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[组图]“暖宝宝”反应原理和产物组成的探究(省级课题)         ★★★
“暖宝宝”反应原理和产物组成的探究
作者:ahxchxjy 文章来源:本站原创 点击数:2191 更新时间:2009-6-23 10:49:45

“暖宝宝”反应原理和产物组成的探究

——新课程理念下学生探究活动设计一例

熊宗齐    

 

摘要:本文介绍一例新课程理念指导下开展的“探究市售‘暖宝宝’的反应原理和产物”的学生活动设计方案,引导学生从生活实际出发,主动探究原电池工作的原理,并获取有关铁、钠、铝及其化合物的知识,促进学生学习方式的转变。

关键词:暖宝宝    原电池    铁及其化合物   活动设计   

 

新课程倡导充分发挥学生的主体性,通过以实验为主的探究活动,让化学学习与学生的实际生活相联系,从而转变学生的思想观念和学习方式。鉴于此,化学活动设计既要符合学生的认知水平,又要贴近学生生活实际。教师通过此类活动引导学生亲自动手进行实验活动,既能提高学生的科学素养,又能提升教师的专业水平,立足于课标内容创造性地使用教材,开发新的教学资源,体现新课程的理念,促进教师教研能力的发展。

 

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63℃,平均53℃。持续时间在10-12小时,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,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Mg0.5(H2O)4Mg3[AlSi3O10](OH)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1.52.8,比重2.12.7。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,比重下降到0.60.9。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。这种薄膜表层的保温性能极好,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标准中必修模块1中“主题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。

 G

Fe

C 

NaCl溶液

负极:Fe-2e-Fe2+       

正极:O2 + 2H2O + 4e-4OH-

    总反应:2Fe + O2 + 2H2O2Fe(OH)2

2Fe(OH)2 + 2H2O + 3O24Fe(OH)3  

2Fe(OH)3  Fe2O3+3H2O

 

4  活动开展的过程

4.1  活动用品准备

  原电池反应槽、导线、灵敏电流表、铁片、碳棒、5%NaCl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HCl、AgNO3溶液、H2O、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记录)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(在导线间接入灵敏电流表),平行插

入盛有5%NaCl溶液的原电池反应槽中,观察实验现象。

原电池装置图

灵敏电流计指针偏转

   


 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。第二份加入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NaCl,溶入水后的滤液中不含Fe3+,Al3+,Mg2+

(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,滴加KSCN溶液,明显现象。说明样品不与碱反应。

(3)另取少量样品,加入过量HCl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。

加酸反应后的滤液

滴加KSCN溶液

 

 

 

 

 

 


另一份滴加NaOH溶液,一开始无明显现象,用pH试纸调节溶液的pH值为7,使NaOH溶液将剩余的HCl溶液中和。继续滴加NaOH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Fe2O3

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,继续滴加NaOH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、NaCl固体、Fe2O3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NaCl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12小时之久,而且整个过程温度基本恒定)

参考文献

[1] 中华人民共和国教育部制订.普通高中化学课程标准(实验).北京:人民教育出版社,2003



*该文刊发于《化学教学》200710P25-26

文章录入:ahxchxjy    责任编辑:xchxjy 
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