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初中化学探究实验报告：探求“暖宝宝”的发热原理及运用
初中化学探究实验报告：探求“暖宝宝”的发热原理及运用
宏达学校 八（ 13 ）班 陈嘉珩
[教师点评]：暖宝宝是冬日里常用的贴身取暖工具，有了它可以抵抗冬日的严寒。在我们享受它带来的温暖的同时，人们也在思考暖宝宝的发热原理是什么?它可以有什么应用呢?本文作者的探究将一一解答这些问题。
指导老师：祝周官
[关键词]暖宝宝 氧化 原电池 发热
一、问题的提出
在日本70年代，有人基于化学知识发明了“暖宝宝”。不用火、电、水或其他能源，撕开外袋即可发热，可保持8-18小时左右，因此叫“暖宝宝”又叫取暖袋。如今，在日本“暖宝宝”已经成为现代生活的必需品，冬季在户外活动时，可防止肌肉过冷而紧张、防止手部冻伤、预防感冒或者缓解腰痛、腿痛、肩痛和其他生理病痛。因为不使用火，小孩和老人都可安全使用。2006年国内涌现出了较多品牌，日化企业利用其行业优势率先抢占日用品市场，赚取了第一桶金。2008年，中国的“暖宝宝”市场已渐入佳境。据不完全统计，截止2008年底，国内“暖宝宝”生产厂家超过百家，年生产能力达1.81亿贴。2006年大部分厂商开始生产销售暖贴，由于生产厂商众多，部分厂商受到其销量大的诱惑，大量生产“暖宝宝”。
那么，这一片看似普通的小东西为什么可以发热，甚至温度达到50多摄氏度呢?它的发热原理能运用到那些地方?它的使用是否具有安全性?我不禁产生了许多疑问。
图1目前市面上的暖宝宝
二、问题的探究
通过查阅资料，我了解到：铁(Fe)的氧化反应后，生成了氧化铁(Fe2O3)或四氧化三铁(Fe3O4)，在此过程中，放出热量。
[实验一]探求影响铁的氧化反应速率的因素的实验
提出问题：影响铁的氧化反应速率的因素有哪些?
提出猜想：
猜想一：铁的氧化反应速率与所处环境湿度有关。
猜想二：铁的氧化反应速率与是否有电解质有关。
猜想三：铁的氧化反应速率与所处环境氧气浓度有关。
实验器材：4只容积相同的试管，水蒸气，氧气，20%的氯化钠溶液，若干大小形状相同的铁片。
实验方案：（如表1所示）
1.把四支试管分别标为①②③④，并放入未被氧化的光亮的铁片各一片。
2.往试管①中通入干燥的空气，往试管②中通入等量的潮湿的空气，往试管③中通入干燥的纯氧，向试管④用滴管滴入少许氯化钠溶液并通入空气。
3.将这四个试管密封放入20摄氏度的恒温箱内，并隔绝阳光，一月后观察实验现象。
实验现象：（如表2）
实验组别实验现象
实验结论：铁的氧化反应速率与所处环境湿度，电解质的有无，和氧气浓度有关。
上述条件中，铁(Fe)的氧化反应是极为缓慢的，所以放出的热量也极为稀少，不能满足冬天取暖的需要。而要使氧化反应时放出大量的热量，就要加快铁的氧化反应速率。
[实验二]关于加快铁的氧化反应速率的实验（见图2）
实验器材：烧杯、长短粗细相同的铁棒(Fe)和碳棒(C)、导线若干、电流表、100mL的5%的氯化钠(NaCl)的水溶液。
实验步骤：
1. 向烧杯中倒入100mL的5%的氯化钠的水溶液
2. 往烧杯中插入铁棒、碳棒各一枚，并使其没入水中，并固定。
3. 从铁棒、碳棒的一端各引出一根导线，并各接在电流表的接线柱上，注意正负接线柱的接法。
实验现象：
电流表出现微弱示数。一段时间后，铁棒上出现了大量红棕色固体，经过判断，该固体为氧化铁(Fe2O3)。
实验结论：
由铁(Fe)、碳(C)和氯化钠(NaCl)溶液组成的原电池可以加快铁的氧化反应速率。
由上述实验可知，我们可以组成一个铁碳原电池来加快铁的氧化速率，以放出热。
在此基础上，使用细颗粒(150微米以下)的铁粉和碳粉可以增大接触面积，更快地氧化，并以此放出更多的热。
由此，我们可以知道，暖贴的反应原理为利用原电池加快氧化反应速度，将化学能转变为热能。为了使温度能够持续更长，使用了矿物材料蛭石来保温。因为在使用前不能发生反应所以袋子材质要很特别，由原料层，明胶层和无纺布袋组成。无纺布袋是采用微孔透气膜制作的，它还得有一个常规不透气的外袋。在使用时，去掉外袋，让内袋(无纺布袋)暴露在空气里，空气中的氧气通过透气膜进入里面。放热的时间和温度就是通过透气膜的透氧速率进行控制的。如果透氧太快，热量一下子就放掉了，而且还有可能烫伤皮肤。如果透氧太慢，就没有什么温度了。使用后为黑褐色固体，其中含碳粉、NaCl固体、Fe2O3固体以及含镁铝的盐类。
下面是这个化学反应的方程式：
负极：
Fe-2e-＝Fe2+
正极：
O2+ 2H2O + 4e-＝4OH-
总反应：
2Fe + O2+ 2H2O=2Fe(OH)2
4Fe(OH)2+ 2H2O + O2=4Fe(OH)3↓
2Fe(OH)3==== Fe2O3+3H2O
自制一个暖宝宝
1.将铁粉、活性炭和食盐水倒入烧杯中。
2.用玻璃棒充分搅匀后，装入塑料袋中。
3.将塑料袋袋口部位折盈几次，用订书针或回形针加封好，袋口留一个小透气孔。
4.双手轻轻搓动塑料袋，半分钟后可以看到水蒸气出现，3一5分钟后，塑料袋的温度明显升高，平均温度可在40℃一50℃之间。
三、探究结果的应用
1. 现有的应用
a) 足暖贴
其反应原理也是利用氧化还原反应，将化学能转变为热能。为了使温度能够持续更长，产品使用了矿物材料蛭石来保温，同时更重要的是使氧气缓慢的进入，所以装料袋子材质要很特别，由原料层，明胶层，透气膜和无纺布袋组成。无纺布要附上一层微孔透气膜。另外还得有一个常规不透气的外袋——就是俗称的塑料袋。在使用时，撕开外袋，让内袋(无纺布袋)暴露在空气里，空气中的氧气通过透气膜进入里面。发热的时间和温度是通过透气膜的透氧速率进行控制的。如果进氧量太多，反应很快热量一下子就放掉了，而且还有可能烫伤皮肤。如果透氧太慢，反应比较慢，放热少，就没有什么温度了。使用后为赤褐色固体，其中含碳粉、氯化钠固体、四氧化三铁固体以及盐类。
b) 火锅加热包
自煮火锅发热原理来自于包装盒内部的发热包。这个发热包用途广泛，其中主要成分是碳酸钠、焙烧硅藻土、铁粉、铝粉、焦炭粉、活性炭、盐、生石灰组成一袋，注入冷水，就可以加热到150℃以上，而蒸汽的温度即可达到200℃，用来蒸煮食物。生石灰，学名氧化钙，它和水接触之后可以产生熟石灰，学名氢氧化钙。在这个过程中会释放大量热量，是发热包主要的热量来源。发热包中含有硅藻土、活性炭等成分，它们是典型的吸附剂。其疏松多孔的结构有利于各种有效成分附着，充分接触并发生化学反应。发热包通常还有碳酸钠、氯化钙、硫酸镁等盐分，主要是用来吸收渗入包装内的微量水分，防止氧化钙逐渐失效，同时在化学反应中起到辅助作用。此外，发热包中也常见铁粉和铝粉，它们可以通过和氧气反应释放少量热量。也可以和活性炭、水分、盐分形成“原电池”效应，通过氧化还原反应释放热量。
应用拓展的设想 :一次性发热桌（坐）垫
设计目的：
a) 普通电加热桌垫大多数为低压供电，所以多有电源适配器，如果损坏，有触电的危险。而使用本原理制作的化学加热桌垫，无电流，危险度低。
b) 远途使用可随用随抛弃。
设计构想：
铁粉、活性炭和食盐水灌入无纺布袋(高强度，可透气)，正面涂上橡胶涂层，背面透气，使用前真空包装，可卷曲，便于携带。
四、实验对现实生活的指导意义
暖宝宝对腰、肩、胃、腿及关节等疼痛均有缓解作用，能快速缓解并消除各种畏寒疾病引起的疼痛，是关节炎、肩周炎、腰腿痛、风湿及类风湿、四肢发凉、患处遇寒疼痛等疾病患者止痛的即开即用型。驱寒保暖，促进人体微循环。
我们可以自制一个“暖宝宝”，驱寒保暖，过上一个舒适的冬季。
参考资料：
本期编辑
供稿： 张益平
制作： 祝烨烨