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燃烧烃类:化学变化的标志

依次点燃甲烷、乙烯、乙炔和苯,比较每种燃料的火焰和产物。

目标

认识燃烧是化学变化:生成新物质(COX2\ce{CO2}、HX2O\ce{H2O}、炭黑),火焰颜色随含碳量变化。

仪器与试剂

四种气态烃样品和氧气源(虚拟);焰色图卡。

步骤

  1. 选择 CHX4\ce{CH4} 点燃。记下火焰颜色和尾气中的产物。
  2. 切换到 CX2HX4\ce{C2H4} 和 CX2HX2\ce{C2H2},观察火焰变亮并开始出现炭黑。
  3. 最后观察 CX6HX6\ce{C6H6},按烟多少给四种燃料排序。
  4. 对每种燃料验证原子守恒:氧气充足时所有 C 变为 COX2\ce{CO2},所有 H 变为 HX2O\ce{H2O}。

观察要点

  • CHX4\ce{CH4} 呈干净的蓝色火焰;含碳量更高的燃料火焰更亮、烟更多——CX6HX6\ce{C6H6} 烟最大。
  • 四种燃料完全燃烧的产物都是 COX2\ce{CO2} 和 HX2O\ce{H2O}——化学变化的标志就是新物质的生成。

讲解

烃只含 C 和 H,因此在过量 OX2\ce{O2} 中完全燃烧总生成 COX2\ce{CO2} + HX2O\ce{H2O}:CHX4+2 OX2→COX2+2 HX2O\ce{CH4 + 2O2 -> CO2 + 2H2O},CX6HX6+152 OX2→6 COX2+3 HX2O\ce{C6H6 + 15/2 O2 -> 6CO2 + 3H2O}。局部缺氧时,碳以炭黑(C)和 CO\ce{CO} 形式逸出——黄色光来自炽热的炭黑颗粒。质量百分比 C 从 CHX4\ce{CH4}(75 %)升至 CX6HX6\ce{C6H6}(92 %),所以苯的火焰烟最大。

实验史话

1770年代,拉瓦锡证明燃烧是与氧结合而非“燃素”的散失——仔细称量烃的燃烧,质量始终守恒。

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虚拟实验是帮助建立直觉的简化模型,不能替代真实实验和安全培训;没有指导请勿在家自行重复。