“暖宝宝”反应原理和产物组成的探究

2007年．第 10期 研究性学习探索 “暖宝宝"反应原理和产物组成的探究 熊宗齐．徐 泓 (宣城中学，安徽宣城 242000) 文章编号：1005—6629(2007)10—0025—02 中图分类号：G633．8 文献标识码：B 1 活动设计的背景 冬天寒冷的时候，人们会使用各种方式来御寒 保暖。其中有一种很方便的贴片——暖宝宝，它薄 如纸、轻如棉、柔软而富有弹性，使用时只须往相 应部位一贴，立刻就能发热，温度最高达63c【=，平 均53c【=。持续时间在10—12dx时，对腰 ，肩 ，胃， 腿及关节等疼痛均有缓解作用，在寒冷的冬季对防 止冻伤、驱寒有很好的效果，而且携带方便，发热 持久稳定。 “暖宝宝”是铁 ，蛭石，活性炭 ，无机盐，水 等合成的混合物。其中蛭石是一种铁镁质铝硅酸盐 矿物，成分为Mgo~(H20)4Mga[A1Si，0ld(On)2，因加热 时能迅速膨胀，弯曲呈水蛭 (蚂蟥)状而得名。蛭 石一般呈褐色、褐黄色或暗绿色，带油脂的玻璃光 泽。莫氏硬度1．5~2．8，比重2．1—2．7。用加热或化 学方法使其膨胀，体积可膨胀20倍左右。加热后的 蛭石变成银灰色，比重下降No．6～0．9。约有80％的 膨胀蛭石用于建筑工业，是良好的隔热、隔音材 料。蛭石是当今世界首屈一指的超级保温材料。将 蛭石经过一系列复杂的化学处理。提取出来的蛭石 薄膜呈半透明。这种薄膜层的保温性能极好，用 来制作防火覆盖层、房顶防热、高温衬垫、熔炉或 锅炉用的膨胀连接件。冰箱等家用电器、孵化器的 防热层和电缆外包层等都很适宜。 那么暖宝宝怎么会有这么持久而又稳定的热量 呢?它的发热原理又是怎样的呢?本活动通过收集 相关资料，对 “暖宝宝”的反应原理和使用过后的 产物进行探究和鉴定。 2 与新课程的融合 这一活动适用于普通高中化学课程中必修 模块1中 “主2化学实验基础”的 “体验科学探究 的过程。学习运用以实验为基础的实证研究方法” 和 “初步学会物质的检验、分离、提纯和溶液配制 等实验技能” “主题3常见无机物及其应用”的 “根据生产 、生活中的应用实例或通过实验探究， 了解钠、铝、铁、铜等金属及其重要化合物的主要 性质。能列举合金材料的重要应用” 以及必修模 块2中 “主题2化学反应与能量”的 “举例说明化学 能与电能的转化关系及其应用”。 3 活动设计的原理 “暖宝宝”是利用铁氧化反应放热来发热。实 际上也就是根据铁在潮湿空气中发生吸氧腐蚀的原 理。同时利用活性炭的强吸附性。在活性炭的疏松 结构中储有水蒸气，水蒸气液化成水滴，流出与空 气和铁粉接触，在氯化钠的催化作用下较为迅速的 发生反应生成氢氧化铁，放出热量。 铁在自然条件下的氧化反应速度是缓慢的，若 能加快这种反应，如设法加大铁的表面积，使用 水，食盐和活性炭形成原电池来促进反应，就可以 得到发热袋所需的温度，成为发热袋的热源。 负极 ：Fe一2e-=Fe2 正极 ：02+2H2O+4e-=40H一 总反应：2Fe+O2+2H2O=2Fe(OH)2 4Fe(OH)2+2H20+02=4Fe(OH)3、l 2Fe(OH)3 Fe203+3H20 4 活动开展的过程． 4．i 活动用品准备 NaC1溶液 原电池反应槽、导线、灵敏电流表、铁片、碳 棒、5％NaC1溶液、烧杯、试管、漏斗、滤纸、铁 架台、胶头滴管、玻璃棒、pH试纸、药匙、酒精 维普资讯 http://www.cqvip.com 26 化学教学 2007年，第 10期 灯、铂丝、蒸发皿、暖宝宝用后的剩余混合物 (黑 褐色 固体 )、NaOH溶 液 、稀HC1、AgNO3溶液 、 H 0、KSCN溶液、澄清石灰水 、数码相机和摄像 头(用于实验过程及现象的)等。 ’ 4．2 活动步骤设计 4．2．1 原理探究 将铁片和碳棒用导线连接 (在导线间接人灵敏 电流表)，平行插入盛有5％NaC1溶液的原电池反应 槽中，观察实验现象。 原电池装置图 夏敏电流计指针偏转 实验结论：铁和碳可以形成原电池来加速铁的 氧化反应。从而更快地释放出热量。 4．2．2 产物探究 (1)取少量样品，加水溶解 ，有大量不溶物。 过滤，得到无色透明滤液，将滤液分成四份。 第一份滤液中加入KSCN溶液。无明显现象。 第二份加A．AgNO3溶液，出现白色沉淀。第三份滴 加NaOH溶液，无明显现象。第四份做焰色反应火 焰为黄色。 说明样品可部分溶解 。产物中含有NaCI，溶入 水后的滤液中不含Fe Al ，M 。 (2)另取少量样品，加入过量NaOH溶液，有 大量不溶物。过滤，得到无色透明滤液。取少量滤 液于试管中，滴~IIKSCN溶液，无明显现象。说明 样品不与碱反应。 (3)另取少量样品，加入过量HCI溶液，过 滤，得到金黄色澄清滤液。将滤液分成两份。一份 加入KSCN溶液，溶液立即变为血红色。 另一份滴~IINaOH溶液 ，一开始无明显现象， mpH试纸调节溶液的pH值为7，使NaOH溶液将剩 余的HCI溶液中和。继续滴~11NaOH溶液 。渐渐开 始出现墨绿色沉淀，振荡，沉淀消失。继续滴加 NaOH溶液至过量 ，沉淀部分消失 ，变为棕黄色。 静置分层，上层为无色透明溶液，下层积聚着红褐 色沉淀，过滤，将得到的固体加热，得红棕色固 体 ，该固体不溶于水，溶于酸得棕黄色溶液，初步 确定为Fe2o 。 逐滴滴加NaOH溶液时的实验现象 墨绿色沉淀为红褐色氢氧化铁沉淀和白色氢氧 化铝 (可能也有氢氧化镁)沉淀的混合物，继续滴 ~11NaOH溶液，氢氧化铝沉淀逐渐消失，最终剩余 红褐色氢氧化铁沉淀。 (4)将滤渣收集起来，烘干，得黑色粉末，点 燃 ，能够燃烧 ，产生的气体能使澄清石灰水变浑 浊。初步确定其为碳粉。 4．3 探究结论分析 通过观察到的实验现象，我们综合多种因素得 出结论：暖宝宝的反应原理为利用原电池加快氧化 反应速度，将化学能转变为热能。为了使温度能够 持续更长，产品使用了矿物材料蛭石来保温。因为 产品在使用前不能发生反应所 以袋子材质要很特 别，由原料层，明胶层和无纺布袋组成。无纺布袋 是采用微孔透气膜制作的。它还得有一个常规不透 气的外袋——明胶层。在使用时，去掉外袋，让内 袋 (无纺布袋)暴露在空气里，空气中的氧气通过 透气膜进入里面。放热的时间和温度就是通过透气 膜的透氧速率进行控制的。如果透氧太快，热量一 下子就放掉了，而且还有可能烫伤皮肤。如果透氧 太慢，就没有什么温度了。使用后为黑褐色固体。 其中含碳粉、NaC1固体、Fe2o，固体以及含镁铝的 盐类。 5 活动 中预设问题的设计 (1)为什么暖宝宝在用之前和用之后的固体状 态不一样呢?(用之前内有NaC1溶液，各物质未反应， 故为糊状物；用之后都转化为固体，故相对较硬) (2)为什么暖宝宝要使用双层包装?(外层是一 个常规不透气的外袋，用来隔绝空气，使用时需要 有氧气参与，故内层采用微孔透气膜制作的无纺布 袋) (3)为什么暖宝宝能发热，而且能保持如此之 长的时间? (它是通过铁粉的缓慢氧化放热。再通 过原电池原理加速氧化，使化学能转变为电能。然 后利用蛭石来保持温度，故能常达12dx时之久。而 且整个过程温度基本恒定) 维普资讯 http://www.cqvip.com