探究暖寶寶發(fā)熱速率的因素

蔡元啟　吳家俊　吳俞翰

冬天，暖寶寶是很多人保暖的必備物品。暖寶寶是如何實現(xiàn)保暖的？不同品牌的暖寶寶為何發(fā)熱效果不同？能否自制暖寶寶？一次化學(xué)實驗課上，我們自制暖寶寶失敗了，暖寶寶的秘密讓我們更加著迷與費解。

目前市場上暖寶寶的質(zhì)量良莠不齊，我們還了解到，幾年前澳大利亞發(fā)生的一起垃圾站失火事件就與暖寶寶發(fā)熱有關(guān)。查閱資料后我們發(fā)現(xiàn)，有的暖寶寶溫度上升較快，在達到標注的最高溫后，1小時內(nèi)溫度仍會上升。

哪些因素會影響暖寶寶的發(fā)熱速率？我們對此展開了探究。

一、實驗原理

暖寶寶利用原電池加快氧化反應(yīng)速度，將化學(xué)能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮堋榱耸贡Ｅ瘯r間更長，廠家使用蛭石來保溫。暖寶寶的發(fā)熱材料由原料層、明膠層和無紡布袋包裹。無紡布袋采用微孔透氣膜制作，外面還套了一個常規(guī)不透氣的外袋。在使用時，去掉外袋，讓內(nèi)袋（無紡布袋）暴露在空氣里，氧氣通過透氣膜進入里面。

暖寶寶發(fā)熱的負極反應(yīng)方程式為：Fe-2e-=Fe2+，正極反應(yīng)方程式為：O2 + 2H2O + 4e-=4OH-?？偡磻?yīng)方程式為：2Fe + O2 + 2H2O=2Fe（OH）2，4Fe（OH）2 + 2H2O + O2=4Fe（OH）3 ， 2Fe（OH）3 =Fe2O3+3H2O

二、實驗準備

（一）實驗器材

大、小燒杯若干，試管若干，量筒，膠頭滴管，玻璃棒，電子天平，酒精燈，鐵架臺，溫度傳感器。

（二）實驗藥品

100目鐵粉（③），150目活性炭粉（④），質(zhì)量分數(shù)為5%、10%、20%的食鹽水（②），高錳酸鉀溶液，氫氧化鈉溶液，稀硫酸，澄清石灰水，30目、80目、150目樹脂（①）。

三、實驗過程

（一）實驗A

1.實驗?zāi)康?/p>

探究催化劑顆粒大小對暖寶寶發(fā)熱速率的影響。

2.實驗方案

取4個大小相同的燒杯，編號1、2、3、4，往各個燒杯中分別加入5 g活性炭粉，并倒入10 mL 10% 食鹽水，再往1、2、3號燒杯中分別放入2 g 30目、80目、150目樹脂，4號燒杯中不放樹脂，攪拌均勻。

接著將25 g鐵粉分別倒入燒杯并迅速攪拌，用溫度傳感器測得各個燒杯中的水溫，水溫變化曲線如圖1所示。

3.實驗結(jié)論

樹脂對于該反應(yīng)而言是負催化劑，且其顆粒大小不影響其抑制發(fā)熱作用，可作為抑制暖寶寶發(fā)熱過度的物質(zhì)。

（二）實驗B

1.實驗?zāi)康?/p>

探究暖寶寶殘渣的成分

2.實驗方案

取實驗A完成后4號燒杯的少許殘渣，將其平分成兩組倒進試管，用等量的稀硫酸分別酸浸，靜置沉淀后過濾。取兩組濾液少許，將一組倒入少量高錳酸鉀溶液，另一組倒入少量氫氧化鈉溶液。

取出經(jīng)稀硫酸酸浸后的沉淀，洗滌干燥后灼燒，將內(nèi)壁被涂抹了澄清石灰水的小燒杯罩在火焰上方。

3.實驗現(xiàn)象

倒入氫氧化鈉溶液的濾液中產(chǎn)生灰綠色沉淀，無紅褐色沉淀出現(xiàn)。倒入高錳酸鉀溶液后的濾液仍呈無色。被涂抹了澄清石灰水的小燒杯杯壁變渾濁，灼燒后的殘渣中有少量紅褐色固體（該現(xiàn)象不明顯）。

4.實驗結(jié)論

殘渣中含有鐵單質(zhì)、活性炭、氫氧化亞鐵。

（三）實驗C

1.實驗?zāi)康?/p>

探究食鹽水濃度對暖寶寶發(fā)熱速率的影響。

2.實驗方案

將5g活性炭粉，10 mL質(zhì)量分數(shù)為5%、10%、20%食鹽水分別倒入燒杯，并標注為1、2、3號，攪拌均勻。將25 g鐵粉分別倒入三個燒杯并迅速攪拌，用溫度傳感器測得1、2、3號燒杯中的水溫度達到40 ℃時，需要的時間分別為360 s、206 s、400 s。

3.實驗結(jié)論

食鹽水濃度過高、過低都會使反應(yīng)速率降低，最佳濃度在10%左右。

（四）實驗D

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探究暖寶寶中鐵、炭質(zhì)量比對發(fā)熱速率的影響。

2.實驗方案

取3個相同的燒杯，分別編號為1、2、3。往3個燒杯中分別倒入10 mL 10%食鹽水。往1號燒杯中倒入活性炭10 g、鐵粉20 g，往2號燒杯中倒入活性炭5 g、鐵粉25 g，往3號燒杯中倒入活性炭3 g、鐵粉27 g。迅速攪拌均勻，用溫度傳感器測得1、2號燒杯中水的溫度達到50 ℃時所需的時間分別為78 s、125s，3號燒杯中的水未升溫。

3.實驗結(jié)論

鐵、炭質(zhì)量比例過小或過大都會減緩反應(yīng)速率，較適質(zhì)量比約為鐵∶炭=5∶1

四、實驗分析

暖寶寶發(fā)熱速率的影響因素有食鹽水濃度、鐵炭質(zhì)量比、催化劑種類等，其中食鹽水濃度和鐵炭質(zhì)量比對反應(yīng)速率的影響具有雙重性。暖寶寶發(fā)熱之后的殘渣主要成分為鐵、炭、氫氧化亞鐵，回收暖寶寶時可酸浸殘渣、固液分離，對固體（活性炭）進行干燥再利用。液體則可用氧化劑處理，再按照工業(yè)上處理三價鐵離子的方法處理。

本實驗還不能很好地表明樹脂對暖寶寶的具體作用。

由于保溫措施不到位，加之有些實驗環(huán)境氣溫低，實驗數(shù)據(jù)會有誤差，用現(xiàn)有的數(shù)據(jù)難以探索暖寶寶創(chuàng)新之路，欲進一步研討暖寶寶仍需再做一些實驗。（指導(dǎo)老師：鄭雪輝? 磨學(xué)進? 實驗室管理員：潘翠玉）

專家點評

本項目通過實驗來探究暖寶寶的發(fā)熱速率，建議可從以下方面進一步完善。

1.論文在引用數(shù)據(jù)時，最好使用近幾年的數(shù)據(jù)。

2.設(shè)計實驗時，可通過文獻了解暖寶寶的組成成分以及其在發(fā)熱時的作用，這樣對實驗因子的理解不會出現(xiàn)偏差，實驗設(shè)計的思路會更明晰，也不會出現(xiàn)科學(xué)性錯誤。

3.實驗設(shè)計目的要明了。使用藥品時要讓讀者知曉其在實驗過程中的作用，使讀者對實驗原理有全面的了解。

4.增加實驗的樣本數(shù)量。