利用紅外熱成像技術揭示鋁熱反應中的熱效應

［摘 要］鋁熱反應屬于典型的放熱反應，其實驗現象非常明顯，能夠直觀展現化學變化中的能量變化，從而激發學生的化學學習興趣。然而，該反應過程過于劇烈且耀眼，使得反應中的熱效應難以被直接觀察。而利用紅外熱成像技術可對鋁熱反應的過程進行直觀展示。文章通過對比打火機、火柴、酒精燈、鎂條燃燒及鋁熱反應的熱成像圖，探究不同物質燃燒背后的熱效應差異，以獲取隱藏在現象背后的真實有用的信息，引導學生通過科學手段和對比分析的方法得出合理結論，進而鍛煉學生的科學思維和邏輯推理能力，加深學生對鋁熱反應相關知識的理解和認識。

［關鍵詞］紅外熱成像技術；鋁熱反應；熱效應

［中圖分類號］" " G633.8" " " " " " " " ［文獻標識碼］" " A" " " " " " " " ［文章編號］" " 1674-6058（2025）02-0062-04

一、研究背景

《普通高中化學課程標準（2017年版2020年修訂）》強調，發揮現代信息技術的作用，積極探索現代信息技術與化學實驗的深度融合，鼓勵教師運用信息技術提高課堂教學效率和質量，促進教師教學方式和學生學習方式的改變［1］。化學是一門以實驗為基礎的學科，在教學過程中非常注重對實驗現象的觀察，并通過這些現象來分析化學反應的本質。然而，有些化學反應過于劇烈和快速，難以直接通過肉眼觀察來全面了解其反應本質。鋁熱反應實驗是滬教版高中化學教材必修二第五章第三節“化學變化中的能量變化”的重要實驗，涉及鋁及其化合物和能量變化的知識。通過對該實驗內容的學習，學生可以了解化學變化中的化學能向熱能、光能轉化的過程，學會從物質變化與化學鍵變化兩個視角剖析反應中能量變化的本質原因，認識吸熱反應和放熱反應，初步建構化學變化中能量變化的認知模型。

鋁熱反應的原理是鋁單質在高溫條件下進行的一種氧化還原反應，體現出了鋁的強還原性。由于氧化鋁的生成焓極低，因此反應過程中會放出巨大的熱量，甚至可以使生成的金屬以熔融態出現。反應放出的大量熱量使鋁熔化，而液相反應進一步加快了反應速率，短時間內放出極大量的熱量。鋁熱反應的劇烈程度主要由被鋁還原的金屬離子的氧化性決定。據估計，500克鋁熱劑（成分是氧化鐵和鋁）會在30秒內燃燒殆盡。本節課主要關注化學能向熱能的轉化，以鋁熱反應實驗作為引入，一方面回顧了金屬之間的置換反應，另一方面通過明顯的實驗現象，讓學生直觀感受到化學變化中化學能向熱能、光能轉化的過程，激發學生的學習熱情。鋁熱反應的現象是劇烈燃燒，火星四射，發出耀眼的光芒，產生大量的煙，放出大量的熱量，生成熔融的黑色物質。該反應進行得非常快，課堂演示時8秒內即可完成。由于反應過程過于劇烈和耀眼，使得反應中的熱效應難以被直接觀察。

為了彌補鋁熱反應過程中熱量變化不易直接感知以及現有測溫工具無法準確測量鋁熱反應位點溫度的缺陷，本研究依據課標要求，擬借助紅外熱成像技術來拍攝和記錄鋁熱反應過程中的位點溫度和熱量分布等實驗現象。

二、紅外熱成像技術

紅外熱成像技術是一種高效、非接觸、無損的熱效應檢測技術，廣泛應用于軍事偵察、安防夜視以及溫度檢測等領域。自21世紀以來，該技術也逐漸應用于教學領域。近年來，國內外對紅外熱成像技術在教學中的應用研究日益增多。例如，哈格隆德等人［2］將紅外攝像機應用到本科物理和化學的教學中，發現其能有效支持探究性學習;李順巧等人［3］借助紅外熱像儀與智能手機，觀察并拍攝了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，對比分析了煤油對鈉的氧化速率的影響，并探討了實驗結果在“鈉的性質”教學中的教育功能與價值。項佳敏等人［4］通過手持紅外熱像儀“看到”了化學反應中的能量變化。他們拍攝了等量的不同酸溶液與氫氧化鈉溶液混合反應時的熱成像圖，從溫度高低間接反映出熱量的變化。余小燕等人［5］指出，在傳統實驗條件下，反應中的熱效應不易觀察，而紅外熱像儀通過明顯的顏色對比，為學生提供了圖像證據，有力支持了“猜想假設—設計實驗—實驗驗證—討論交流—尋找證據—形成結論”的科學探究過程，形成了完整的證據鏈，從而促進了學生證據推理核心素養的形成。市場上推出的紅外熱像儀，為紅外熱成像技術在教學中的進一步應用和推廣提供了非常好的契機。

三、實驗案例

（一）實驗目的

本實驗旨在利用紅外熱成像技術，結合物理與化學的研究方法，直觀展示鋁熱反應以及不同物質（如打火機、火柴、酒精燈、鎂條等）的燃燒過程。通過對比這些物質的燃燒過程及鋁熱反應的熱成像，探究不同物質燃燒時所產生的熱效應差異，引導學生通過科學手段和對比分析的方法來得出合理的結論，鍛煉學生的科學思維和邏輯推理能力，加深學生對鋁熱反應相關知識的理解和認識。

（二）實驗原理

鎂條在空氣中可以燃燒，氧氣是氧化劑。然而，當鎂條部分插入含有氯酸鉀的混合物中并燃燒時，氯酸鉀則作為氧化劑，為鎂條的持續燃燒提供氧氣，同時放出足夠的熱量引發鋁熱反應。由于鋁熱反應本身會放出大量的熱量，反應一經引發，它將迅速且劇烈地進行，放出的熱量使生成的鐵熔化為液態。化學方程式如下：

Fe2O3 + 2 Al [高溫] Al2O3 + 2 Fe

紅外熱像儀可以測定不同物質在燃燒或反應過程中釋放的熱量，其中包括鎂條燃燒時用于引發鋁熱反應的熱量。利用紅外熱像儀還可以獲取打火機、火柴、酒精燈、鎂條燃燒及鋁熱反應的熱成像圖。

（三）實驗器材

藥品：鋁粉、氧化鐵、氯酸鉀、鎂條。

儀器：手機、紅外熱像儀、鐵架臺、濾紙、酒精燈、火柴、打火機、藥匙等。

實驗裝置如圖1所示。

（四）實驗內容

1.鋁熱反應

用硬紙片折成漏斗狀，側面用釘書釘釘上，底部剪一個小孔，內放一個用濾紙折成的漏斗，用少量水濕潤濾紙，使其緊貼住硬紙片。將5克氧化鐵粉末和2克鋁粉混合均勻后，放置在紙漏斗中。把紙漏斗架在鐵圈上，將整套裝置放置在一個盛砂的鐵盤上。在固體混合物上平鋪少量的氯酸鉀固體，混合物中間插上一根打磨過的鎂條，用酒精燈點燃鎂條。

通過紅外熱像儀記錄整個鋁熱反應過程，包括反應前、反應中和反應后的溫度變化。同時，用肉眼觀察鋁熱反應的現象。實驗結束后，對比分析紅外熱像儀記錄的數據與肉眼觀察到的鋁熱反應之間的異同，深入理解鋁反應的特性和機理。

2.不同物質燃燒的熱效應

通過紅外熱像儀分別記錄打火機、火柴、酒精燈、鎂條燃燒及鋁熱反應的熱成像，對比分析不同物質燃燒過程中的位點溫度和熱量分布。

（五）實驗現象與結論

1.鋁熱反應

鋁熱反應的現象是劇烈燃燒，火星四射，發出耀眼的光芒，產生大量的煙，放出大量的熱量，生成熔融的黑色物質，如圖2（a-c）所示。雖然反應現象非常劇烈，但是大量煙霧的產生會影響對主要反應區域的觀察和判斷。借助紅外熱像儀，可以清晰地分辨出因鋁熱反應而升溫的區域。具體如圖2（d）所示，圖中黑色區域代表室溫背景環境，灰色區域為鋁熱反應的外圍區域，越往中心溫度越高，顏色逐漸由黑色變為灰色，再由灰色變為白色。鋁熱反應的核心區域溫度最高，在圖像中顯示為白色（由于紅外熱像儀有測溫上限，該區域溫度被顯示為最高的330 ℃，但實際溫度更高）。通過對比熱成像圖與肉眼觀察到的鋁熱反應現象之間的差異可以發現，紅外熱像儀可以讓學生直觀地看到鋁熱反應的具體區域和清晰的溫度分布，同時可以避免反應過程中大量煙霧的影響。

除此之外，紅外熱像儀還能揭示其他肉眼看不到的重要信息。比如，鋁熱反應完成后的鐵圈和砂盆在外觀上基本恢復常態［如圖3（a）］，會給人一種它們已經恢復到平時狀態的錯覺，使人容易放松警惕。但實際上，通過紅外熱像儀就能清晰地發現，此時支撐紙漏斗的鐵架和接殘渣的砂盆溫度仍然高達330 ℃［如圖3（b）］，很容易造成燙傷，非常危險。

2.不同物質燃燒的熱效應

紅外熱像儀除了能用來對比觀察鋁熱反應，還能分別記錄打火機、火柴、酒精燈、鎂條燃燒及鋁熱反應的熱成像并顯示溫度，從而有助于直觀對比分析不同物質燃燒溫度的差異。具體來說，打火機、酒精燈、火柴、鎂條的燃燒溫度及鋁熱反應的溫度分別是119 ℃、116 ℃、317 ℃、325 ℃以及高于330 ℃，如圖4所示。這些數據表明，燃燒溫度由低到高依次為打火機、酒精燈、火柴、鎂條、鋁熱反應。

讓人意外的是，火柴的燃燒溫度居然比打火機和酒精燈的都高，這與人們日常認知不符。為了驗證這一結論，如圖5所示，分別將鋁熱反應和酒精燈（a），鎂條和酒精燈（b），打火機、酒精燈和火柴（c）分別放在一起比較。實驗中所用的這款紅外熱像儀只顯示圖像中最熱部分的溫度。從圖中可以看出，鋁熱反應的溫度比酒精燈的燃燒溫度高、鎂條的燃燒溫度比酒精燈的高。需特別強調的是，圖5（c）的結果進一步證實了火柴的燃燒溫度比打火機和酒精燈的都高。由此可見，利用紅外熱像儀還能通過直觀形象的結果來糾正人們日常的錯誤認知。

四、教學價值與意義

（1）在觀察鋁熱反應時，紅外熱成像技術可以避免反應過程中大量煙霧的影響，讓學生直觀地看到鋁熱反應的區域和溫度分布情況。

（2）紅外熱成像技術可顯示出鋁熱反應完成后支撐紙漏斗的鐵架和接殘渣的砂盆溫度仍然很高，這有效地警示了學生注意危險、謹防燙傷。

（3）通過對比打火機、火柴、酒精燈、鎂條的燃燒及鋁熱反應的熱成像結果，能夠直觀展示火柴的燃燒溫度高于打火機和酒精燈，從而糾正人們日常的錯誤認知。

除了上述教學價值，基于紅外熱成像技術的直觀對比實驗還能引導學生通過科學手段和對比分析的方法得出合理的結論，并學會觸類旁通、舉一反三，鍛煉學生的科學思維和邏輯推理能力，拓展學生的知識面。由此可見，本實驗不但能加深學生對鋁熱反應相關知識的理解和認識，還能更好地推動綜合素質教育的實踐，具有重要的教學價值。

［" "參" "考" "文" "獻" "］

[1]" 中華人民共和國教育部.普通高中化學課程標準：2017年版2020年修訂［M］.北京：人民教育出版社，2020．

[2] HAGLUND J，SCH?NBORN J K. The pedagogical potential of infrared cameras in biology education ［J］.The American biology teacher，2019，81（7）：520-523.

[3]" 李順巧，龔英，楊子慧，等.紅外熱成像儀下鈉的性質及其熱效應[J].化學教學，2022（2）：74-77.

[4]" 項佳敏，保志明.基于熱成像儀從能量視角辨觀化學反應[J].化學教育（中英文），2021，42（21）：86-89.

[5]" 余小燕，張穎，陸文倩.基于紅外熱成像儀的證據推理教學：以“鈉及其化合物”的教學為例[J].化學教與學，2022（16）：21-25.

（責任編輯" " 羅" " 艷）