初中化學(xué)探究實(shí)驗(yàn)報(bào)告：探求“暖寶寶”的發(fā)熱原理及運(yùn)用
初中化學(xué)探究實(shí)驗(yàn)報(bào)告：探求“暖寶寶”的發(fā)熱原理及運(yùn)用
宏達(dá)學(xué)校 八（ 13 ）班 陳嘉珩
[教師點(diǎn)評(píng)] ：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(yán)寒。在我們享受它帶來(lái)的溫暖的同時(shí)，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(yīng)用呢?本文作者的探究將一一解答這些問(wèn)題。
指導(dǎo)老師： 祝周官
[關(guān)鍵詞] 暖寶寶 氧化 原電池 發(fā)熱
一、問(wèn)題的提出
在日本70年代，有人基于化學(xué)知識(shí)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(shí)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(dòng)時(shí)，可防止肌肉過(guò)冷而緊張、防止手部?jī)鰝?、預(yù)防感冒或者緩解腰痛、腿痛、肩痛和其他生理病痛。因?yàn)椴皇褂没?，小孩和老人都可安全使用?006年國(guó)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(shì)率先搶占日用品市場(chǎng)，賺取了第一桶金。2008年，中國(guó)的“暖寶寶”市場(chǎng)已漸入佳境。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，截止2008年底，國(guó)內(nèi)“暖寶寶”生產(chǎn)廠家超過(guò)百家，年生產(chǎn)能力達(dá)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(dá)到50多攝氏度呢?它的發(fā)熱原理能運(yùn)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(wèn)。
圖1目前市面上的暖寶寶
二、問(wèn)題的探究
通過(guò)查閱資料，我了解到：鐵(Fe)的氧化反應(yīng)后，生成了氧化鐵(Fe2O3)或四氧化三鐵(Fe3O4)，在此過(guò)程中，放出熱量。
[ 實(shí)驗(yàn)一 ] 探求影響鐵的氧化反應(yīng)速率的因素的實(shí)驗(yàn)
提出問(wèn)題： 影響鐵的氧化反應(yīng)速率的因素有哪些?
提出猜想：
猜想一：鐵的氧化反應(yīng)速率與所處環(huán)境濕度有關(guān)。
猜想二：鐵的氧化反應(yīng)速率與是否有電解質(zhì)有關(guān)。
猜想三：鐵的氧化反應(yīng)速率與所處環(huán)境氧氣濃度有關(guān)。
實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)方案： （如表 1 所示）
1.把四支試管分別標(biāo)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(gè)試管密封放入20攝氏度的恒溫箱內(nèi)，并隔絕陽(yáng)光，一月后觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。
實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象： （如表 2 ）
實(shí)驗(yàn)組別實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象
實(shí)驗(yàn)結(jié)論： 鐵的氧化反應(yīng)速率與所處環(huán)境濕度，電解質(zhì)的有無(wú)，和氧氣濃度有關(guān)。
上述條件中，鐵(Fe)的氧化反應(yīng)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(yīng)時(shí)放出大量的熱量，就要加快鐵的氧化反應(yīng)速率。
[ 實(shí)驗(yàn)二 ] 關(guān)于加快鐵的氧化反應(yīng)速率的實(shí)驗(yàn)（見(jiàn)圖 2 ）
實(shí)驗(yàn)器材： 燒杯、長(zhǎng)短粗細(xì)相同的鐵棒(Fe)和碳棒(C)、導(dǎo)線若干、電流表、100mL的5%的氯化鈉(NaCl)的水溶液。
實(shí)驗(yàn)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(méi)入水中，并固定。
3. 從鐵棒、碳棒的一端各引出一根導(dǎo)線，并各接在電流表的接線柱上，注意正負(fù)接線柱的接法。
實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象：
電流表出現(xiàn)微弱示數(shù)。一段時(shí)間后，鐵棒上出現(xiàn)了大量紅棕色固體，經(jīng)過(guò)判斷，該固體為氧化鐵(Fe2O3)。
實(shí)驗(yàn)結(jié)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(yīng)速率。
由上述實(shí)驗(yàn)可知，我們可以組成一個(gè)鐵碳原電池來(lái)加快鐵的氧化速率，以放出熱。
在此基礎(chǔ)上，使用細(xì)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(yīng)原理為利用原電池加快氧化反應(yīng)速度，將化學(xué)能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?。為了使溫度能夠持續(xù)更長(zhǎng)，使用了礦物材料蛭石來(lái)保溫。因?yàn)樵谑褂们安荒馨l(fā)生反應(yīng)所以袋子材質(zhì)要很特別，由原料層，明膠層和無(wú)紡布袋組成。無(wú)紡布袋是采用微孔透氣膜制作的，它還得有一個(gè)常規(guī)不透氣的外袋。在使用時(shí)，去掉外袋，讓內(nèi)袋(無(wú)紡布袋)暴露在空氣里，空氣中的氧氣通過(guò)透氣膜進(jìn)入里面。放熱的時(shí)間和溫度就是通過(guò)透氣膜的透氧速率進(jìn)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(méi)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(gè)化學(xué)反應(yīng)的方程式：
負(fù)極：
Fe-2e-＝Fe2+
正極：
O2 + 2H2O + 4e-＝4OH-
總反應(yīng)：
2Fe + O2 + 2H2O=2Fe(OH)2
4Fe(OH)2 + 2H2O + O2=4Fe(OH)3↓
2Fe(OH)3 ==== Fe2O3+3H2O
自制一個(gè)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?jǐn)噭蚝?，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(gè)小透氣孔。
4.雙手輕輕搓動(dòng)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(jié)果的應(yīng)用
1. 現(xiàn)有的應(yīng)用
a) 足暖貼
其反應(yīng)原理也是利用氧化還原反應(yīng)，將化學(xué)能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?。為了使溫度能夠持續(xù)更長(zhǎng)，產(chǎn)品使用了礦物材料蛭石來(lái)保溫，同時(shí)更重要的是使氧氣緩慢的進(jìn)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(wú)紡布袋組成。無(wú)紡布要附上一層微孔透氣膜。另外還得有一個(gè)常規(guī)不透氣的外袋——就是俗稱的塑料袋。在使用時(shí)，撕開外袋，讓內(nèi)袋(無(wú)紡布袋)暴露在空氣里，空氣中的氧氣通過(guò)透氣膜進(jìn)入里面。發(fā)熱的時(shí)間和溫度是通過(guò)透氣膜的透氧速率進(jìn)行控制的。如果進(jìn)氧量太多，反應(yīng)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(yīng)比較慢，放熱少，就沒(méi)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(lái)自于包裝盒內(nèi)部的發(fā)熱包。這個(gè)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(dá)到200℃，用來(lái)蒸煮食物。生石灰，學(xué)名氧化鈣，它和水接觸之后可以產(chǎn)生熟石灰，學(xué)名氫氧化鈣。在這個(gè)過(guò)程中會(huì)釋放大量熱量，是發(fā)熱包主要的熱量來(lái)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(jié)構(gòu)有利于各種有效成分附著，充分接觸并發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。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(lái)吸收滲入包裝內(nèi)的微量水分，防止氧化鈣逐漸失效，同時(shí)在化學(xué)反應(yīng)中起到輔助作用。此外，發(fā)熱包中也常見(jiàn)鐵粉和鋁粉，它們可以通過(guò)和氧氣反應(yīng)釋放少量熱量。也可以和活性炭、水分、鹽分形成“原電池”效應(yīng)，通過(guò)氧化還原反應(yīng)釋放熱量。
應(yīng)用拓展的設(shè)想 :一次性發(fā)熱桌（坐）墊
設(shè)計(jì)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(xiǎn)。而使用本原理制作的化學(xué)加熱桌墊，無(wú)電流，危險(xiǎn)度低。
b) 遠(yuǎn)途使用可隨用隨拋棄。
設(shè)計(jì)構(gòu)想：
鐵粉、活性炭和食鹽水灌入無(wú)紡布袋(高強(qiáng)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(shí)驗(yàn)對(duì)現(xiàn)實(shí)生活的指導(dǎo)意義
暖寶寶對(duì)腰、肩、胃、腿及關(guān)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(guān)節(jié)炎、肩周炎、腰腿痛、風(fēng)濕及類風(fēng)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(qū)寒保暖，促進(jìn)人體微循環(huán)。
我們可以自制一個(gè)“暖寶寶”，驅(qū)寒保暖，過(guò)上一個(gè)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(guān)于暖寶寶的知識(shí)技巧了，學(xué)習(xí)以上的初中化學(xué)探究實(shí)驗(yàn)報(bào)告：探求“暖寶寶”的發(fā)熱原理及運(yùn)用 知識(shí)，對(duì)于暖寶寶的幫助都是非常大的，這也是新手學(xué)習(xí)基礎(chǔ)課程所需要注意的地方。如果使用100唯爾還有什么問(wèn)題可以點(diǎn)擊右側(cè)人工服務(wù)，我們會(huì)有專業(yè)的人士來(lái)為您解答。
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