初中化學探究實驗報告：探求“暖寶寶”的發(fā)熱原理及運用
初中化學探究實驗報告：探求“暖寶寶”的發(fā)熱原理及運用
宏達學校 八（ 13 ）班 陳嘉珩
[教師點評] ：暖寶寶是冬日里常用的貼身取暖工具，有了它可以抵抗冬日的嚴寒。在我們享受它帶來的溫暖的同時，人們也在思考暖寶寶的發(fā)熱原理是什么?它可以有什么應用呢?本文作者的探究將一一解答這些問題。
指導老師： 祝周官
[關鍵詞] 暖寶寶 氧化 原電池 發(fā)熱
一、問題的提出
在日本70年代，有人基于化學知識發(fā)明了“暖寶寶”。不用火、電、水或其他能源，撕開外袋即可發(fā)熱，可保持8-18小時左右，因此叫“暖寶寶”又叫取暖袋。如今，在日本“暖寶寶”已經(jīng)成為現(xiàn)代生活的必需品，冬季在戶外活動時，可防止肌肉過冷而緊張、防止手部凍傷、預防感冒或者緩解腰痛、腿痛、肩痛和其他生理病痛。因為不使用火，小孩和老人都可安全使用。2006年國內(nèi)涌現(xiàn)出了較多品牌，日化企業(yè)利用其行業(yè)優(yōu)勢率先搶占日用品市場，賺取了第一桶金。2008年，中國的“暖寶寶”市場已漸入佳境。據(jù)不完全統(tǒng)計，截止2008年底，國內(nèi)“暖寶寶”生產(chǎn)廠家超過百家，年生產(chǎn)能力達1.81億貼。2006年大部分廠商開始生產(chǎn)銷售暖貼，由于生產(chǎn)廠商眾多，部分廠商受到其銷量大的誘惑，大量生產(chǎn)“暖寶寶”。
那么，這一片看似普通的小東西為什么可以發(fā)熱，甚至溫度達到50多攝氏度呢?它的發(fā)熱原理能運用到那些地方?它的使用是否具有安全性?我不禁產(chǎn)生了許多疑問。
圖1目前市面上的暖寶寶
二、問題的探究
通過查閱資料，我了解到：鐵(Fe)的氧化反應后，生成了氧化鐵(Fe2O3)或四氧化三鐵(Fe3O4)，在此過程中，放出熱量。
[ 實驗一 ] 探求影響鐵的氧化反應速率的因素的實驗
提出問題： 影響鐵的氧化反應速率的因素有哪些?
提出猜想：
猜想一：鐵的氧化反應速率與所處環(huán)境濕度有關。
猜想二：鐵的氧化反應速率與是否有電解質(zhì)有關。
猜想三：鐵的氧化反應速率與所處環(huán)境氧氣濃度有關。
實驗器材： 4只容積相同的試管，水蒸氣，氧氣，20%的氯化鈉溶液，若干大小形狀相同的鐵片。
實驗方案： （如表 1 所示）
1.把四支試管分別標為①②③④，并放入未被氧化的光亮的鐵片各一片。
2.往試管①中通入干燥的空氣，往試管②中通入等量的潮濕的空氣，往試管③中通入干燥的純氧，向試管④用滴管滴入少許氯化鈉溶液并通入空氣。
3.將這四個試管密封放入20攝氏度的恒溫箱內(nèi)，并隔絕陽光，一月后觀察實驗現(xiàn)象。
實驗現(xiàn)象： （如表 2 ）
實驗組別實驗現(xiàn)象
實驗結論： 鐵的氧化反應速率與所處環(huán)境濕度，電解質(zhì)的有無，和氧氣濃度有關。
上述條件中，鐵(Fe)的氧化反應是極為緩慢的，所以放出的熱量也極為稀少，不能滿足冬天取暖的需要。而要使氧化反應時放出大量的熱量，就要加快鐵的氧化反應速率。
[ 實驗二 ] 關于加快鐵的氧化反應速率的實驗（見圖 2 ）
實驗器材： 燒杯、長短粗細相同的鐵棒(Fe)和碳棒(C)、導線若干、電流表、100mL的5%的氯化鈉(NaCl)的水溶液。
實驗步驟：
1. 向燒杯中倒入100mL的5%的氯化鈉的水溶液
2. 往燒杯中插入鐵棒、碳棒各一枚，并使其沒入水中，并固定。
3. 從鐵棒、碳棒的一端各引出一根導線，并各接在電流表的接線柱上，注意正負接線柱的接法。
實驗現(xiàn)象：
電流表出現(xiàn)微弱示數(shù)。一段時間后，鐵棒上出現(xiàn)了大量紅棕色固體，經(jīng)過判斷，該固體為氧化鐵(Fe2O3)。
實驗結論：
由鐵(Fe)、碳(C)和氯化鈉(NaCl)溶液組成的原電池可以加快鐵的氧化反應速率。
由上述實驗可知，我們可以組成一個鐵碳原電池來加快鐵的氧化速率，以放出熱。
在此基礎上，使用細顆粒(150微米以下)的鐵粉和碳粉可以增大接觸面積，更快地氧化，并以此放出更多的熱。
由此，我們可以知道，暖貼的反應原理為利用原電池加快氧化反應速度，將化學能轉變?yōu)闊崮?。為了使溫度能夠持續(xù)更長，使用了礦物材料蛭石來保溫。因為在使用前不能發(fā)生反應所以袋子材質(zhì)要很特別，由原料層，明膠層和無紡布袋組成。無紡布袋是采用微孔透氣膜制作的，它還得有一個常規(guī)不透氣的外袋。在使用時，去掉外袋，讓內(nèi)袋(無紡布袋)暴露在空氣里，空氣中的氧氣通過透氣膜進入里面。放熱的時間和溫度就是通過透氣膜的透氧速率進行控制的。如果透氧太快，熱量一下子就放掉了，而且還有可能燙傷皮膚。如果透氧太慢，就沒有什么溫度了。使用后為黑褐色固體，其中含碳粉、NaCl固體、Fe2O3固體以及含鎂鋁的鹽類。
下面是這個化學反應的方程式：
負極：
Fe-2e-＝Fe2+
正極：
O2 + 2H2O + 4e-＝4OH-
總反應：
2Fe + O2 + 2H2O=2Fe(OH)2
4Fe(OH)2 + 2H2O + O2=4Fe(OH)3↓
2Fe(OH)3 ==== Fe2O3+3H2O
自制一個暖寶寶
1.將鐵粉、活性炭和食鹽水倒入燒杯中。
2.用玻璃棒充分攪勻后，裝入塑料袋中。
3.將塑料袋袋口部位折盈幾次，用訂書針或回形針加封好，袋口留一個小透氣孔。
4.雙手輕輕搓動塑料袋，半分鐘后可以看到水蒸氣出現(xiàn)，3一5分鐘后，塑料袋的溫度明顯升高，平均溫度可在40℃一50℃之間。
三、探究結果的應用
1. 現(xiàn)有的應用
a) 足暖貼
其反應原理也是利用氧化還原反應，將化學能轉變?yōu)闊崮?。為了使溫度能夠持續(xù)更長，產(chǎn)品使用了礦物材料蛭石來保溫，同時更重要的是使氧氣緩慢的進入，所以裝料袋子材質(zhì)要很特別，由原料層，明膠層，透氣膜和無紡布袋組成。無紡布要附上一層微孔透氣膜。另外還得有一個常規(guī)不透氣的外袋——就是俗稱的塑料袋。在使用時，撕開外袋，讓內(nèi)袋(無紡布袋)暴露在空氣里，空氣中的氧氣通過透氣膜進入里面。發(fā)熱的時間和溫度是通過透氣膜的透氧速率進行控制的。如果進氧量太多，反應很快熱量一下子就放掉了，而且還有可能燙傷皮膚。如果透氧太慢，反應比較慢，放熱少，就沒有什么溫度了。使用后為赤褐色固體，其中含碳粉、氯化鈉固體、四氧化三鐵固體以及鹽類。
b) 火鍋加熱包
自煮火鍋發(fā)熱原理來自于包裝盒內(nèi)部的發(fā)熱包。這個發(fā)熱包用途廣泛，其中主要成分是碳酸鈉、焙燒硅藻土、鐵粉、鋁粉、焦炭粉、活性炭、鹽、生石灰組成一袋，注入冷水，就可以加熱到150℃以上，而蒸汽的溫度即可達到200℃，用來蒸煮食物。生石灰，學名氧化鈣，它和水接觸之后可以產(chǎn)生熟石灰，學名氫氧化鈣。在這個過程中會釋放大量熱量，是發(fā)熱包主要的熱量來源。發(fā)熱包中含有硅藻土、活性炭等成分，它們是典型的吸附劑。其疏松多孔的結構有利于各種有效成分附著，充分接觸并發(fā)生化學反應。發(fā)熱包通常還有碳酸鈉、氯化鈣、硫酸鎂等鹽分，主要是用來吸收滲入包裝內(nèi)的微量水分，防止氧化鈣逐漸失效，同時在化學反應中起到輔助作用。此外，發(fā)熱包中也常見鐵粉和鋁粉，它們可以通過和氧氣反應釋放少量熱量。也可以和活性炭、水分、鹽分形成“原電池”效應，通過氧化還原反應釋放熱量。
應用拓展的設想 :一次性發(fā)熱桌（坐）墊
設計目的：
a) 普通電加熱桌墊大多數(shù)為低壓供電，所以多有電源適配器，如果損壞，有觸電的危險。而使用本原理制作的化學加熱桌墊，無電流，危險度低。
b) 遠途使用可隨用隨拋棄。
設計構想：
鐵粉、活性炭和食鹽水灌入無紡布袋(高強度，可透氣)，正面涂上橡膠涂層，背面透氣，使用前真空包裝，可卷曲，便于攜帶。
四、實驗對現(xiàn)實生活的指導意義
暖寶寶對腰、肩、胃、腿及關節(jié)等疼痛均有緩解作用，能快速緩解并消除各種畏寒疾病引起的疼痛，是關節(jié)炎、肩周炎、腰腿痛、風濕及類風濕、四肢發(fā)涼、患處遇寒疼痛等疾病患者止痛的即開即用型。驅寒保暖，促進人體微循環(huán)。
我們可以自制一個“暖寶寶”，驅寒保暖，過上一個舒適的冬季。
參考資料：
本期編輯
供稿： 張益平
制作： 祝燁燁
以上就是100唯爾(100vr.com)小編為您介紹的關于暖寶寶的知識技巧了，學習以上的初中化學探究實驗報告：探求“暖寶寶”的發(fā)熱原理及運用 知識，對于暖寶寶的幫助都是非常大的，這也是新手學習基礎課程所需要注意的地方。如果使用100唯爾還有什么問題可以點擊右側人工服務，我們會有專業(yè)的人士來為您解答。
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