“暖寶寶”反應原理和產物組成的探究

文章編號：1005－6629(2007)10－0025－02中圖分類號：G633.8 文獻標識碼：B

1活動設計的背景

冬天寒冷的時候，人們會使用各種方式來御寒保暖。其中有一種很方便的貼片——暖寶寶，它薄如紙、輕如棉、柔軟而富有彈性，使用時只須往相應部位一貼，立刻就能發熱，溫度最高達63℃，平均53℃。持續時間在10－12小時，對腰，肩，胃，腿及關節等疼痛均有緩解作用，在寒冷的冬季對防止凍傷、驅寒有很好的效果，而且攜帶方便，發熱持久穩定。

“暖寶寶”是鐵，蛭石，活性炭，無機鹽，水等合成的混合物。其中蛭石是一種鐵鎂質鋁硅酸鹽礦物，成分為Mg0.5(H₂O)₄Mg₃[AlSi₃3O10](OH)₂，因加熱時能迅速膨脹，彎曲呈水蛭（螞蟥）狀而得名。蛭石一般呈褐色、褐黃色或暗綠色，帶油脂的玻璃光澤。莫氏硬度1.5～2.8，比重2.1～2.7。用加熱或化學方法使其膨脹，體積可膨脹20倍左右。加熱后的蛭石變成銀灰色，比重下降到0.6～0.9。約有80％的膨脹蛭石用于建筑工業，是良好的隔熱、隔音材料。蛭石是當今世界首屈一指的超級保溫材料。將蛭石經過一系列復雜的化學處理，提取出來的蛭石薄膜呈半透明。這種薄膜表層的保溫性能極好，用來制作防火覆蓋層、房頂防熱、高溫襯墊、熔爐或鍋爐用的膨脹連接件，冰箱等家用電器、孵化器的防熱層和電纜外包層等都很適宜。

那么暖寶寶怎么會有這么持久而又穩定的熱量呢？它的發熱原理又是怎樣的呢？本活動通過收集相關資料，對“暖寶寶”的反應原理和使用過后的產物進行探究和鑒定。

2與新課程的融合

這一活動適用于普通高中化學課程標準中必修模塊1中“主題2化學實驗基礎”的“體驗科學探究的過程，學習運用以實驗為基礎的實證研究方法”和“初步學會物質的檢驗、分離、提純和溶液配制等實驗技能” “主題3常見無機物及其應用”的“根據生產、生活中的應用實例或通過實驗探究，了解鈉、鋁、鐵、銅等金屬及其重要化合物的主要性質，能列舉合金材料的重要應用” 以及必修模塊2中“主題2化學反應與能量”的“舉例說明化學能與電能的轉化關系及其應用”。

3活動設計的原理

“暖寶寶”是利用鐵氧化反應放熱來發熱。實際上也就是根據鐵在潮濕空氣中發生吸氧腐蝕的原理。同時利用活性炭的強吸附性，在活性炭的疏松結構中儲有水蒸氣，水蒸氣液化成水滴，流出與空氣和鐵粉接觸，在氯化鈉的催化作用下較為迅速的發生反應生成氫氧化鐵，放出熱量。

鐵在自然條件下的氧化反應速度是緩慢的，若能加快這種反應，如設法加大鐵的表面積，使用水，食鹽和活性炭形成原電池來促進反應，就可以得到發熱袋所需的溫度，成為發熱袋的熱源。

4 活動開展的過程

4.1 活動用品準備

原電池反應槽、導線、靈敏電流表、鐵片、碳棒、5%NaCl溶液、燒杯、試管、漏斗、濾紙、鐵架臺、膠頭滴管、玻璃棒、pH試紙、藥匙、酒精燈、鉑絲、蒸發皿、暖寶寶用后的剩余混合物（黑褐色固體）、NaOH溶液、稀HCl、AgNO3溶液、H2O、KSCN溶液、澄清石灰水、數碼相機和攝像頭（用于實驗過程及現象的記錄）等。

4.2 活動步驟設計

4.2.1 原理探究

將鐵片和碳棒用導線連接（在導線間接入靈敏電流表），平行插入盛有5%NaCl溶液的原電池反應槽中，觀察實驗現象。

實驗結論：鐵和碳可以形成原電池來加速鐵的氧化反應，從而更快地釋放出熱量。

4.2.2產物探究

（1）取少量樣品，加水溶解，有大量不溶物。過濾，得到無色透明濾液，將濾液分成四份。

第一份濾液中加入KSCN溶液，無明顯現象。第二份加入AgNO3溶液，出現白色沉淀。第三份滴加NaOH溶液，無明顯現象。第四份做焰色反應火焰為黃色。

說明樣品可部分溶解，產物中含有NaCl，溶入水后的濾液中不含Fe3+，Al3+，Mg2+。

（2）另取少量樣品，加入過量NaOH溶液，有大量不溶物。過濾，得到無色透明濾液。取少量濾液于試管中，滴加KSCN溶液，無明顯現象。說明樣品不與堿反應。

（3）另取少量樣品，加入過量HCl溶液，過濾，得到金黃色澄清濾液。將濾液分成兩份。一份加入KSCN溶液，溶液立即變為血紅色。

另一份滴加NaOH溶液，一開始無明顯現象，用pH試紙調節溶液的pH值為7，使NaOH溶液將剩余的HCl溶液中和。繼續滴加NaOH溶液，漸漸開始出現墨綠色沉淀，振蕩，沉淀消失。繼續滴加NaOH溶液至過量，沉淀部分消失，變為棕黃色。靜置分層，上層為無色透明溶液，下層積聚著紅褐色沉淀，過濾，將得到的固體加熱，得紅棕色固體，該固體不溶于水，溶于酸得棕黃色溶液，初步確定為Fe2O3。

墨綠色沉淀為紅褐色氫氧化鐵沉淀和白色氫氧化鋁（可能也有氫氧化鎂）沉淀的混合物，繼續滴加NaOH溶液，氫氧化鋁沉淀逐漸消失，最終剩余紅褐色氫氧化鐵沉淀。

（4）將濾渣收集起來，烘干，得黑色粉末，點燃，能夠燃燒，產生的氣體能使澄清石灰水變渾濁，初步確定其為碳粉。

4.3 探究結論分析

通過觀察到的實驗現象，我們綜合多種因素得出結論：暖寶寶的反應原理為利用原電池加快氧化反應速度，將化學能轉變為熱能。為了使溫度能夠持續更長，產品使用了礦物材料蛭石來保溫。因為產品在使用前不能發生反應所以袋子材質要很特別，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。它還得有一個常規不透氣的外袋——明膠層。在使用時，去掉外袋，讓內袋（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。

5 活動中預設問題的設計

（1）為什么暖寶寶在用之前和用之后的固體狀態不一樣呢？（用之前內有NaCl溶液，各物質未反應，故為糊狀物；用之后都轉化為固體，故相對較硬）

（2）為什么暖寶寶要使用雙層包裝？（外層是一個常規不透氣的外袋，用來隔絕空氣，使用時需要有氧氣參與，故內層采用微孔透氣膜制作的無紡布袋）

（3）為什么暖寶寶能發熱，而且能保持如此之長的時間？ （它是通過鐵粉的緩慢氧化放熱，再通過原電池原理加速氧化，使化學能轉變為電能，然后利用蛭石來保持溫度，故能常達12小時之久，而且整個過程溫度基本恒定）

注：“本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內容請以PDF格式閱讀原文。”