓度没变，但是离子的种类却改变了，由OH-变为HC03 -。那么，是否两种离子的导电能力不同呢？若OH的导电能力比HC03强的话，则可解释这一实验事实。查得25℃时无限稀释水溶液中离子的电迁移率，OH-为2.052×10-7m2.v-l.S-I,HC03-为4.61×10-8m2．V-1．S-l，OH-的导电性明显强于HC03-。
其实，离子种类对溶液导电性的影响具有普遍性：H+的导电性强于OH-，两者明显强于其他离子；对于非H+和OH-的其他离子，一般情况下离子所带电荷越多导电性越强。这就提醒我们，在由溶液导电性直接判断溶液离子浓度时需要谨慎了。
通过以上实验及讨论，不仅进一步解释了C02与石灰水反应的宏观现象的微观原理，而且从反应速率、离子的导电能力等角度进一步深化了对这一实验的认识。
收稿日期：2015 - 01-14