孫黎穎 1，王程傑 2
摘要：用新型數位訊號的高溫傳感器探究酒精燈三個焰層的溫度，對比多種酒精燃料的外焰溫度。實驗結果表明，酒精燈火焰溫度外焰大於內焰大於焰心，這與傳統觀點一致。對於不同酒精燃料的外焰溫度，工業酒精大於 95% 乙醇大於無水乙醇。數位化實驗儀器的性能進步和技法精確提高了實驗結果的準確性。實驗室的多種加熱源可以替代酒精燈。
關鍵詞：數位化實驗；酒精燈火焰；焰層溫度；酒精燃燒熱；加熱源
酒精燈是我國中學化學實驗常見的加熱源。探究酒精燈火焰溫度的實驗方法多種多樣，有加熱玻璃棒等實物間接探究法，也有高溫傳感器直接探究法。酒精燈火焰的三個焰層：外焰，內焰，焰心的溫度高低以及各種不同酒精燃料的熱效應究竟怎樣，一直眾說紛紜。
傳統教材認為，酒精燈火焰的溫度由高到低依次為外焰＞內焰＞焰心。多種實物實驗方法也證實了這一點 [1，2]。如玻璃棒加熱法分別在三個焰層加熱玻璃棒，觀察玻璃棒彎曲的程度，支持這個觀點 [3]。有些數字實驗也支持這一觀點 [4]。但有些數字實驗卻得出了不同的結論，認為酒精燈的內焰溫度最高，外焰次之，焰心最低 [5~7]。
另外，酒精燈作為實驗室常用的加熱源，燃料有無水乙醇，95% 的乙醇，還有工業酒精。有觀點認為無水乙醇的熱效應最好，溫度應該最高。但也有不同的觀點認為工業酒精的效果最好。酒精燈加熱是否適合每個化學實驗？它是否是高中化學實驗室唯一的加熱源？是否有更多的加熱源替代酒精燈？這都值得探討。
朗威 ®8.0 數據採集器、朗威 ®8.0 高溫傳感器（金屬探頭 Φ=2mm，2 只，分別貼標籤 A 和 B）、酒精燈（容積 150mL）、全棉燈芯、升降臺、電腦、100mL 量筒、95% 乙醇（滬試牌，國藥集團化學試劑有限公司 AR 分析純）
（1）酒精燈中加入 100mL95% 的乙醇。實驗時不使用防風罩。
（2）搭裝儀器。連接好電腦，數據採集器和高溫傳感器。點燃酒精燈，旋轉升降臺，把高溫傳感器的探頭 A 固定在焰心中心的位置。
（3）進入通用軟體實驗界面，點擊「計算表格」中，選擇「自動記錄」，將時間間隔設置為「5s」，點擊開始。
（4）觀察實驗數據變化。待數據穩定後，停止記錄。單擊「繪圖」，設 x 軸為「時間」，y 軸為「溫度」，獲得測量圖線。見圖 1。
（5）待高溫傳感器冷卻後，按照步驟（1）~（4），再重複實驗兩次。
（6）計算平均值。三次實驗後獲得三組實驗數據。選擇每次實驗後二十組數據，選取軟體實驗
界面中「數據分析」、「求平均」獲得每次實驗的平均值數據。將平均值分別計入表格中。
（7）繪製「時間 - 溫度」測量圖線。單擊「繪圖」，設 x 軸為「時間」，y 軸為「溫度」，獲得酒精燈焰心的「時間 - 溫度」測量圖線。
（8）分別測定酒精燈外焰和內焰的溫度。重複實驗步驟（1）~（7），獲得相關實驗數據和測量圖線。
（9）重複（1）~（8）步驟的實驗，使用另外一根高溫傳感器 B 做實驗，獲得相關實驗數據和測量圖線。
實驗數據及測量曲線見表 1、表 2、圖 2、圖 3。
通過實驗數據可知，酒精燈火焰溫度從高到低依次為外焰＞內焰＞焰心。外焰溫度大於內焰溫度，內焰溫度大於焰心溫度。
數位化實驗的裝置包括硬體和操作軟體。硬體有傳感器、數據採集器、計算機。傳感器能感受待測物質規定的待測量，並把它轉換成輸出信號。數據採集器收集實驗過程中傳感器輸出的信號，然後把它轉變為數位訊號或模擬信號，動態跟蹤實驗過程中數據的變化並以多種形式表達實驗結果。測定酒精燈火焰溫度的實驗，數字實驗的儀器性能是實驗結果正確的關鍵要素。本次實驗的數位化儀器材料和性能大大改進，採用了優良的鉑金熱電偶和數位訊號。高溫傳感器的敏感元件為熱電偶。當導體的兩個接觸點 1 和 2 之間存在溫差時，兩者之間便產生電動勢 U，通過傳感器電路處理後即可轉換為溫度的變化，見圖 4。高溫傳感器測溫範圍一般在 0~1200℃之間。初期的高溫傳感器產品如朗威 ®DISLab6.0 是模擬信號，模擬信號會影響數據的傳輸。而這次實驗的朗威 ®8.0 產品使用數位訊號，與模擬信號相比，數位訊號不失真，通訊速率快，抗幹擾能力強，能更真實地測量和傳遞實驗數據。
由此可見，酒精燈火焰的溫度由高到低仍然依次為外焰＞內焰＞焰心，這與傳統觀點一致，也與實物間接探究法的觀點一致。這類實驗結果有所偏差的原因是數位化實驗儀器的不精確性和操作技法的失誤。隨著數位化實驗儀器的發展和進步，實驗結果越來越準確。實驗儀器的準確度對實驗結果會帶來影響。高溫傳感器 B 的實驗數據普遍低於高溫傳感器 A 的實驗數據，因為傳感器 B 使用時間比較久，探頭上有少量的鏽跡影響了儀器的靈敏度，但不影響實驗的總體趨勢分析和判斷。這個實驗的操作技巧比較嚴格，高溫傳感器的探頭要放在火焰錐形的中心位置。測定三個焰層溫度時探頭只能上下垂直移動，否則失之毫釐謬以千裡，影響測量結果的準確性。
朗威®8.0 數據採集器、朗威®8.0 高溫傳感器（金屬探頭Φ=2mm，2 只，標籤為A）、酒精燈（容積150mL）、全棉燈芯、升降臺、電腦，100mL 量筒、無水乙醇（AR 分析純）、95% 乙醇（AR 分析純）、工業酒精
（1）酒精燈中加入100mL 95% 的乙醇。重新更換全棉的燈芯。使用酒精燈擋風罩。
（2）搭裝儀器。連接好電腦，數據採集器和高溫傳感器。點燃酒精燈，旋轉升降臺，把高溫傳感器A 的探頭固定在外焰中心的位置。
（3）進入通用軟體實驗界面，點擊「計算表格」中，選擇「自動記錄」，將時間間隔設置為「5s」，點擊開始。
（4）觀察實驗數據變化。待數據穩定後，停止記錄。單擊「繪圖」，設x 軸為「時間」，y 軸為「溫度」，獲得測量圖線。
（5）待高溫傳感器冷卻後，按照步驟（1）~（4），再重複實驗兩次。
（6）計算平均值。三次實驗後獲得三組實驗數據。選擇每次實驗後二十組數據，選取「數據分析」、「求平均」獲得每次實驗的平均值數據。將平均值分別計入表格中。
（7）繪製「時間- 溫度」測量圖線。單擊「繪圖」，設x 軸為「時間」，y 軸為「溫度」，獲得酒精燈焰心的「時間- 溫度」測量圖線。
（8）分別測定無水乙醇和工業酒精的外焰溫度。重複實驗步驟（1）~（7），獲得相關實驗數據和測量曲線。
通過實驗數據可知，各種酒精燃料外焰溫度由高到低依次是工業酒精＞ 95% 乙醇＞無水乙醇。相同的95% 乙醇的測定，帶擋風罩的火焰溫度高於不帶擋風罩的溫度，使用了酒精燈擋風罩能聚集熱量。
工業酒精外焰溫度最高的原因：現行的工業酒精國家標準GB/T394.1-2008 見表4。從這個標準分析，工業酒精的成分比較複雜，除了乙醇外，還有甲醇，異丁醇，異戊醇，酸，酯，不揮發物等雜質。
工業酒精的主要成分乙醇，剩餘成分中主要是甲醇，一般甲醇含量小於5%。甲醇和乙醇的燃燒熱分別為22687.5kJ/kg 和29717kJ/kg，在消耗質量相同的條件下，甲醇釋放的熱量比乙醇小，但甲醇的閃點和自燃點低，所以它易引燃，易揮發，同
溫同壓下分子平均運動速度快，燃燒時耗氧能力強。三種酒精燃料中，工業酒精的甲醇含量最高，所以工業酒精測得的外焰溫度最高。
95% 的乙醇溫度高於無水乙醇的原因分析：95% 的乙醇是95% 的無水乙醇和5% 的水的混合物。如果這兩種酒精燃料在供氧都充足的條件下充分燃燒，理論上應該是無水乙醇產熱高，因為95% 乙醇中的水的氣化要吸熱，且95% 乙醇揮發時氣態乙醇分子密度也小。但實際使用中，無水乙醇是氧氣不足的不充分燃燒。判斷方法1 煙炱法，無水乙醇做燃料時，火焰加熱試管時間長些，試管外壁就會產生黑色煙炱。這說明無水乙醇做酒精燈燃料時，會有明顯的要吸熱的分解反應存在。部
分無水乙醇會分解為碳。判斷方法2 火焰明亮法，無水乙醇做燃料時火焰更明亮，這說明有碳粒，部分乙醇分子分解而沒有充分燃燒。如果95% 乙醇和無水乙醇供氧相同而且供氧不充足的條件下，假設兩者完全充分反應的乙醇質量是相同的（接近
95% 乙醇），而無水乙醇中多餘的乙醇分子就會受熱分解，分解吸熱的量遠遠大於水的氣化熱，導致火焰反而降溫。數字實驗探究的結論，即95% 的乙醇外焰溫度大於無水乙醇的外焰溫度，與實物間接探究和肉眼觀察判斷的結論一致。酒精燃燒越充分，黑色的煙炱就少，火焰明亮度相對就弱，溫度就越高。同時點燃分別裝有三種酒精燃料的酒精燈時，觀察到火焰最為明亮的是無水乙醇，然後是95% 乙醇，最後是工業酒精。
酒精燈是我國中學常規的加熱源。國外中學實驗室使用了多種加熱源，減少了石棉網之石棉對人身的傷害，而且達到了更好的實驗效果。
英美國家的中學實驗熱源多樣。主要以煤氣燈為主，還有很多電加熱源，如熱盤，納米熱盤，電加熱套，電熱燈，微型實驗中還有微型酒精燈等[8]。很多有機實驗禁止用火焰直接加熱。
煤氣燈（Benson burner）以煤氣或者天燃氣為燃料。煤氣燈的主要結構包括燈管，調氣孔，開關，氣源接口。煤氣燈的火焰一般分為三層，外溫度約為800~950℃，內焰溫度約為500℃，焰心溫度約為300℃。英國的IGCSE 化學試題中有一道題目：把火柴頭迅速插入煤氣燈的焰心，火柴頭竟沒有點燃，並認為原因是焰心有大量的煤氣缺少氧氣且溫度低。作者懷著驚奇的心情卻也成功體驗出了這個實驗。英美學生實驗「測定硫酸銅結晶水含量」的熱源就是煤氣燈[9]。這種實驗方法在國外已經十分普遍，但我國大部分地區還未實行。我校實踐表明，煤氣燈做這個實驗效果良好。雖然煤氣燈溫度比酒精燈高，但因為加熱裝置是一個開放的體系，升溫需要一定的時間，五水合硫酸銅失水的過程在可控程度內，用煤氣燈加熱
可以縮短加熱時間，達到與酒精燈加熱媲美的效果。煤氣燈在我國已越來越引起重視，有些學校實驗室不具備鋪設煤氣管道的條件，就用煤氣罐替代煤氣管道供氣。這時實驗室需要建設專門的儲氣瓶室，並要注意規範操作和使用安全。
電熱盤（Ceramic or Metal coated Hot Plate）是用陶瓷或者鋁矽合金做面板，電阻絲加熱的電加熱源。陶瓷或者鋁矽合金面板可以耐酸鹼耐腐蝕，最高溫度320~450℃，還能恆溫加熱。它加熱效果好，溶液受熱均勻，實驗效果良好，可用於製備乙酸乙酯、瓊脂、氫氧化鐵膠體、澱粉溶液等。
納米熱盤（Nano Heat Hot Plate）表面是耐酸鹼的陶瓷玻璃，它用納米材料加熱，比傳統電熱盤更輕巧。溫度範圍0~360℃，因為納米技術加熱更加均勻，因此配製的溶液能體現更好的實驗細節效果。
電加熱套（Heating Mantle）是中間球形中空的電阻絲加熱源。它內部襯有球狀的金屬網內膽，最高溫度達450℃，用於加熱球形玻璃儀器，如圓底燒瓶。圓底燒瓶受熱均勻，實驗效果好。
電熱燈（Electrical Burner）是國外最近出現替代煤氣燈的電加熱源。它是電阻絲加熱，功率約為500 瓦，5 分鐘內最高可達920℃。但這一新產品的技術目前還不穩定。
微型酒精燈（Micro Spirit Burner）為微型實驗配套設計，以酒精為燃料。燈體是塑料材質，但安裝燈芯的管子是玻璃或者陶瓷材質。微型酒精燈外焰溫度可達到約565℃，低於普通的酒精燈溫度。
電加熱源替代石棉網酒精燈的加熱方式，能減少潛在危險。高原缺氧地區，酒精燃燒不充分，電加熱源能發揮更好的替代作用。這些電加熱源雖然實驗效果好，但一線教師目前不太願意積極使用，主要原因是與教材要求的酒精燈加熱配套的裝置圖不同，擔心影響學生的考試成績。
通過實驗可知，用數位訊號高溫傳感器探究酒精燈火焰溫度：溫度從高到低依次是外焰＞內焰＞焰心，這與傳統教材和實物間接實驗方法的結論一致。幾種酒精燃料的溫度從高到低依次是工業酒精＞ 95% 乙醇＞無水乙醇。這與實物間接探究實驗和肉眼觀察法的結論吻合。數位化實驗儀器的性能直接影響實驗結果的準確性。最新的數字實驗儀器使用了鉑金材料和數位訊號傳感技術，實驗的結論與傳統教材的觀點一致。現代實驗技術手段既有其先進性也有其局限性。現代實驗手段要與傳統實驗方法結合，更加重視化學實驗的實踐性和嚴謹性。科學實驗的探索過程本身充滿了挑戰和曲折，有時甚至會出現反覆，這是中學化學實驗發展現代化進程的必經之路，也是科學的魅力所在。中學實驗室，除了酒精燈作為加熱源外，還可以使用實驗效果良好的電加熱源。現行教材中還沒有出現電加熱源，因此一線教學使用時還存在顧慮。酒精燈並非是實驗室唯一的加熱源，其根本目的是為化學實驗服務，無論採用何種加熱源，能達到良好的實驗效果才是硬道理。
參考文獻：
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[2] 戴樹東. 酒精燈火焰溫度實驗探究[ J]. 實驗設計與技術，2016，（S2）：50，58.
[3] 季進明. 酒精燈內焰和外焰溫度高低的再探究[ J]. 化學教學，2013，（3）：66~67.
[ 4 ] h t t p：//w w w. j s c h e m e d u . c o m /z x z x / 2 0 14 -3/092653_142844.html. 蔣紅年. 溫度傳感器探究酒精燈、蠟燭外焰、內焰、焰心的溫度高低.
[5] 錢揚義，陳國泉. 酒精燈火焰溫度是外焰「最高」嗎[ J]. 化學教育，2006，（7）：52~54.
[6] 江軍. DIS 探究酒精燈火焰的溫度[ J]. 化學教育，2009，（11）：61~64.
[7] 王克勤，逯俊玲，左志軍. 酒精燈加熱溫度的測定研究[ J]. 化學教學，2003，（11）：42~43.
[8] http：//www.findel-international.com.
[9] Kevin Hutchings. Classic Chemistry ExperimentsOne Hundred Tried and Tested Experiments [M]. London: theRoyal Society of Chemistry，2001：132~133.
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來源：《化學教學》2017年第11期
作者 ：孫黎穎 上海師範大學附屬中學 王程傑 華東師範大學
本期編輯美化 ：萬聰
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