紅外熱成像儀下鈉的性質及其熱效應

李順巧 龔英 楊子慧 陳繼平

摘要： 借助紅外熱成像儀與智能手機觀察并拍攝鈉在空氣中的變化過程，以及鈉與水反應過程中的位點溫度和熱量分布情況。對比分析煤油對鈉的氧化速率的影響。分析與展望探究實驗的結果（結論）在“鈉的性質”的教學中的教育功能與價值。

關鍵詞： 紅外熱成像技術; 鈉的性質實驗; 熱效應; 微型化

文章編號： 10056629（2022）02007404

中圖分類號： G633.8

文獻標識碼： B

1 引言

1.1 教學要求

鈉的切割和鈉與水反應的實驗，是鈉及其化合物教學中的重要實驗，位于人教版化學必修一第二章第一節。將鈉的切割實驗和鈉與水反應的探究實驗整合在一起，讓學生通過實驗探究，從問題和假設出發設計實驗并從中獲取證據、分析證據得出結論，增強學生對科學探究的理解，加深對鈉的性質的認識，了解鈉的保存及著火后的滅火方法，也為后續其他元素及其化合物的學習打下基礎。《普通高中化學課程標準（2017年版）》[1]明確提出“鈉的性質實驗為探究性實驗活動，并要求通過該部分知識的學習，讓學生能了解實驗室危險物質的保存和使用方法，分析生產、生活及周邊環境中的一些常見問題并能做相應處理。

為了達成教學要求，教師做了不少的研究，也達到了很好的效果，如實驗裝置的改進與優化[2]、控制鈉與水反應的劇烈程度、反應產物的驗證[3]等，但是對該反應放出熱量的研究并不多，現有研究主要是利用溫度傳感器、觸摸反應器外壁或者根據實驗現象（鈉熔化為小球、嘶嘶響聲）等來推理反應放出熱量。各種實驗方法各有優勢，但往往被一些條件所限制，如通過觸摸反應器外壁感知溫度變化時，如果溫度變化較微弱，就無法通過觸覺感知到;利用溫度傳感器或溫度計，一般只能測出反應宏觀體系的熱量變化，由于金屬鈉的用量較少，放出的熱量不多，致使溶液體系的溫度變化不大。

1.2 紅外熱成像技術在教學方面的研究

紅外熱成像是一種無損、非接觸式的檢測技術，2001年Cabello等人提出將紅外熱成像技術應用到教學中[4]。近年來，國內外對紅外熱成像技術應用到教學中的研究逐漸增多，如Haglund等人[5]將紅外攝像機應用到本科物理和化學教學中，發現紅外攝像機可以成為支持探究性學習的有效工具;凌一洲等[6]、劉江等[7]利用紅外熱成像技術觀察中學化學中的一些反應過程，發現紅外熱成像技術具有不需接觸即可測溫、通過彩色圖像將肉眼不可見的熱量變化直觀表現出來、能實時動態地顯示溫度分布等優點;吳梅芬等利用紅外熱成像技術觀察金屬微顆粒在空氣中陰燃的熱效應[8]，發現熱成像儀對微弱的溫度變化非常敏感，能敏銳地反映微弱的化學反應熱效應。

1.3 問題的提出及目的

為了彌補鈉與水反應過程中熱量變化不易感知、現有測溫工具無法捕捉到鈉與水反應的位點溫度的缺陷，依據課標要求，本研究擬借助SEEK手機（USB）紅外熱成像儀（COMPACT PRO）觀察并拍攝鈉暴露在空氣中的變化過程、煤油對鈉的保護作用、鈉與水反應過程中的位點溫度和熱量分布等實驗現象。將反應過程中肉眼不可見的熱量變化過程可視化，為學生提供更直接和直觀的證據，以幫助學生學習和掌握這部分知識。

2 實驗設計

2.1 實驗藥品

金屬鈉、蒸餾水、酚酞溶液

2.2 實驗設備及裝置

本研究采用的紅外熱成像儀是SEEK旗下的新款Compact PRO熱成像攝像頭，支持與Android智能手機進行連接拍攝。它配備了測溫用的熱傳感器陣列，范圍在-40～330℃。Compact PRO帶有廣角鏡頭，整體尺寸為1×1.75×1英寸（約2.5×4.4×2.5cm），傳感器分辨率為320×240（7.68萬像素），最近使用距離為15cm。Compact PRO的功耗也很低。該熱成像儀可直接插入手機端口，拍攝的圖像直接保存于設備的內置存儲中（本研究的裝置如圖1所示）。Compact PRO的應用設置提供了諸多功能，包括選擇希望看到的熱度層級，不同的調配色（比如灰度和低對比度），設置16∶9或4∶3畫幅，以及7種用戶模式。

將實驗裝置按照圖1所示的方式組裝完成。打開智能手機內的軟件，將需要觀察的物體或實驗置于紅外熱成像儀下方，在手機上調節不同的功能進行觀察拍攝，所拍攝的視頻會自動保存，需要時在軟件內的媒體庫或手機相冊內調出即可。

2.3 實驗步驟

2.3.1 常溫下鈉在空氣中的變化

（1） 新切的鈉和未切的鈉的氧化速率比較。室溫20℃下，用鑷子從裝有金屬鈉的試劑瓶中取出一塊鈉，置于定性濾紙上，擦干煤油，將擦干煤油的金屬鈉放置在事先準備好的培養皿中;再從試劑瓶中取出一塊較大的鈉，擦干煤油后，放在培養皿中用小刀切一塊大小相同的鈉，將鈉的切面朝上。利用手機拍攝功能記錄兩塊鈉表面的現象并且利用紅外熱成像裝置觀察并拍攝兩塊鈉表面的熱量變化情況。

（2） 煤油和表面附著物對鈉的保護作用。用鑷子從試劑瓶中取出兩塊鈉，用定性濾紙將其中一塊的煤油擦干，將兩塊鈉同時放在石棉網上。利用智能手機和紅外熱成像儀觀察并拍攝兩塊鈉表面的現象。

2.3.2 鈉與水的反應

用鑷子從試劑瓶中取出一塊鈉，用定性濾紙將煤油擦干，用小刀剝去表面的附著物同時切一塊綠豆大小的鈉放入裝有2mL蒸餾水的六孔塑料井穴板中。利用智能手機和紅外熱成像儀觀察并拍攝實驗現象。反應結束后，在溶液中滴加一滴酚酞溶液，觀察現象。

3 實驗現象與結論

3.1 常溫下鈉在空氣中反應的熱效應

3.1.1 空氣中的氧化速率

通過實驗我們可以直接看到，新切的鈉在切口面呈現十分短暫的銀白色金屬光澤，但很快變暗;隨著暴露在空氣中的時間延長，切開的鈉表面逐漸變濕潤并產生氣泡，而未切的鈉肉眼看表面無明顯變化。紅外熱成像儀下，新切的鈉剛暴露在空氣中溫度立即升高，隨著時間的推移，溫度逐漸升高，5分鐘升高8℃;未切的鈉溫度升高2℃。如圖2所示。

通過肉眼觀察到的現象，僅能定性得出鈉在空氣中的氧化快慢。而借助紅外熱成像儀，我們可以觀察到更多的實驗現象（信息）： （1）反應溫度變化的快慢與程度，由此可定量描述鈉在空氣中的氧化速率;（2）肉眼無法觀察到未切的鈉在空氣中的變化，但通過紅外熱成像儀我們卻可以觀察到其表面溫度升高了2℃，這說明未切開的鈉在空氣中也發生了變化（氧化），但速率明顯小于切開的鈉。

3.1.2 空氣中煤油和表面附著物對鈉的保護作用

將兩塊鈉放在石棉網上。通過肉眼觀察的現象為，2分鐘時擦干煤油的鈉表面與未擦煤油的鈉表面均無明顯現象;4分鐘時未擦干煤油的鈉表面產生少量氣泡，隨著時間的推移，10分鐘時兩塊鈉表面均產生較多氣泡。借助紅外熱成像儀，可以觀察到兩塊鈉表面顏色由藍色逐漸變黃，最后變白;隨著暴露在空氣中時間越長，兩者溫度都升高，10分鐘時兩者溫度都達到25℃。

僅通過肉眼觀察，2分鐘內無論是否擦干煤油，我們都看不到鈉表面有明顯的變化，4分鐘內變化也不明顯，一般較難引起教師和學生的注意。所以我們往往會以為（很多時候我們是主觀地認為）煤油和表面附著物對鈉有保護作用，在它們的保護下，鈉在空氣中是安全的（也因此發生過有個別學生將用衛生紙包裹從煤油中取出的鈉帶出實驗室而發生事故的事件）。但在紅外熱成像儀的視角下，這一變化過程變得十分明顯。我們可觀察到即使鈉剛暴露在空氣中，紅外熱成像儀的顏色就發生了改變，數據顯示溫度逐漸升高。在4分鐘內，未擦干煤油和表面附著物的鈉溫度升高稍慢一些，而擦干煤油的鈉溫度升高了4℃;10分鐘內無論是否擦干鈉表面的煤油，兩者的溫度都上升到25℃。這說明煤油及表面附著物對鈉在空氣中的氧化有一定的隔絕作用，但作用有限，并不能長時間對鈉進行保護。

3.2 鈉與水的反應

將綠豆大小的鈉放入裝有2mL水的六孔塑料井穴板中，可以觀察到金屬鈉浮在水面上融化成小球，并且向四處游動，伴隨著嘶嘶的響聲，同時溶液變成紅色，完整地呈現了“浮”“熔”“游”“響”“紅”現象。

在紅外熱成像儀下觀察到金屬鈉與水接觸的地方顏色由藍色變為綠色并迅速變為白色，數據顯示溫度從最初的20℃迅速升高到反應最劇烈時的72℃，見圖3。然后隨著鈉的消耗，接觸面溫度逐漸降低，至鈉全部反應完時，回復到局部溫度22℃。同時可以明顯觀察到鈉的游動軌跡，以及反應中熱量分布傳遞的過程。

上述反應

從實驗現象上肉眼只能看到鈉“浮”在水面上，“熔”化為銀白色小球，與水反應并不停地“游”動，發出嘶嘶“響”聲，最終溶液變“紅”。反應過程中的放熱情況只能通過這些現象間接定性推導出，而反應放熱的程度我們就無從得知了。但借助紅外熱成像儀就不同了，在沒有接觸反應體系的情況下我們能定量地測出并觀察到鈉與水反應的位點溫度、真實反應的界面溫度，而且以不同顏色標識，直接觀察到放熱的過程和程度，這是肉眼和其他溫度測量儀器難以觀察和測量到的;同時還能看到熱量向水中擴散的動態軌跡，反應過程中熱量很快散發，并沒有聚集，反應結束時僅局部溫度上升2℃，以至于我們在實驗結束后用手觸摸很難感受到有溫度變化。

4 教育功能與價值分析

4.1 更直觀的視覺效果為學生理解和掌握知識提供證據

利用紅外熱成像儀觀察物質變化過程，將熱量變化可視化，豐富多彩的直觀視覺效果可以大大加深學生對知識的理解和掌握。例如在教學過程中，在學生了解實驗步驟的基礎上觀看以上實驗視頻，直觀地看到鈉遇到空氣立即發生反應的現象，從而理解鈉具有很強的活潑性，遇到空氣能迅速地氧化。

從含有煤油的鈉與不含煤油的鈉暴露在空氣中對比可以發現，煤油具有減緩氧化速率的作用，從而解釋了鈉為什么必須保存在煤油中。同時利用紅外熱成像儀將容易忽略的現象直觀地表現出來，如未擦干煤油的鈉隨時間的推移，溫度也同樣升高，讓學生認識到即使有煤油及表面附著物的包裹，鈉也不能長時間暴露在空氣中。

利用紅外熱成像可以直觀地看到反應過程中鈉遇到水發生劇烈反應并放出大量熱的現象，從而讓學生理解和掌握火災現場若有金屬鈉時不同的救火方式和方法。除此之外，還可將反應的現象以圖片的形式展示給學生，由學生讀出實際溫度，再查閱鈉的熔點后進行對比，讓學生真實地看到鈉與水反應放出的熱量以及反應的劇烈程度，培養嚴謹求實的科學態度，加深對知識的理解和記憶。

4.2 實驗微型化、用量微量化，演示實驗更綠色、更安全

使用紅外熱成像儀，在六孔塑料井穴板中僅用綠豆大小的鈉和2mL水即可觀察到金屬鈉與水反應的位點溫度和熱量分布擴散的動態過程，節約試劑的同時解決了常規實驗中廢水處理的問題。同時以視頻或圖片的形式演示實驗，使實驗更綠色、更環保，為教學提供安全的輔助實驗，提升學生的安全意識[9]。

參考文獻：

[1]中華人民共和國教育部制定. 普通高中化學課程標準（2017年版）[S]. 北京： 人民教育出版社， 2018.

[2]畢曉昀， 張會清. 鈉與水反應實驗裝置的改進[J]. 化學教學， 2020， （6）： 68～71.

[3]覃其貴. 鈉與水反應實驗裝置新設計[J]. 中學化學教學參考， 2014， （10）： 36～37.

[4]Cabello， Ramon & Navarro-Esbrí， Joaquín & Doménech， Rodrigo & Torrella E. Infrared Thermography as a Useful Tool to Improve Learning in Heat Transfer Related Subjects [J]. International Journal of Engineering Education， 2006， 2（22）： 373～380.

[5]J. Haglund， Schnborn K.J.. The Pedagogical Potential of Infrared Cameras in Biology Education [J]. The American Biology Teacher， 2019， 81（7）： 520～523.

[6]凌一洲， 李驁， 王謙等. 紅外熱成像技術在化學實驗中的應用[J]. 化學教育（中英文）， 2019， 40（17）： 83～87.

[7]劉江， 洪俊華， 王俐驕， 趙寧東， 徐懷春， 劉俊. 手機熱成像技術在化學實驗中的應用研究[J]. 大學化學， 2021， 8（36）： 1～6.

[8]吳梅芬， 王曉崗， 許新華. 熱成像技術在化學實驗教學中的應用[J]. 實驗技術與管理， 2019， 36（12）： 165～169.

[9]李光珍. 高中化學微量化實驗的開發[J]. 化學教學， 2014， （5）： 55～57.