利用紅外熱成像技術(shù)測(cè)定化學(xué)反應(yīng)熱量變化*

楊子慧 龔英 李順巧 陳繼平

摘? 要? 化學(xué)反應(yīng)的熱效應(yīng)在中學(xué)化學(xué)教學(xué)及實(shí)際生產(chǎn)中有著非常重要的意義。針對(duì)教材利用觸覺(jué)定性感知熱量變化時(shí)存在個(gè)體差異大等問(wèn)題，以紅外熱成像技術(shù)為實(shí)驗(yàn)手段，對(duì)氫氧化鋇與氯化銨反應(yīng)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，發(fā)現(xiàn)八水合氫氧化鋇與氯化銨、氫氧化鋇與氯化銨反應(yīng)，分別呈現(xiàn)吸熱和放熱現(xiàn)象。借助紅外熱成像技術(shù)輔助觀察氫氧化鋇與氯化銨反應(yīng)，可將化學(xué)反應(yīng)的熱效應(yīng)數(shù)據(jù)化和可視化，加強(qiáng)學(xué)生對(duì)反應(yīng)熱的多角度認(rèn)識(shí)和深入理解。

關(guān)鍵詞? 中學(xué)化學(xué)；紅外熱成像技術(shù)；化學(xué)反應(yīng)；反應(yīng)熱

中圖分類(lèi)號(hào)：G633.8? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1671-489X（2022）24-0028-05

1? 問(wèn)題的提出

1.1? 化學(xué)反應(yīng)的熱效應(yīng)在中學(xué)化學(xué)教學(xué)及實(shí)際生產(chǎn)中的應(yīng)用

作為連接化學(xué)反應(yīng)與熱量之間的橋梁，化學(xué)反應(yīng)的熱效應(yīng)（以下簡(jiǎn)稱“反應(yīng)熱”）是中學(xué)化學(xué)教學(xué)的重點(diǎn)，指在等溫條件下，化學(xué)反應(yīng)體系向環(huán)境釋放或從環(huán)境吸收的熱量[1]。反應(yīng)熱是認(rèn)識(shí)和理解化學(xué)反應(yīng)能量變化的基石，在中學(xué)化學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用包括以下幾個(gè)方面：

1）燃燒熱、中和熱的實(shí)驗(yàn)測(cè)定；

2）運(yùn)用蓋斯定律進(jìn)行相關(guān)焓變的計(jì)算；

3）熱化學(xué)方程式的書(shū)寫(xiě)等。

反應(yīng)熱在實(shí)際生產(chǎn)中的應(yīng)用更加廣泛，主要包括以下幾個(gè)方面：

1）在日常生活中的應(yīng)用，如煤、天然氣等熱能的提供[2]；

2）在化工生產(chǎn)中的應(yīng)用，如對(duì)化學(xué)反應(yīng)過(guò)程中熱量的利用、化學(xué)反應(yīng)條件的控制[1]；

3）在航天、軍事領(lǐng)域的應(yīng)用，如火箭推進(jìn)劑對(duì)人類(lèi)社會(huì)進(jìn)步的促進(jìn)作用等[1]。

1.2? 中學(xué)化學(xué)教學(xué)有待改進(jìn)八水合氫氧化鋇與氯化銨反應(yīng)實(shí)驗(yàn)

人教版高中化學(xué)新教材必修2（以下簡(jiǎn)稱“教材”）通過(guò)實(shí)驗(yàn)6-1“鹽酸與鎂條反應(yīng)”和實(shí)驗(yàn)6-2“八水合氫氧化鋇與氯化銨反應(yīng)”分別展示放熱和吸熱現(xiàn)象。在實(shí)驗(yàn)6-1中，教材通過(guò)溫度計(jì)測(cè)量的方式說(shuō)明鹽酸與鎂條反應(yīng)為放熱反應(yīng)。然而，這種溫度計(jì)直接測(cè)量的方式并不適合于固體反應(yīng)體系，因此，實(shí)驗(yàn)6-2僅僅采用觸摸和水凝結(jié)成冰的間接方式呈現(xiàn)吸熱事實(shí)。實(shí)驗(yàn)6-2作為教材演示實(shí)驗(yàn)吸熱現(xiàn)象明顯，但也存在以下問(wèn)題。

1）藥品用量方面：Ba（OH）2·8H2O為有毒物質(zhì)且腐蝕性強(qiáng)[3]，用量較大不利于實(shí)驗(yàn)安全；大量產(chǎn)生的氨氣有強(qiáng)烈刺激性氣味，不利于實(shí)驗(yàn)者健康[4]。

2）實(shí)驗(yàn)結(jié)論方面：通過(guò)觸覺(jué)感受溫度變化或吸放熱存在個(gè)體差異，不同學(xué)生對(duì)溫度變化程度的感受不一樣；學(xué)生的感受是結(jié)果性的，即學(xué)生是一段時(shí)間后通過(guò)觸覺(jué)感受溫度的變化，不能體驗(yàn)吸放熱完整過(guò)程；因?yàn)闀r(shí)間和可操作性方面的原因，課堂上僅部分學(xué)生能通過(guò)觸覺(jué)感受溫度變化。

由此可見(jiàn)，中學(xué)教學(xué)有待對(duì)實(shí)驗(yàn)6-2進(jìn)行改進(jìn)，以幫助學(xué)生更好地理解反應(yīng)熱，為化學(xué)反應(yīng)與能量模塊的學(xué)習(xí)夯實(shí)基礎(chǔ)。紅外熱成像技術(shù)是一種利用物體輻射的紅外線進(jìn)行成像的技術(shù)方法[5]，目前已經(jīng)開(kāi)始被用于中學(xué)化學(xué)研究中[6-7]。該技術(shù)能夠?qū)⑽矬w表面的溫度分布轉(zhuǎn)換成直觀的熱成像圖或視頻，具有實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、無(wú)須接觸、靈敏度高等特點(diǎn)[8]，能彌補(bǔ)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)誤差較大的不足，可作為認(rèn)知工具幫助學(xué)生理解化學(xué)概念。

基于以上研究背景，本實(shí)驗(yàn)擬借助紅外熱成像技術(shù)對(duì)氫氧化鋇與氯化銨反應(yīng)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，彌補(bǔ)教材實(shí)驗(yàn)6-2的不足，促進(jìn)學(xué)生對(duì)反應(yīng)熱的深入理解。

2? 設(shè)計(jì)思路

判斷反應(yīng)熱量變化的方式主要包括手觸感溫、相態(tài)變化、溫度測(cè)量等，其中溫度測(cè)量是最為直觀、精確度最高的一種方式。研究對(duì)實(shí)驗(yàn)6-2進(jìn)行巧妙改進(jìn)，選取氫氧化鋇和氯化銨反應(yīng)：第1組為Ba（OH）2·8H2O與NH4Cl的反應(yīng)；第2組為Ba（OH）2 與NH4Cl的反應(yīng)。擬將目標(biāo)概念反應(yīng)熱轉(zhuǎn)化為學(xué)生熟知的溫度，讓學(xué)生通過(guò)量化感知溫度數(shù)據(jù)，視覺(jué)感知紅外熱成像圖或視頻，構(gòu)建科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)姆磻?yīng)熱概念。

3? 實(shí)驗(yàn)部分

3.1? 實(shí)驗(yàn)儀器

實(shí)驗(yàn)儀器包括SEEK手機(jī)紅外熱像儀（美國(guó)COM-PACT PRO安卓版，分辨率320×240，測(cè)溫范圍-40～330 ℃，波長(zhǎng)測(cè)量范圍7.5～14 μm）、電熱鼓風(fēng)恒溫干燥箱（型號(hào)101-1型，上海東星建材試驗(yàn)設(shè)備有限公司）、電子天平（型號(hào)YP2102，上海光正醫(yī)療儀器有限公司）。實(shí)驗(yàn)觀測(cè)裝置如圖1所示。

3.2? 實(shí)驗(yàn)試劑

實(shí)驗(yàn)試劑包括Ba（OH）2·8H2O（分析純，純度≥98.0%，天津市風(fēng)船化學(xué)試劑科技有限公司）、NH4Cl（分析純，純度≥99.5%，天津市風(fēng)船化學(xué)試劑科技有限公司）。

3.3? 實(shí)驗(yàn)步驟

3.3.1? Ba（OH）2·8H2O與NH4Cl的反應(yīng)

教材中Ba（OH）2·8H2O與NH4Cl用量分別為20 g和10 g，根據(jù)預(yù)實(shí)驗(yàn)，依據(jù)紅外熱成像攝像頭觀察范圍，為確保兩種固體藥品能通過(guò)攪拌迅速混勻，研究從教材兩種試劑用量的1/2開(kāi)始設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，即10 g Ba（OH）2·8H2O與5 g NH4Cl反應(yīng)。

稱取適量的NH4Cl放入玻璃容器中，按NH4Cl與Ba（OH）2·8H2O質(zhì)量比為1∶2加入Ba（OH）2·8H2O，用玻璃棒迅速攪拌。將一部智能手與紅外攝像儀連接，用于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)反應(yīng)過(guò)程中的熱量變化；另一部智能手機(jī)監(jiān)測(cè)宏觀反應(yīng)。

Ba（OH）2·8H2O與NH4Cl的用量如表1所示。實(shí)驗(yàn)時(shí)室溫為21 ℃，空氣相對(duì)濕度為58%。

3.3.2? Ba（OH）2與NH4Cl的反應(yīng)

Ba（OH）2的準(zhǔn)備[9-10]：將Ba（OH）2·8H2O置于溫度為150 ℃的恒溫干燥箱中加熱至恒重，得到Ba（OH）2產(chǎn)品，密封保存?zhèn)溆谩?/p>

稱取適量的NH4Cl放入玻璃容器中，按NH4Cl與Ba（OH）2質(zhì)量比為1∶2加入Ba（OH）2，用玻璃棒迅速攪拌。將一部智能手與紅外攝像儀連接，用于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)反應(yīng)過(guò)程中的熱量變化；另一部智能手機(jī)監(jiān)測(cè)宏觀反應(yīng)。Ba（OH）2與NH4Cl的用量如表2所示。實(shí)驗(yàn)時(shí)室溫為21 ℃，空氣相對(duì)濕度為58%。

4? 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

4.1? 測(cè)定Ba（OH）2·8H2O與NH4Cl反應(yīng)熱量變化

實(shí)驗(yàn)測(cè)得不同用量的Ba（OH）2·8H2O與NH4Cl反應(yīng)的宏觀及熱成像信息如圖2所示。由圖2可知，四個(gè)實(shí)驗(yàn)中，反應(yīng)體系溫度均下降，且隨著反應(yīng)物質(zhì)量減少，溫度下降變小；當(dāng)反應(yīng)物用量減少至教材用量的1/100時(shí)，吸熱現(xiàn)象仍十分明顯，這是用教材中實(shí)驗(yàn)6-2觸摸方式無(wú)法呈現(xiàn)的。

表3展示不同用量的Ba（OH）2·8H2O與NH4Cl反應(yīng)熱量變化情況。由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，反應(yīng)溫度從初始的21 ℃，分別下降到-15 ℃、-10 ℃、-8 ℃、3 ℃，前后溫差分別為36 ℃、31 ℃、29 ℃、18 ℃。由此可見(jiàn)，借助紅外熱成像技術(shù)能定量、可視化地呈現(xiàn)吸熱現(xiàn)象，且能顯著減少藥品用量，是綠色化學(xué)概念的體現(xiàn)。

以2 g Ba（OH）2·8H2O與1 g NH4Cl反應(yīng)為例，反應(yīng)過(guò)程中的宏觀現(xiàn)象及熱量變化情況如圖3所示。從室溫21 ℃下降至-2 ℃僅用1分鐘；隨著反應(yīng)的進(jìn)行，2分鐘時(shí)溫度下降至最低-10 ℃；然后溫度開(kāi)始回升，在3分鐘時(shí)溫度回升至2 ℃，13分鐘回到室溫。從熱量變化過(guò)程可知，該反應(yīng)持續(xù)13分鐘。讓學(xué)生清晰、直觀、安全地體驗(yàn)熱量變化過(guò)程，也是紅外熱成像技術(shù)的一大優(yōu)勢(shì)。

4.2? 測(cè)定Ba（OH）2與NH4Cl反應(yīng)熱量變化

實(shí)驗(yàn)測(cè)得不同用量的Ba（OH）2與NH4Cl反應(yīng)的宏觀和熱成像信息如圖4所示，熱量變化數(shù)據(jù)如表4所示。由圖4可知，將Ba（OH）2與NH4Cl混合后有放熱現(xiàn)象產(chǎn)生，且Ba（OH）2與NH4Cl用量越大，放熱現(xiàn)象越明顯，即在實(shí)驗(yàn)初始溫度為21 ℃時(shí)，溫度分別上升至23 ℃、25 ℃、26 ℃、34 ℃，前后溫差分別為2 ℃、4 ℃、5 ℃、13 ℃。

5? 研究總結(jié)

5.1? 研究結(jié)論

1）針對(duì)教材中Ba（OH）2·8H2O與NH4Cl反應(yīng)存在的不足，利用紅外熱成像技術(shù)輔助觀察該反應(yīng)，發(fā)現(xiàn)紅外熱成像技術(shù)的引入不僅可以達(dá)到驗(yàn)證Ba（OH）2·8H2O與NH4Cl反應(yīng)為吸熱反應(yīng)的目的，且藥品用量更少，還能讓學(xué)生清晰、直觀地體驗(yàn)熱量變化過(guò)程。

2）很多學(xué)生包括部分教師主觀地認(rèn)為銨鹽與堿的反應(yīng)都是吸熱反應(yīng)[11]，但借助紅外熱成像技術(shù)對(duì)Ba（OH）2與NH4Cl反應(yīng)進(jìn)行監(jiān)測(cè)后發(fā)現(xiàn)并非如此，而這一結(jié)果與吳國(guó)英等[12]的研究結(jié)果是一致的。本研究能為全體學(xué)生所接受，具有直觀性和簡(jiǎn)便性。

5.2? 研究教學(xué)價(jià)值

5.2.1? 科學(xué)構(gòu)建目標(biāo)概念，滲透學(xué)科核心素養(yǎng)

《普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》將化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)“證據(jù)推理與模型認(rèn)知”劃分為四個(gè)水平，其中水平3對(duì)學(xué)生的要求是：能從定性與定量結(jié)合上收集證據(jù)，能通過(guò)定性分析和定量計(jì)算推出合理的結(jié)論[13]。本研究將紅外熱成像技術(shù)運(yùn)用到氫氧化鋇和氯化銨反應(yīng)中，學(xué)生通過(guò)視覺(jué)感知熱成像圖或視頻，量化計(jì)算溫度變化數(shù)據(jù)，可從定性定量角度收集證據(jù)，判斷化學(xué)反應(yīng)熱量變化，從而構(gòu)建目標(biāo)概念——反應(yīng)熱。該技術(shù)的引入不僅可以提高實(shí)驗(yàn)的科學(xué)性、嚴(yán)謹(jǐn)性，為學(xué)生在化學(xué)反應(yīng)與能量模塊的學(xué)習(xí)打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)，還可以將“證據(jù)推理與模型認(rèn)知”學(xué)科核心素養(yǎng)逐漸滲透到學(xué)生心中。

5.2.2? 引入課外探究活動(dòng)，培養(yǎng)科學(xué)探究能力

目前國(guó)家大力提倡素質(zhì)教育，實(shí)驗(yàn)探究作為增強(qiáng)學(xué)生化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)的重要載體，受到越來(lái)越多教育者的重視。若將紅外熱成像技術(shù)作為一種新媒介運(yùn)用到課外實(shí)驗(yàn)探究活動(dòng)中，可為學(xué)生提供新的觀察視角和思考方式，不僅有利于增強(qiáng)學(xué)生的動(dòng)手操作能力和自主探究能力，培養(yǎng)他們敢于質(zhì)疑、勇于創(chuàng)新的科學(xué)精神，還有利于發(fā)揮實(shí)驗(yàn)探究活動(dòng)在化學(xué)中的意義與價(jià)值。

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*項(xiàng)目來(lái)源：云南師范大學(xué)課程思政示范項(xiàng)目“中學(xué)化學(xué)教學(xué)設(shè)計(jì)與實(shí)施課程思政示范項(xiàng)目”（項(xiàng)目編號(hào)：SZ2021-A14）。

作者：楊子慧、李順巧，云南師范大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院研究生，研究方向?yàn)榛瘜W(xué)教育教學(xué)；龔英，云南師范大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院，副教授，研究方向?yàn)榛瘜W(xué)（制藥工程）課程教育教學(xué)；陳繼平，通信作者，云南師范大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院，教授，研究方向?yàn)榛瘜W(xué)教育教學(xué)和教材（650500）。