黃婷楊+晶晶+魏銳

1為什么會形成火焰

化學課上，大多數學生都被“火是什么”、“火是不是物質”等問題所困擾。在通常的教學中我們不討論火的本質，但是當給學生略加解釋時，他們會露出釋疑的喜悅。

化學反應伴隨有能量的轉化，物質燃燒時釋放的能量以光和熱的形式釋放出來。釋放的能量使待反應的反應物熔化、氣化、撕裂成分子片斷或孤立的原子，它們才是反應歷程中每一步反應的真正反應物。這些微粒彌散在空氣中發(fā)生化學反應并釋放出光子，形成無數個小小的“光點”，這些小光點匯聚在一起就是火焰。若可燃物為氣態(tài)（例如氫氣）、可燃物氣化或者在反應過程中有可燃的氣態(tài)中間產物生成（如蠟燭、木柴等），燃燒時就會形成火焰。

而那些由于反應物熔點較高無法氣化的反應，或者反應過程中沒有大量氣態(tài)可燃物生成的反應，只能表現為發(fā)光，而不能形成火焰。例如，碳的沸點非常高，因此木炭在空氣中燃燒的現象為紅熱，在氧氣中燃燒的現象則表現為發(fā)出明亮的光。這些現象都是發(fā)光，而非火焰。對于碳化不完全的木炭，其中除了含有C元素外還含有H、O等元素，燃燒過程中可以產生氣態(tài)的中間產物，因此可形成微弱的火焰。且鐵絲在燃燒過程中，固體小顆粒飛濺出去便形成火星四射的現象，且鎂的熔點比鐵低很多，在燃燒過程中可以部分氣化，所以燃燒現象除了發(fā)光之外，還可以看到隱約飄忽的火焰。

2火焰為何呈拉長的水滴形

每個人都能夠輕松地用筆在紙上畫出蠟燭火焰的形狀，但是有多少人問過自己，“為什么蠟燭的火焰呈拉長的水滴形？”“為什么不論正立還是橫放蠟燭，蠟燭的火焰總是向上？”如果提出這些問題，我們能夠輕松給出答案嗎？關于火焰的形狀，是由于在重力作用下，熱的空氣輕（密度小），有上浮的趨勢；冷的空氣重（密度大），有下沉的趨勢；冷熱空氣流動，形成對流。如圖1所示，蠟燭燃燒產生的高溫氣體，以及火焰周圍被加熱的空氣，都會向上流動；同時周圍的冷空氣補充進來，就形成了對流。正是對流使火焰總是向上，而且把蠟燭的火焰拉長了。

圖1對流對火焰形狀的影響在燃燒過程中，對流還起到一個至關重要的作用，就是不斷地補充反應物——氧氣，并通過氣體流動使氧氣與燃料快速、充分地混合，使燃燒更劇烈。我們知道，在地球引力的作用下，物體都有下降以獲得更低的勢能的趨勢，這樣重的物體（密度大）就“搶占”了低的空間，輕的物體（密度?。﹦t“被迫”上升，從而形成對流。

對流是一個與我們的生活息息相關又很容易被忽視的規(guī)律，這種規(guī)律的應用也非常普遍。例如，走馬燈在宋代就已經出現了。如圖2所示，在一個方形或圓柱形的紙燈籠中，插一根鐵絲做立軸，軸上方裝一個葉輪，在軸的中央裝兩根交叉細鐵絲，在鐵絲每一端粘上人、馬之類的剪紙。當燈籠內燈燭點燃后，熱氣上升，形成氣流，從而推動葉輪旋轉，于是剪紙隨輪軸轉動。它們的影子投射到燈籠紙罩上。從外面看，便出現“車馳馬驟、團團不休”的繁華情景了。

圖2走馬燈示意圖實驗卡片1旋轉的紙杯走馬燈

（1）取一個紙杯，在靠近杯底1 cm的地方，剪出一個寬2.5 cm、高10 cm的長方形扇葉，共剪4個等距離分布的這樣的洞。在杯底中央處用針穿上線，使杯身能夠用線拉起。

（2）在桌面上立一支點燃的蠟燭，提起棉線并使杯口朝下，垂直放在燭火上方，如圖3所示。當熱空氣向上流動，流經扇葉片出口時，就能使紙杯轉動。

圖3自制紙杯走馬燈同理，熱氣球、孔明燈能夠被放飛升空也借助了對流的原理。一般的孔明燈是用很細的竹條做成圓桶形，外面以薄白紙包圍且開口朝下。在底部的支架中間綁上一塊沾有煤油或花生油的粗布，將油布點燃，燈內的油布燃燒一陣后產生熱空氣，孔明燈便膨脹，放手后整個燈會冉冉升空。

熱氣球或孔明燈能夠形象地說明熱的空氣變輕了，可以上升?？梢院啽愕匮菔具@個實驗嗎？借助溯因思維，若使孔明燈更容易升空，需要使制作材料更輕，越輕越有利。那么，借助放大思維，我們周圍有哪些材料又輕又便于獲取呢？可能比較容易想到塑料袋。哪種塑料袋最輕？經常在冰箱里用的薄膜保鮮袋就是一個很好的實驗材料。

實驗卡片2模擬孔明燈

（1）取一個冰箱用的保鮮袋，兩只手各捏住袋子的袋口兩邊，罩在火焰上方。注意不要讓火焰燒到保鮮袋。

（2）很快看到保鮮袋鼓了起來，松開手，可以看到保鮮袋上升。

通過上述實驗進一步體驗了對流的存在。在生活中，暖氣片都裝在較低的位置，因為其產生的熱空氣上升，熱交換更迅速；空調都裝在較高的位置，因為冷空氣下降，這樣熱交換更迅速。同樣，水的對流也是如此，燒水做飯的熱源總是從炊具的下面加熱，這樣可以使熱交換更迅速；當冷熱水的位置反過來，即熱水在上、冷水在下時，因為對流相對較弱，熱交換的效率就低很多，“開水養(yǎng)魚”的實驗魔術利用的就是這個原理。

實驗卡片3高低溫液體的相對位置對對流的影響

（1）向一大燒杯熱水中滴入幾滴紅墨水，攪拌得到紅色的熱水。取4只集氣瓶，2只裝滿紅色的熱水，2只裝滿無色、常溫的水。

（2）在紅色熱水集氣瓶上蓋1張硬紙片，壓緊硬紙片，翻轉瓶身置于冷水瓶上，使瓶口相對。

（3）慢慢抽出硬紙片，可以看到紅色水并沒有往下流，跟下方的無色冷水明顯地分開。

（4）重復上述步驟，但是將紅色熱水瓶置于無色冷水瓶的下面，紅色熱水很快就跟無色冷水混合在一起了。

實驗卡片4“開水養(yǎng)魚”的實驗魔術

把一條小魚放在盛有水的圓底燒瓶中，加熱上部，過一會看到水沸騰了，但是小魚卻安然無恙。（注：鑒于動物保護組織越來越強調動物倫理，建議不要在課堂上演示類似涉及動物的實驗。）

圖4“開水養(yǎng)魚”魔術裝置我們把話題再回到對流對蠟燭燃燒的影響上，對流不僅把火焰拉成長水滴形，而且因為對流，補充進來的冷空氣冷卻了燭身頂部的外圍，形成杯子的形狀，蠟油就儲存在這個“燭杯”里，不輕易流下來，使其能夠源源不斷地沿著燭芯向上輸送并燃燒。

3學生對“燭杯”成因的有趣解釋

對于形成燭杯的現象，一位學生卻給出這樣的解釋：把火焰看做一個點，燃燒產生的熱由該“熱點”向外輻射。距“熱點”距離相等處（以該點為中心的圓弧上）溫度相同，距離越遠，溫度越低，于是把蠟熔化成杯形（如圖5所示）。

圖5學生關于燭杯形成的“熱點”模型從學生提出的這個猜想中，可以看出學生的抽象與類比遷移能力。這一解釋中有兩條重要的假設：其一，把火焰抽象成一個點，類似于物理中的質點模型，學生在物理課中剛剛學過就類比遷移到對這一現象的解釋中來。當然，學生具有對事物進行抽象思維的能力，即使學生沒有學過質點模型，在處理兩個事物（火焰和蠟燭）之間的關系時，也可能會忽略火焰的形狀、顏色、分層結構等“次要因素”，抽象出其中的“熱點”這一“主要因素”，繼而進行演繹推理。我們目前還沒有證據說明直接進行抽象思維以及借助類比進行推理兩種思維方式哪種可能性更大，但學生的認識基于直接經驗同時又比直接經驗抽象的特點在人類的思維過程中同樣具有普遍性。其二，熱傳遞等距處溫度相同。在大學化工課程中才會對傳熱問題進行定量討論，盡管在以往的科學課中學生沒有學習過這一規(guī)律，但學生憑借生活經驗形成了這種樸素的科學觀念。

對于“加熱使火焰下方呈現杯形”的猜想可以采用追問的方式反駁：在物理學中，將物體抽象成質點的前提是物體在研究體系中的相對大小很小，或者其大小和形狀對于要研究的問題（如物體的運動）的影響可不考慮。那么，對于蠟燭火焰，是否可以將其看成熱點呢？進行這種抽象的前提條件是什么呢？與蠟燭的直徑相比，火焰的大小和形狀是否可以忽略？如果火焰的大小并不能忽略不計，也就是說不可抽象為熱點，那么是什么導致杯形的形成呢？由此，對流冷卻而形成“燭杯”的假設合理性更強。

“燭杯”成因的對流解釋和“熱點”解釋的爭論，可用非對流存在下（蠟燭失重燃燒）是否仍形成杯形作為依據。

4火焰的溫度有多高

在中學化學教學中，常用一根火柴梗橫置于火焰中，通過不同位置的碳化程度定性地判斷火焰不同位置的溫度；法拉第則通過加熱紙片得到的碳化環(huán)予以說明。前者只能說明一條線上溫度的差異，而后者則可說明一個切面上不同部位的溫度差異。紙片實驗與火柴梗實驗相比，更加鮮活和形象化。

實驗卡片5火焰溫度的布局

我們知道，在火焰中心部分有燭芯，有這種可燃性的氣體，它的外圍則是蠟燭燃燒時必不可少的空氣，而在火焰中心與外圍之間，卻發(fā)生著劇烈的化學作用。外圍的空氣和內部的可燃性氣體，彼此影響，相互反應，并在內部氣體不斷遭到破壞的同時，發(fā)出了熱和光。

如果我們檢查一下，蠟燭的熱力到底在什么地方，就會發(fā)現它的部署非常奇妙。比方說，取一張紙湊到燭火上烤，蠟燭的熱力表現在哪兒呢？實驗顯示，它不在中心部分，而是成為一個環(huán)形（如圖6所示），剛巧在前面所談的發(fā)生化學作用的地方。倘若沒有過于嚴重的干擾，即使實驗做得很不正規(guī)，紙上的火痕也都將是環(huán)形的。

圖6紙被加熱

形成環(huán)形火痕紙片與火焰接觸的一面會被熏黑，因此應在紙的另一面觀察燒焦的環(huán)形。用紙片得到環(huán)形火痕，比火柴梗能更直觀地展現火焰的高溫區(qū)域。但該實驗方法的不足在于將紙壓在火焰上時，火焰鋪開，實際環(huán)形火痕的直徑比蠟燭火焰的直徑要大。

以上實驗定性地說明了蠟燭不同部位火焰的溫度差異。那么，火焰不同部位的溫度到底有多高呢？

采用差分干涉法對蠟燭火焰溫度進行測量，當空氣中氧氣濃度為21 %時，分別在距離蠟燭頂部0 cm、1 cm和2 cm的截面處測定溫度，測量結果如圖7所示?？梢钥闯觯灎T火焰的最高溫度接近2000 K，且火焰溫度由中心到外圍先升高后降低，呈雙峰形狀。

1、2、3分別為距離蠟燭頂部

0cm、1 cm、2 cm的截面溫度

圖7蠟燭火焰不同位置徑向溫度分布電子散斑干涉（ESPI）、光折變全息干涉法等其他的非接觸式方法都可以用來測量火焰的溫度，然后借助計算機程序處理，可以得到火焰的三維溫度場，更加直觀地呈現火焰溫度的變化情況。例如酒精燈火焰的三維溫度場如圖8所示。

圖8酒精燈火焰的三維溫度場上述實驗在中學階段顯然無條件實施，而用高溫探頭探測酒精燈火焰不同部位的溫度，在中學教學中更具推廣性。該實驗測得酒精燈火焰溫度最高的部位可達到700 ℃左右，復證了火焰從里到外溫度先升高后降低的普遍規(guī)律。該文還指出酒精燈火焰的最高溫度不是出現在外焰，而是出現在內焰。外焰的酒精蒸氣受外界空氣影響較大，而且和外界空氣的能量交換劇烈，火焰的溫度受到很大的影響；焰心部位因空氣較稀薄，酒精蒸氣燃燒不充分，因此焰心的溫度也不高。內焰酒精蒸氣穩(wěn)定，與空氣接觸適中，燃燒較充分，發(fā)出的光最明亮，因此最高溫度在內焰出現。

實驗卡片6用高溫傳感器測定酒精燈火焰的溫度（錢揚義等，2003）

酒精燈的3層火焰常有跳動，因此不能直接手持探頭測量3層火焰的溫度。本實驗用如圖9所示的裝置進行，探頭從燈芯位置開始，通過調節(jié)燈座的高度，依次測量酒精燈各部分火焰的溫度。測量的原則是：每隔50 s調整一次探頭的位置（用調節(jié)燈座的高度的方法）以測量不同部位火焰的溫度；每次調整的高度為0.5 cm（以直尺為標度）；調整的時間為10 s，在10 s內提前完成調整的，達到10 s后方可重新計時。

圖9用高溫探頭測定酒精燈火焰的溫度由于火焰經常跳動，測量火焰各部位瞬時溫度，其意義不大。本實驗的測量結果是各個部位（每個部位采集50個數據）的平均溫度，實驗平行地進行3次。

圖10是3個實驗的溫度曲線的整合圖，3條曲線比較接近。因此，3個平行實驗得出的數據是合理的，能正確地反映酒精燈火焰的溫度變化情況。

圖10三次平行實驗的溫度整合（1）酒精燈3層火焰溫度的大小順序為：焰心<外焰<內焰，焰心和內焰溫度較穩(wěn)定，外焰溫度不穩(wěn)定，劇烈波動。

（2）焰心的平均溫度為432.3 ℃，內焰的平均溫度為665.5 ℃，外焰的平均溫度為519.9 ℃。

（3）最高溫度出現在內焰，酒精燈可以獲得的最高溫度為695.2 ℃（平均值）。

5火焰的顏色與亮度受什么影響

火焰由持續(xù)發(fā)光發(fā)熱的氧化還原反應產生，我們看到的火焰是反應釋放出的光子的可見光部分。影響火焰顏色的因素有很多，其中中間產物的分子光譜和固體顆粒物的熱輻射是主要原因，原子發(fā)射光譜與原子吸收光譜也有少量的影響。

在火焰中，高溫“撕碎”了氣態(tài)燃料分子，形成各種各樣的不完全的燃燒中間產物（主要為自由基或碳顆粒）。火焰中充足的能量使中間產物（主要是自由基）的電子激發(fā)，發(fā)出可見光。例如，甲烷燃燒過程中，其淡藍色火焰主要為自由基的光譜；又如，蠟燭火焰的淡藍色區(qū)域。

假如火焰溫度繼續(xù)升高，或者燃料組成中的含碳量增加。在有碳顆粒生成的情況下，灼熱碳顆粒的熱輻射，會發(fā)出明亮的光。從乙烷、乙烯到乙炔，由于燃料中含碳量的增加，燃燒產生的碳顆粒增多，產生的黑煙也依次變濃；火焰的顏色也由淡藍色過渡為明亮的白色。與汽油相比，柴油和煤油燃燒時生成的煙更多、火焰更亮也是這個原因。酒精噴燈的火焰亮度比酒精燈要暗，是因為酒精噴燈燃燒時空氣充足且溫度高，生成的碳顆粒少。蠟燭火焰最明亮的淡黃色區(qū)域就主要是由碳顆粒的熱輻射所致。

白金受熱后是不會熔化的，如果把白金絲放在火焰里燒，它發(fā)的光更亮。

現在，筆者用一根管子來輸送氫氣，另外這兒還有一種名叫氧氣的物質，氫氣得到它的幫助就可以燃燒。不過，氫氧混合物產生的熱量，雖然遠遠超過燭焰所含的熱量，可它發(fā)出的光度卻很弱。

但是，假如取點固體物質往氫氧混合物的火焰中一放，那它立刻變得光芒四射，閃亮通明了。例

如，拿一塊既不著火也不汽化的石灰（因為它不汽化，所以仍保持固體狀態(tài)，保持本身熱量）放進氫氧焰里，火焰光度馬上會發(fā)生顯著的變化。

大家看，氫在氧的幫助下燃燒起來了，它的熱力極其強大，可它的光度還是小得可憐，這顯然不是因為熱量不足，而是由于缺乏在燃燒中能夠保持固體狀態(tài)的微粒。如果把這塊石灰往氫氧焰里一放，它吐出的火焰亮度大增，由石灰發(fā)出的燦爛光華，可以與電燈媲美。（法拉第，1860）

若增大氧氣的濃度，燃燒更加充分，碳顆粒減少，火焰的亮度隨之減弱。例如，增大酒精噴燈的空氣進氣量，火焰顏色會變淺。蠟燭火焰最明亮的淡黃色區(qū)域再向外延伸，亮度減弱，就是由于和氧氣混合更加充分，碳顆粒減少所致。

由此可見，火焰的顏色和亮度與溫度并無一一對應的關系。通常認為，要生成碳顆粒，火焰的溫度應高于1 300 K。若火焰溫度較低，還沒有碳顆粒生成，火焰會較暗。例如蠟燭焰心處溫度最低、亮度最小。若火焰溫度很高，加之氧氣充足，碳顆粒充分燃燒，火焰也會變暗。

將膠頭滴管的尖嘴深入蠟燭火焰的不同部位，吸取該部位的煙氣，然后襯在一張白紙上觀察滴管內煙氣的顏色?？梢园l(fā)現火焰最明亮的部位吸取出的煙氣顏色最深。