利用熱敷貼廢料進行化學趣味實驗的探究

王都留，燕 翔，張少飛，楊建東

（隴南師范高等專科學校 農林技術學院，甘肅成縣 742500）

“熱敷貼”也稱“暖貼”“暖宮貼”“暖寶寶”“熱帖”“熱灸貼”等，主要成份為鐵粉、水、活性炭、蛭石、吸水性樹脂、鹽等[1]，利用鐵粉和氧氣緩慢氧化反應放出的熱量維持人體局部的高溫，用于取暖或治病.用于治病的熱敷貼稱為“醫用熱敷貼”，是從普通熱敷貼升級而生產的，屬于國家食品藥品監督管理局規定的醫療器械產品，實行注冊審批制度、廣泛用于產婦暖宮、起培元固本、活血化淤、溫經止痛、祛濕散寒；有調和氣血、改善微循環、暖宮保陰、溫經活血等作用，或者緩解腰痛、腿痛、肩痛和其他生理病痛[2].

熱敷貼熱芯反應原理是鐵粉在自然條件下與空氣中的氧氣發生緩慢的原電池反應同時放出熱量[3].具體的電化學反應方程式為

負極：Fe（s）-2e-=Fe2+（aq）

正極：O2（g）+2H2O（l）+4e-=4OH-（aq）

總反應：2Fe（s）+O2（g）+2H2O（l）=2Fe（OH)2（s）.

Fe（OH）2進一步氧化生成Fe（OH）3，Fe（OH）3受熱分解成Fe2O3.

4Fe（OH）2（s）+2H2O（l）+O2（g）=4Fe（OH）3（s）

2Fe（OH）3（s）=Fe2O3（s）+3H2O（s）.

興趣是推動學生學習化學的動力之一，在化學實驗中穿插趣味性實驗，能夠激發學生的學習興趣和積極性，提升主動獲取知識的能力[4].點火成蛇的趣味化學實驗，是許多化學教材中常用的教學素材，一般把煙灰鋪成淺盤子狀，讓蔗糖和碳酸氫鈉的混合物在淺盤子中間堆成錐體形，煙灰能吸附大量的酒精，點燃酒精后，混合物熔化、燃燒并產生二氧化碳，二氧化碳在粘稠的反應物內不斷彌散，從而出現蛇的形狀.雷以柱等[5]以高錳酸鉀和氯酸鈉混合物替代小蘇打和蔗糖進行實驗，不用煙灰等“催化劑”，使“蛇”的長度和生長速率提高，實驗現象更加明顯.實驗中關于煙灰的作用，有許多學者認為是催化劑[6]，認為類似的催化劑還有活性炭、石墨粉和碳酸鎂等[7].最近研究分析表明，煙灰等顆粒細、比表面積大的物質，其作用是吸附足夠的酒精，使酒精集中在混合物周圍燃燒加熱反應物，減少酒精受熱后的揮發量，延長加熱時間使反應持續進行，并沒有催化作用[8].所以，能吸附大量酒精且耐高溫的物質均可用于本實驗.能夠吸附酒精且耐高溫的物質很多，除了煙灰，還有沙子、細土等，選用物質的原則是吸附劑顆粒細、表面積大、不燃燒、取材方便廉價.

使用后的熱敷貼熱芯變為黑褐色塊狀固體，其中含碳粉、NaCl 固體、Fe2O3固體以及含鎂鋁的鹽類，既不燃燒又耐高溫.這些廢棄物雖然不能發熱，但可再利用.如其中的活性碳具有除臭功能，能除去異味；取用少量暖貼廢渣，可作養花的肥料，為土壤提供鐵和微量元素.張文繪[9]通過采用暖貼廢渣對純藍墨水進行吸附和類Fenton 反應處理，有效降低了純藍墨水類染料帶來的色度、酸污染；錢春園等[10]用回收的暖貼組分作為非均相催化劑，采用Fenton 法催化降解廢水中難降解有機污染物亞甲基藍，去除效率高，操作簡單，經濟環保.熱敷貼為外用灸貼，使用8～10 小時后，鐵粉全部轉化成了三氧化二鐵，里面的熱芯不再反應產生熱量，一般作為垃圾扔掉，既污染環境又浪費資源.

收集使用后的熱敷貼熱芯廢料，將其在研缽中研細成粉末狀，用于“點火成蛇”的趣味化學實驗，生成的蛇狀物比較長、反應快，比收集煙灰更方便.另外，直接取一小粒（不用研細）熱敷貼廢料，可以用作雙氧水分解的催化劑，用于演示雙氧水的分解實驗，在研究化學反應速率時作為學生實驗，取得了較好的教學效果.

1 “點火成蛇”實驗”

1.1 實驗原理

碳酸氫鈉受熱分解放出二氧化碳氣體，蔗糖燃燒也產生二氧化碳并熔化形成粘性物質，產生的二氧化碳氣體在粘性物質內部不斷增多而無法逸出，只能在粘性物質內部擴散，先是升高，隨著距離火源漸遠，溫度下降，蛇狀物高度又下降，倒伏，彎曲，最后形成一條疏松彎曲的黑色蛇狀物.黑色是部分蔗糖燃燒不充分碳化的結果.主要反應方程式如下：

早期“點火成蛇”的實驗一般在石棉網上進行，現在有研究表明，石棉網中的石棉布在受熱時會釋放出對人體有害的納米尺寸的細小纖維，可以引起石棉肺、胸膜間皮瘤等疾病，一些國家已經禁止使用[11].所以，將點火成蛇的實驗改在直徑9 cm 的不銹鋼淺碟中進行.

1.2 實驗儀器與試劑

（1）儀器：直徑10 cm 的鐵質淺盤子、玻璃滴管、火柴、鐵架臺.

（2）試劑：蔗糖、碳酸氫鈉、無水乙醇、熱敷貼熱芯廢棄材料（實驗用“金素元”牌產腹熱芯廢料，青島安龍日用品有限公司生產）.

1.3 實驗方法

（1）收集熱敷貼熱芯使用完畢后的內芯廢料，廢料的主要成分為三氧化二鐵（Fe2O3）、碳粉、蛭石、吸水性樹脂等，為塊狀物，呈棕色.用剪刀剪開內芯布袋，倒出廢料，在實驗室用研缽慢慢研細，過80 目的篩子，備用.

（2）將直徑9 cm 的鐵質淺盤子放在鐵架臺的底座上，把上述研細的熱敷貼熱芯廢料粉末堆在鐵質淺碟子中央，鋪成直徑2 cm 的“小盤子”狀，中間低周圍高.

（3）在“小盤子”的中心加入1 滴管的無水乙醇.

（4）稱取2 g 蔗糖固體，在研缽中研細，加入0.25 g 碳酸氫鈉固體，混合均勻.

（5）取1 藥勺（大約0.5 g）蔗糖和碳酸氫鈉的混合物，滴幾滴酒精潤濕，用手捏成比較尖的錐體形狀，輕輕置于“小盤子”的中央.

（6）在無風的環境下，立即點燃火柴，引燃“小盤子”中的酒精，觀察實驗現象.

現象：混合物從頂端開始生成蛇狀物，不斷延伸變長，形成具有立體形狀的“蛇”狀物，妙趣橫生（圖1）.如果有未反應完的混合物，待火焰熄滅后，繼續滴加2～3 滴無水乙醇，點燃，可以繼續反應，使蛇狀物更長.

圖1 利用蔗糖、碳酸氫鈉做的“點火成蛇”實驗

此外，也可以用葡萄糖酸鈣片完成上述實驗.取一片葡萄糖酸鈣，用剪刀剪開成四到六粒，按照上面的方法準備好鐵架臺底座、不銹鋼碟子等，把熱敷貼熱芯廢料粉末堆在不銹鋼淺碟子中央，成“小盤子”狀，將剪碎的葡萄糖酸鈣片輕輕放置于“小盤子”的中心四周，加入1 滴管無水乙醇，點燃，觀察現象，結果如圖2.火焰熄滅后，用細鐵絲挑去蛇狀物，未反應完的固體除去表面的粉末，放在熱敷貼熱芯廢料粉末堆的“小盤子”中心周圍，加入一滴管無水乙醇，可以繼續反應，第二次生成蛇狀產物.

圖2 利用葡萄糖酸鈣片做的“點火成蛇”實驗

1.4 實驗后續物質的處理

（1）實驗結束，確認火焰熄滅、溫度降低至常溫后，將碟子移到垃圾桶內，對準產物用口輕輕吹氣，蛇狀物密度很小，會飄到垃圾桶內，未離開的蛇狀物用細鐵絲挑出，置于垃圾桶內.

（2）用鑷子撿出未反應完全的塊狀蔗糖和碳酸氫鈉的混合物，除去表面的粉末，回收至專用瓶內，貼上標簽，下次實驗可以繼續使用.

（3）將熱敷貼熱芯廢料收集起來，裝在專用瓶內，貼上標簽，以后的“點火成蛇”實驗中可以反復使用.

本實驗在不銹鋼淺碟中進行，避免了石棉網燃燒時對實驗者的潛在危害，方便了集中處理實驗后的物質，回收可利用的材料.

2 催化分解雙氧水實驗

2.1 實驗原理

未參與反應的物質中有活性炭粉末，熱敷貼反應結束后的產物主要為紅色的三氧化二鐵，另外有未完全反應的少量鐵粉，反應中還會產生少量的氧化亞鐵、四氧化三鐵等.通過化學實驗室的分析純試劑試驗表明，鐵的氧化物中氧化亞鐵、三氧化二鐵、四氧化三鐵，均能被磁鐵吸引，只是吸引力比較小，這與熱敷貼廢料中鐵粉、氧化物等數量少有關系.研究表明，活性炭粉末能催化雙氧水的分解，鐵粉、氧化亞鐵、三氧化二鐵、四氧化三鐵也能催化雙氧水的分解[12].本實驗中活性炭比較多，反應中沒有損耗，未反應的鐵粉、鐵粉氧化后生成氧化亞鐵、三氧化鐵、四氧化三鐵等，以上五種物質均對雙氧水的分解起催化作用，使得雙氧水的分解速率明顯加快.

2.2 實驗儀器與試劑

（1）儀器：方形小磁鐵、鐵架臺、鐵夾、試管、試管夾.

（2）試劑：熱敷貼廢料、3%雙氧水溶液.

2.3 實驗方法

（1）取一套鐵架臺，安裝上鐵夾，在適當的高度固定并夾持一木質試管夾，夾一只20 mL 的試管，調整高度，將試管置于藍色背景的實驗臺前面，便于觀察現象，如圖3 所示.

圖3 實驗裝置圖

（2）往試管中加入大約10 mL 3%的雙氧水溶液，固定在試管夾上.

（3）取一黃豆粒大小的熱敷貼廢料，用鑷子夾入盛有3%雙氧水溶液的試管中，觀察雙氧水的分解現象，如圖4.

圖4 雙氧水的分解現象

（4）取一塊磁鐵，吸住熱敷貼廢料，沿著試管壁移動到溶液之外，再觀察溶液中的現象，并且和前面的結果比較，如圖5.

圖5 雙氧水不再分解

（5）移開磁鐵，讓廢料落入溶液中，繼續觀察現象.

（6）重復上述實驗步驟，可以反復觀察和研究實驗現象，從而讓學生不斷加深對催化劑概念的理解.

3 結果討論

本實驗發動學生，收集作為廢棄物的熱敷貼熱芯材料，研磨成細粉，用于完成“點火成蛇”的趣味化學實驗；也可以直接用于催化雙氧水的分解反應.熱敷貼廢料可以反復使用，實現變廢為寶的環保目的，資源利用率高，實驗效果好，安全可靠；有利于增強學生的資源節約意識、環境保護意識，能激發學習化學的興趣，值得在中小學實驗教學中推廣使用.