| 标题 | 酒精灯火焰对试管加热效率的探究 |
| 范文 | 刘立新+杜卫民+刘苒筠+战金玲+刘静 摘要：针对酒精灯加热所采用的火焰部位存在争议，设计了酒精灯直接加热几种不同角度试管的效率的探究实验，分别采用酒精灯焰心、内焰、外焰进行加热。结果表明，用酒精灯内焰加热试管的效率最高，能减少酒精的用量以及燃烧带来的污染。分析指出，酒精灯的加热效率还与火焰对被加热仪器形成的加热面积以及火焰的稳定性有关。 关键词：酒精灯火焰；加热试管；加热效率；实验探究 文章编号：1005–6629（2014）9–0059–03 中图分类号：G633.8 文献标识码：B 酒精灯加热是化学实验的常规操作，尽管每次加热实验酒精的消耗量不是很大，但是每年全国化学实验使用酒精的总量还是很大的，由此带来的碳排放也不容忽视。因此国内近年来对酒精灯进行加热操作时采用内焰加热还是外焰加热存在争议。 王立平等曾做了使用酒精灯对竖直试管和向上倾斜45℃试管进行加热的效率的研究[1]，分析认为当试管遇到火焰时，火焰被试管“劈开”，既加大了火焰和空气的接触面积，也加大了火焰与试管的接触面积；并得出加热效率：内焰>焰心>外焰。 在此研究基础上，我们进行了更深入细致的研究。首先，我们将王立平老师的一组固定装置的研究，改为三组固定装置的平行实验，这样可以消除环境温度、风向等因素对实验结果带来的影响；其次我们对王立平老师提出的“给试管加热的最佳操作方法”[2]存有异议，设计了相关实验进行验证；此外我们还设计了水平试管加热的实验，这样可以为得出“使用酒精灯对任意角度试管加热的最佳火焰部位”的结论提供更有力的依据，同时也为实验室其他和试管形状相似的仪器（如还原氧化铜的玻璃管等）进行直接加热时火焰的选择提供依据。 1 加热效率探究实验方案的设计 1.1消除其他因素影响的措施 为了消除其他因素的影响。我们每次同时做三组实验，分别进行焰心、内焰、外焰加热容器内等量水用时的测定。每一类实验进行3次（如表1所示）。 此外还采取以下措施：实验室关闭门窗以消除风的影响；每次加热用水均从同一个大型的容器中，由3人使用吸量管同时吸取等量的水；同时使用酒精灯进行加热并计时；3组实验温度计均在受热水的中部并处于同一水平线；使用的三个温度计进行校准；酒精灯灯芯每次实验前进行修剪，并重新添加等量酒精。 1.2 试管放置角度的选择 试管加热一般为向上或向下倾斜放置。加热竖直放置或水平放置试管操作很少，但是为了探究一般性规律，我们分别选取了0℃、45℃、90℃三个角度研究，如果三个角度结论相同，那么可以得出任意角度也应该有相同的规律。 试管向下倾斜时使火焰产生变形的情况，与试管向上倾斜时使火焰产生变形的情况互为对称，因此只研究试管向上倾斜时加热效率即可。 1.3 试管规格的选择 规格太小试管容积小，加热时间短，容易使实验的计时误差过大。因此在实验室较常用的试管中，选取规格适中的φ18×180mm试管。 2 加热竖直试管实验 2.1 加热竖直试管时火焰分布 在对所使用酒精灯火焰分析的基础上，我们分别选取火焰不同部位对竖直试管进行加热，当使用酒精灯加热竖直试管时，酒精灯火焰产生变形（见图1）。 尽管不同装置用时存在差别，但是无论是从每次实验比较，还是从每组装置比较都可以得出相同结论。加热效率：内焰>焰心>外焰。 3 加热倾斜45℃试管实验 3.1 加热倾斜45℃试管的两种方案 王立平等进行的研究认为：当对试管进行加热时，加热效率最高的操作为“倾斜试管约45℃，让试管底部在火焰中部加热”（图2）[3]。 我们分析认为：采取这样的加热方式，左侧火焰并未用于对试管加热，而是将热量散失在空气中。因此我们设计了加热倾斜45℃试管的两种方案，一种方案与文献相同；另一种方案我们将加热部位上移，让火焰全部用于试管加热。 3.2 试管倾斜45℃，试管底部在火焰中部加热时火焰分布 试管底部在火焰中部加热时，酒精灯火焰产生变形（见图4）。 与竖直试管加热相同，使用焰心加热，火焰以温度较低的淡蓝色为主。只有最左侧与空气接触充分的部分火焰为紫色。变形火焰与试管接触面积较大，火焰沿试管底部及两侧向上延伸，包住试管底部。 使用内焰加热，内焰在试管底部产生明显变形，内焰半径明显变大。同时内焰周围有较明显的外焰部分。变形火焰与试管接触面积比焰心还要大，底部及两侧向上延伸，基本包住试管底部。 使用外焰加热，焰心和内焰基本没有产生变形，外焰部分直径略有变大，火焰仅接触试管底部少部分，接触面积明显小于内焰和焰心。 焰心加热时火焰较稳定。外焰和内焰加热时，火焰有上下跳动和摆动现象，外焰较明显。 3.3 试管倾斜45℃，试管底部在火焰中部加热时实验结果与结论 仍采用三人同时实验，用称量管从同一容器中吸取30mL自来水加入试管，其余操作同竖直试管实验。结果记录见表3。 得到与加热竖直试管相同结论，加热效率：内焰>焰心>外焰。 3.4 试管倾斜45℃，试管中下部在火焰中加热时火焰分布 试管中下部在火焰中加热时，酒精灯火焰产生变形（见图5）。 与竖直试管加热相同，使用焰心加热，火焰以温度较低的淡蓝色为主。只有最右侧少部分火焰由于空气量稍大，火焰略显明亮。变形火焰与试管接触面积较大，火焰沿试管两侧向上延伸5mm左右。 使用内焰加热，内焰产生明显变形，内焰半径明显变大。同时内焰周围有较明显的外焰部分。变形火焰与试管接触面积较大，火焰沿试管两侧向上延伸5mm左右。 使用外焰加热，焰心和内焰基本没有产生变形，外焰部分直径略有变大。火焰沿试管两侧略向上延伸，接触面积明显小于内焰和焰心。 焰心加热时火焰较稳定。外焰和内焰加热时，火焰有上下跳动和摆动现象，外焰较明显。 3.5 试管倾斜45℃，试管中下部在火焰中加热时实验结果与结论 除加热部位不同以外，其余实验操作步骤同本文3.3。结果记录见表4。 得到与前文相同结论，加热效率：内焰>焰心>外焰。 此外对照两种加热倾斜45℃方案的实验结果，将火焰整体用于试管加热，其效率明显大于“让试管底部在火焰中部加热”的方案。 另外，笔者还对水平试管的加热进行了相同测试，酒精灯火焰变形情况与上述相同。测试结论也相同，即加热效率：内焰>焰心>外焰（具体数据略）。 4 讨论 4.1 影响加热效率的主要因素 在对试管加热时，影响加热效率主要有两个因素：火焰与被加热仪器接触部位的温度；火焰对被加热仪器形成的加热面积。两个因素共同作用对加热效率产生影响。正是在这两种因素综合作用下，才使得内焰的加热效率最高。 4.2 火焰的稳定性的影响 我们在实验时采取了关闭门窗等措施，但是有时由于实验人员走动以及暖气（北方冬季管道供暖）造成的空气流动，对酒精灯火焰还是产生细微影响，主要表现为火焰左右摆动，而影响最大的就是外焰，也就是说外焰加热最不稳定。 另外，我们推测可能是局部缺氧的缘故，火焰会出现上下摆动的情况。 火焰的不稳定对外焰加热影响很大，有时会出现火焰偏离试管的现象，导致外焰加热效率降低。 4.3 结语 通过对水平、45℃、竖直试管的加热效率探究都表明内焰加热效率最高。由此，我们推测试管呈现其他角度倾斜时，也应该是内焰效率最高。过去所提倡的外焰加热，由于与试管接触面积小，火焰不稳定，散失到周围空气的热量多，因此使用酒精灯加热应该用内焰。 在实验室有时还需要对与试管形状类似的仪器进行加热，例如氢气还原氧化铜的玻璃管等，也应该采用内焰加热。 在一般试管加热操作时，应该使试管倾斜，火焰接近试管底部但要保证火焰全部用于加热试管，同时注意用内焰加热。 参考文献： [1][2][3]王立平，卢玉妹，王咏梅等.酒精灯加热效率的实验探究[J].化学教育，2009，30（11）：63～64. 焰心加热时火焰较稳定。外焰和内焰加热时，火焰有上下跳动和摆动现象，外焰较明显。 3.5 试管倾斜45℃，试管中下部在火焰中加热时实验结果与结论 除加热部位不同以外，其余实验操作步骤同本文3.3。结果记录见表4。 得到与前文相同结论，加热效率：内焰>焰心>外焰。 此外对照两种加热倾斜45℃方案的实验结果，将火焰整体用于试管加热，其效率明显大于“让试管底部在火焰中部加热”的方案。 另外，笔者还对水平试管的加热进行了相同测试，酒精灯火焰变形情况与上述相同。测试结论也相同，即加热效率：内焰>焰心>外焰（具体数据略）。 4 讨论 4.1 影响加热效率的主要因素 在对试管加热时，影响加热效率主要有两个因素：火焰与被加热仪器接触部位的温度；火焰对被加热仪器形成的加热面积。两个因素共同作用对加热效率产生影响。正是在这两种因素综合作用下，才使得内焰的加热效率最高。 4.2 火焰的稳定性的影响 我们在实验时采取了关闭门窗等措施，但是有时由于实验人员走动以及暖气（北方冬季管道供暖）造成的空气流动，对酒精灯火焰还是产生细微影响，主要表现为火焰左右摆动，而影响最大的就是外焰，也就是说外焰加热最不稳定。 另外，我们推测可能是局部缺氧的缘故，火焰会出现上下摆动的情况。 火焰的不稳定对外焰加热影响很大，有时会出现火焰偏离试管的现象，导致外焰加热效率降低。 4.3 结语 通过对水平、45℃、竖直试管的加热效率探究都表明内焰加热效率最高。由此，我们推测试管呈现其他角度倾斜时，也应该是内焰效率最高。过去所提倡的外焰加热，由于与试管接触面积小，火焰不稳定，散失到周围空气的热量多，因此使用酒精灯加热应该用内焰。 在实验室有时还需要对与试管形状类似的仪器进行加热，例如氢气还原氧化铜的玻璃管等，也应该采用内焰加热。 在一般试管加热操作时，应该使试管倾斜，火焰接近试管底部但要保证火焰全部用于加热试管，同时注意用内焰加热。 参考文献： [1][2][3]王立平，卢玉妹，王咏梅等.酒精灯加热效率的实验探究[J].化学教育，2009，30（11）：63～64. 焰心加热时火焰较稳定。外焰和内焰加热时，火焰有上下跳动和摆动现象，外焰较明显。 3.5 试管倾斜45℃，试管中下部在火焰中加热时实验结果与结论 除加热部位不同以外，其余实验操作步骤同本文3.3。结果记录见表4。 得到与前文相同结论，加热效率：内焰>焰心>外焰。 此外对照两种加热倾斜45℃方案的实验结果，将火焰整体用于试管加热，其效率明显大于“让试管底部在火焰中部加热”的方案。 另外，笔者还对水平试管的加热进行了相同测试，酒精灯火焰变形情况与上述相同。测试结论也相同，即加热效率：内焰>焰心>外焰（具体数据略）。 4 讨论 4.1 影响加热效率的主要因素 在对试管加热时，影响加热效率主要有两个因素：火焰与被加热仪器接触部位的温度；火焰对被加热仪器形成的加热面积。两个因素共同作用对加热效率产生影响。正是在这两种因素综合作用下，才使得内焰的加热效率最高。 4.2 火焰的稳定性的影响 我们在实验时采取了关闭门窗等措施，但是有时由于实验人员走动以及暖气（北方冬季管道供暖）造成的空气流动，对酒精灯火焰还是产生细微影响，主要表现为火焰左右摆动，而影响最大的就是外焰，也就是说外焰加热最不稳定。 另外，我们推测可能是局部缺氧的缘故，火焰会出现上下摆动的情况。 火焰的不稳定对外焰加热影响很大，有时会出现火焰偏离试管的现象，导致外焰加热效率降低。 4.3 结语 通过对水平、45℃、竖直试管的加热效率探究都表明内焰加热效率最高。由此，我们推测试管呈现其他角度倾斜时，也应该是内焰效率最高。过去所提倡的外焰加热，由于与试管接触面积小，火焰不稳定，散失到周围空气的热量多，因此使用酒精灯加热应该用内焰。 在实验室有时还需要对与试管形状类似的仪器进行加热，例如氢气还原氧化铜的玻璃管等，也应该采用内焰加热。 在一般试管加热操作时，应该使试管倾斜，火焰接近试管底部但要保证火焰全部用于加热试管，同时注意用内焰加热。 参考文献： [1][2][3]王立平，卢玉妹，王咏梅等.酒精灯加热效率的实验探究[J].化学教育，2009，30（11）：63～64. |
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