“水中白磷燃烧”实验的再改进
周良建 陈勇 蒋明会 丁玲
摘要：
对已有的“水中白磷燃烧”实验进行归类、分析，结合当前中学化学实验的实际，对该实验进行再改进。改进后的实验具有装置简练、便于携带、操作便捷、现象明显、材料节省、绿色环保、安全可靠、拓展性强等优点。
关键词：
水中白磷燃烧; 装置优化; 实验改进; V形玻管
文章编号：
10056629（2022）01006104
中图分类号：
G633.8
文献标识码：
B
1 问题及概述
“热水中白磷燃烧”实验（见图1）是人教版九年级化学上册第七单元课题1中的演示实验[1]。针对该实验装置存在的问题，众多学者与一线教师对其进行了一系列改进。对已有的改进实验进行分析后发现，虽各具一些优点，但也存在许多不足之处。
以钱胜[2]、郭强[3]、张艳琴[4]为代表的“简易型”装置（如图2所示）所用器材易得，操作简便，白磷燃烧现象明显。但实验过程中产生的白烟不能被有效吸收处理，对人体和环境产生一定影响。同时，部分实验白磷用量较多，不能完全反应，易产生大量白磷碎屑，不便于处理和回收再利用。
以钱胜[5]、郭强[6]、谭文生[7]、刘信友[8]等为代表的“环保Ⅰ型”装置（如图3所示）由于本身为封闭系统，能防止白磷燃烧后产生的白烟外逸，利用装置内的热水还能吸收白烟，能减少实验对环境的影响。该类装置还可供学生分组实验，有利于培养学生的动手能力和观察能力。但这类装置使用时，需课前预先装入氧气、白磷和热水，为防止水温下降影响实验结果，装好试剂后必须尽快进行实验。
以吴国权[9]、周来友[10]等为代表的“环保Ⅱ型”装置（如图4所示）能快速便捷地提供氧气，通过控制氧气与白磷的接触与分离，可反复呈现水中白磷燃烧与熄灭的现象，对反应后产生的白烟也进行了吸收处理。但这类装置部分设计结构复杂，不能快速组装、拆卸与搬运，不便于多个班级连续授课使用。
2 装置的优化与改进
通过对上述已有改进实验的分析与比较，在吸取这类实验优点的基础上，本研究小组对其进行了整合式优化与再改进，从而制作出如图5所示的改进装置。
2.1 实验用品
碎屑状白磷、氧气袋、细沙、50mL小烧杯、6mm内径V形管、胶皮管、小气球、医用棉签、纸巾、50mL医用注射器、温度计（100℃）、盛有开水的保温杯、小刀
2.2 制作方法
（1） 用实验室常见的6mm内径玻璃管加热制成V形管，并在V形管中装入少量细沙盖住底部。再将纸巾呈螺旋状包裹在医用棉签小木棒上，制成柱径为4～5mm的圆柱形螺旋纸棒（以下简称“纸棒”），将纸棒从玻璃管一侧插入至V形管底部并用水润湿。同时，在该侧玻璃管口套上一个小气球。从V形管另一侧放入少许白磷碎屑，用少量水送至V形管底部，并连接好胶皮管放入小烧杯中备用。
（2） 用50mL注射器收集氧气，作为向V形管中注入氧气的供气装置。
2.3 制作原理
（1） 6mm玻璃管内径小，利于给管内白磷快速加热，同时也便于通入的氧气与白磷充分接触。制成V形管后，管口两端高，中间低，有助于白磷在V形管底部的水中贮存。实验时，当停止通入氧气，管内水快速流回浸没白磷使其熄灭。
（2） 细沙可使液态白磷附着在其表面，阻止白磷随水流动。
（3） “无针尖注射头”可有效控制实验过程中的氧气流速，防止氧气流速过快造成液态白磷从玻璃管中溢出。
（4） “纸棒”与玻璃管内壁的缝隙呈螺旋上升状，可使实验中产生的白烟被水充分吸收，末端气球的使用能防止未吸收完的少量白烟污染环境。
（5） 实验结束后，转动小木棒可带动“纸棒”旋转，既能清洗玻璃管内壁，也方便将“纸棒”从玻璃管中取出。
（6） 用注射器代替供气装置，氧气不易流失，方便携带与贮存，且便于实验时控制氧气流速。
2.4 操作方法及现象
将V形管上的胶皮管与装有氧气的注射器连接，向装有冷水和白磷的V形管中通入氧气，可观察到冷水中白磷不燃烧。向小烧杯中倒入约80℃的热水，将V形管底部装有白磷的部分浸沒在热水中。待白磷熔化后，可观察到液态的白磷附着在细沙表面，缓慢推动注射器活塞，当通入氧气与白磷充分接触时，白磷即被点燃并持续燃烧。当停止通入氧气，V形管中的水流回浸没白磷，白磷立即熄灭。
2.5 操作注意事项
（1） “纸棒”直径在4～5mm之间为宜，且不宜塞得太紧，以便“纸棒”润湿后玻璃管内的气体能够流通。
（2） 玻璃管内细沙不宜太多，热水以80℃左右为宜。既能确保玻璃管受热均匀，又便于吸收白磷燃烧后产生的热量。
（3） 玻璃管中碎屑状白磷颗粒直径应小于2mm。向玻璃管中注入氧气时，每次燃烧持续4～5s暂停注入氧气，防止因白磷燃烧过于剧烈而使玻璃管炸裂。
3 改进装置的优点
3.1 携带方便，便于演示和存放
改进优化后的装置所用仪器少，不仅方便教师在讲台上进行实验演示，还便于教师在台下手持装置移动演示，让学生能近距离观察实验现象。在装置内氧气和白磷未用完的情况下，将注射器与胶皮管分离开可暂时存放，方便多个班级连续授课，而不影响实验结果。
在对注射器中氧气的贮存时间与白磷燃烧现象的有关研究发现（见表1），室温15℃时，注射器中50mL氧气在8小时以内使用，白磷均能正常燃烧，不会对实验现象产生影响。
3.2 操作便捷，现象明显可控
课堂演示时，由于药品已提前装入该装置中，教师只需通过“连装置→推活塞→倒热水→推活塞”的简单四步操作，即可让学生观察到通入氧气时冷水中白磷不燃烧，而热水中白磷燃烧的现象。若在推动活塞过程中暂时停顿，还可观察到热水中白磷燃烧与熄灭交替出现的有趣现象。若实验中发现氧气不足，可将注射器取下，将注射器与制取氧气的发生装置或氧气袋导管连接，只需5秒即可快速收集50mL氧气。改进装置具有随取随用、操作便捷、现象可控、成功率高的特点。利用本装置在我校30个教学班级进行课堂演示实验，成功率达到100%。
3.3 节约环保，废料易于处理
改进后的实验装置，氧气和白磷用量明显减少。利用试剂瓶内的少量白磷碎屑即可完成实验演示。同时，实验中产生的废料也易于处理并再利用，对环境和人体不构成任何影响。当实验完毕，玻璃管中若残留有少量白磷，可继续通入氧气使之完全反应。玻璃管中的废液用适量的稀氨水进行中和处理，可用作盆栽营养液，真正做到环保节约和废物利用。
在对白磷用量与燃烧现象可持续时间的研究中发现（见表2），直径约为2mm（1/2粒绿豆大小）的白磷颗粒，结合50mL氧气使用，在保证每次燃烧现象持续5s的情况下，可供三个教学班级连续两次课堂演示，而不需要添加任何药品。
3.4 分组实验，拓展学习途径
本实验装置具有良好的安全性，不单可用于教师课堂演示实验，还可用于学生分组实验以及课外拓展实验。在学生对该装置与燃烧条件已有认知的基础上，可拓展用于课后延时服务活动中，让化学兴趣小组的学生对该装置及药品进行适当改进，设计其他实验方案进一步验证燃烧需要的可燃物以及可燃物的着火点温度。这样不仅激发学生的学习热情，拓展学生的思维，更能促进学生科学探究与创新意识的化学学科核心素养的养成。
参考文献：
[1]人民教育出版社编著. 义务教育课程标准实验教科书·化学（九年级上册）[M]. 北京：
人民教育出版社， 2012：
129.
[2][5]钱胜， 冯红霞. 对“白磷在水下燃烧实验”的多种改进[J]. 化学教学， 2011， （3）：
38～39.
[3][6]郭强， 支维洲， 杨嵘， 赵越. “白磷在水下燃烧实验”的再改進[J]. 化学教学， 2011， （11）：
39～40.
[4]张艳琴， 史祥利. 探究“燃烧的条件”实验改进[J]. 潍坊教育学院学报， 2012， 25（4）：
93～94.
[7]谭文生. 对“白磷在水下燃烧实验”的趣味性设计[J]. 化学教学， 2011， （12）：
42.
[8]刘信友. “白磷在水下燃烧实验”的微量化设计[J]. 化学教学， 2015， （3）：
54.
[9]吴国权. 白磷水下燃烧演示实验的再研究[J]. 化学教育， 2013， 34（3）：
58～59.
[10]周来友. 白磷在水中燃烧实验的再改进[J]. 化学教学， 2017， （8）：
68～72.