紅外熱成像技術(shù)助力初中化學(xué)實(shí)驗(yàn)

陳夢麟

（新北區(qū)實(shí)驗(yàn)中學(xué) 江蘇 常州 213022）

紅外熱成像技術(shù)最初起源于軍用，后逐漸轉(zhuǎn)為民用。在日常生活中，人們使用便攜式紅外熱成像儀可以檢查汽車發(fā)動機(jī)、加熱座椅、汽車除霜、保險絲、水管漏水以及尋找小動物等。同時，紅外熱成像技術(shù)也給涉及熱量變化的化學(xué)實(shí)驗(yàn)提供了新的測量手段。

一、紅外熱成像技術(shù)簡介

1.認(rèn)識紅外熱成像裝置

紅外熱成像裝置主要包括三部分：便攜式紅外熱成像儀、手機(jī)（或iPad）和常規(guī)實(shí)驗(yàn)器材。便攜式紅外熱成像儀只有U盤大小，可根據(jù)所用手機(jī)或iPad選擇蘋果或安卓操作系統(tǒng)購買。使用時，先在手機(jī)上安裝紅外熱成像儀的APP，開啟該APP 的相機(jī)、定位和麥克風(fēng)權(quán)限（部分手機(jī)還需要設(shè)置打開OTG 功能）。將紅外熱成像儀接口插入手機(jī)或者iPad的充電口，當(dāng)打開APP 時，手機(jī)的屏幕就成了熱成像儀的顯示屏，并可用于實(shí)驗(yàn)的拍攝，見圖1。

圖1 紅外熱成像裝置

進(jìn)行化學(xué)實(shí)驗(yàn)時，將手機(jī)固定在手機(jī)支架或鐵架臺上，同時用紅外熱成像儀拍攝實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。通過手機(jī)同屏技術(shù)，把拍攝的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象實(shí)時投影到一體機(jī)或屏幕上，讓所有學(xué)生同步觀察。

2.了解紅外熱成像的圖像

紅外熱成像儀將物體發(fā)出的不可見紅外光轉(zhuǎn)變?yōu)榭梢姷膱D像，這種圖像就是紅外熱成像的圖像。以彩虹色調(diào)色板為例，熱成像的圖像上面的不同顏色代表被測物體的不同溫度，藍(lán)色代表低溫，紅色代表高溫，藍(lán)色越深表示溫度越低，紅色越深表示溫度越高。

二、運(yùn)用紅外熱成像技術(shù)進(jìn)行初中化學(xué)實(shí)驗(yàn)

1.比較固體物質(zhì)溶于水的溫度差異

（1）實(shí)驗(yàn)背景

滬教版初中化學(xué)教材第6 章第1 節(jié)研究硝酸銨、氯化鈉和氫氧化鈉分別溶于水過程中的熱量變化實(shí)驗(yàn)裝置如圖2所示。［1］

圖2 教材中研究物質(zhì)溶解時的溫度變化實(shí)驗(yàn)

教材實(shí)驗(yàn)中使用了30 mL 水，為了明顯地觀察到溫度計(jì)讀數(shù)的變化，實(shí)驗(yàn)時常常需要加大試劑用量，會造成試劑的浪費(fèi)。此外，實(shí)驗(yàn)中要進(jìn)行三次溶解和測量，操作麻煩且耗時長；如果是教師演示實(shí)驗(yàn)，無法讓每一個學(xué)生清楚地看到溶液中的溫度變化。在紅外熱成像儀下完成該實(shí)驗(yàn)可以很好地解決上述問題。

（2）用紅外熱成像儀進(jìn)行實(shí)驗(yàn)觀測

裝置見圖3。

圖3 運(yùn)用紅外熱技術(shù)研究物質(zhì)溶解時的溫度變化

①將紅外熱成像儀與手機(jī)相連，放置于手機(jī)支架上（下文實(shí)驗(yàn)的第一步均如此操作，故在后面實(shí)驗(yàn)中省略此步驟及裝置圖）。

②將點(diǎn)滴板置于紅外熱成像儀攝像頭下，在4 個孔穴中用滴管各滴入5滴蒸餾水，打開紅外熱成像儀攝像頭。

③向其中3 個孔穴中分別加入氯化鈉固體、硝酸銨固體、氫氧化鈉固體各1 g，用牙簽或硬吸管攪拌，觀察點(diǎn)滴板的熱成像圖像，對比四個孔穴圖像的差異，30 s后關(guān)閉紅外熱成像儀攝像頭。

（3）實(shí)驗(yàn)結(jié)果

實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖4 所示，從圖中的顏色差異可以明顯看出溫度差異，硝酸銨固體溶于水圖像呈深藍(lán)色，氫氧化鈉固體溶于水圖像呈深紅色，氯化鈉固體溶于水圖像顏色沒有明顯的變化。如果回看錄像，還可以看到硝酸銨溶于時，水的藍(lán)色圖像越來越深，氫氧化鈉溶于水時紅色圖像越來越深。說明氫氧化鈉溶于水放出熱量，溫度升高；硝酸銨溶于水吸收熱量，溫度降低；氯化鈉溶于水熱效應(yīng)不明顯，溫度幾乎不變。

圖4 氯化鈉等固體物質(zhì)溶于水時的熱成像圖

2.利用溫度變化驗(yàn)證石灰石煅燒的產(chǎn)物

（1）實(shí)驗(yàn)背景

在初中化學(xué)實(shí)驗(yàn)中，溫度的變化常常用感官去感知。例如：感知生石灰和水反應(yīng)的放熱情況。通常往盛有水的燒杯中加入生石灰，讓學(xué)生觸摸燒杯壁。要讓學(xué)生感到明顯的溫度變比，就需要加入較多的生石灰，造成試劑浪費(fèi)，同時還存在不安全的因素。

滬教版化學(xué)教材第7章第3節(jié)“幾種重要的鹽”中有煅燒石灰石的實(shí)驗(yàn)。為了驗(yàn)證產(chǎn)物，將煅燒后的物質(zhì)放入冷水中，然后再用酚酞試液、吹入二氧化碳的方法進(jìn)行檢驗(yàn)。［1］若將煅燒后的物質(zhì)放入冷水中，捕捉溶液的熱量變化，并排除碳酸鈣、氫氧化鈣的干擾，就能證明生成了氧化鈣。

（2）用紅外熱成像儀進(jìn)行實(shí)驗(yàn)觀測

①將點(diǎn)滴板置于紅外熱成像儀的攝像頭下，在點(diǎn)滴板的4個孔穴中用滴管各滴入0.5 mL蒸餾水。

②按圖5所示，分別用藥匙取少量氧化鈣、氫氧化鈣、碳酸鈣，加入到點(diǎn)滴板的3個孔穴中，用牙簽或硬吸管攪拌，并用紅外熱成像儀拍攝實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。

圖5 生石灰等固體加入水中的實(shí)驗(yàn)裝置

③將一小片石灰石進(jìn)行灼燒，冷卻后放入裝有水的表面皿中（見圖6），并用紅外熱成像儀拍攝實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。

圖6 石灰石煅燒后固體加入水中的實(shí)驗(yàn)裝置

（3）實(shí)驗(yàn)結(jié)果

實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖7 所示，通過顏色分布可以看出氧化鈣加入水中圖像為深紅色，說明反應(yīng)放熱明顯，溫度升高；碳酸鈣、氫氧化鈣與水接觸圖像的顏色變化不明顯。用熱成像儀拍攝煅燒石灰石后剩余固體加入水中時的熱量變化，可以發(fā)現(xiàn)，固體與水接觸時，圖像的顏色為深紅色，說明放出了大量的熱，溫度升高；而碳酸鈣、氫氧化鈣與水接觸時熱效應(yīng)不明顯，通過這些溫度變化的圖像，證明煅燒石灰石后生成了氧化鈣。即使把培養(yǎng)皿搖動，熱量變化還是主要集中在氧化鈣固體上，周圍液體的溫度上升不明顯。如果用燒杯完成此實(shí)驗(yàn)，需要消耗較多試劑才能讓學(xué)生在觸摸燒杯壁時感受到溫度的變化，紅外熱成像儀的優(yōu)勢在這里得到了充分的體現(xiàn)。

圖7 氧化鈣等固體加入水中的熱成像圖

3.體悟中和反應(yīng)中，熱量分布的趣味

（1）實(shí)驗(yàn)背景

中和反應(yīng)是滬教版化學(xué)教材第7 章第2 節(jié)“常見的酸和堿”的學(xué)習(xí)內(nèi)容。中和反應(yīng)發(fā)生時沒有明顯的現(xiàn)象，為了證明反應(yīng)的發(fā)生，教材采用滴加酚酞試液看顏色變化、使用溫度計(jì)看溫度變化的方法加以證明。［1］部分教師還使用pH 計(jì)、pH 傳感器測量溶液中pH 的變化證明中和反應(yīng)的發(fā)生。教材設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)是在燒杯中進(jìn)行，為了讓學(xué)生看到明顯的顏色變化（或pH的變化）和溫度變化，需要使用較多的試劑；同時，用溫度計(jì)只能測量燒杯內(nèi)某一個點(diǎn)的溶液溫度，無法觀測整個燒杯里溶液溫度的分布情況。使用紅外熱成像儀進(jìn)行實(shí)驗(yàn)觀測，可以從多個點(diǎn)觀察溶液中的熱量分布情況，增加實(shí)驗(yàn)的趣味性。

（2）用紅外熱成像儀進(jìn)行實(shí)驗(yàn)觀測

在紅外熱成像儀下完成下列三個實(shí)驗(yàn)：

①按圖8 所示，在培養(yǎng)皿中滴加氫氧化鈉溶液至鋪滿底部，用滴管逐滴滴加稀鹽酸。

圖8 用滴管往氫氧化鈉溶液中滴加稀鹽酸

②按圖9 所示，在培養(yǎng)皿中滴加氫氧化鈉溶液至鋪滿底部，用注射器抽取稀鹽酸，將注射器橫放，平行于培養(yǎng)皿上方，推動活塞將稀鹽酸注入培養(yǎng)皿。

圖9 用注射器往氫氧化鈉溶液中注入稀鹽酸

③按圖10 所示，取兩支滴管，分別吸取稀鹽酸和氫氧化鈉溶液，交替逐滴將溶液滴入表面皿。

圖10 用滴管交替滴入氫氧化鈉溶液和稀鹽酸

（3）實(shí)驗(yàn)結(jié)果

實(shí)驗(yàn)①，用滴管向氫氧化鈉溶液中逐滴滴加稀鹽酸，溫度升高呈現(xiàn)的熱成像的紅色圖像如同一顆“跳動的心臟”，如圖11；實(shí)驗(yàn)②，用注射器平行橫放于培養(yǎng)皿上方注入稀鹽酸，熱成像的紅色圖像如同一只“展翅的鳥”，如圖12；實(shí)驗(yàn)③，用滴管交替滴加稀鹽酸和氫氧化鈉溶液，熱成像的紅色圖像在液滴相交處被藍(lán)色“擠來擠去”，就像“摩擦生熱”，如圖13。

圖11 “跳動的心臟”熱成像圖

圖12 “展翅的鳥”熱成像圖

圖13 “摩擦生熱”熱成像圖

從熱成像圖中藍(lán)色變成紅色可以證明中和反應(yīng)的發(fā)生，同時從圖中可以看到在容器中不同的地方有不同的顏色，從而可以清楚地了解反應(yīng)時溶液中各部分溫度的分布情況。多種形式的實(shí)驗(yàn)操作也增加了課堂的趣味，豐富了想象的空間。

三、運(yùn)用紅外熱成像技術(shù)進(jìn)行初中化學(xué)實(shí)驗(yàn)的價值與創(chuàng)新之處

1.可視化

紅外熱成像儀下的實(shí)驗(yàn)拓展了實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的表征方式，將溫度變化的數(shù)字表征變?yōu)閳D像表征，實(shí)現(xiàn)了溫度變化的可視化。通過同屏技術(shù)可將實(shí)驗(yàn)的熱成像圖像放大投屏，讓所有學(xué)生可以同步觀察到實(shí)驗(yàn)中的溫度變化現(xiàn)象。

2.綠色化

上述用紅外熱成像儀測量的實(shí)驗(yàn)都是在點(diǎn)滴板、培養(yǎng)皿或表面皿等器材中進(jìn)行的。器材微型，便于清洗，使用藥品少，實(shí)驗(yàn)時間短，綠色環(huán)保，適合在多個班級中連續(xù)上課時演示。

3.便捷化

測量多個實(shí)驗(yàn)的溫度變化時，使用溫度計(jì)較繁瑣且耗時長；在燒杯中進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時，用手觸摸燒杯只能感知器壁溫度，無法獲知容器內(nèi)部的溫度變化情況。用點(diǎn)滴板進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時，在紅外熱成像儀下可以同時測量多個實(shí)驗(yàn)中的溫度變化情況，減少了重復(fù)、機(jī)械操作，既可以對多個實(shí)驗(yàn)中的溫度變化進(jìn)行對比，還可以同時觀察到容器內(nèi)溶液的多點(diǎn)的溫度變化。

4.趣味性

同一個反應(yīng)，通過改變反應(yīng)裝置或試劑滴加順序，可以動態(tài)、多樣化呈現(xiàn)溫度變化過程。例如：中和反應(yīng)的“跳動的心臟”“展翅的鳥”“摩擦生熱”實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，充分激發(fā)了學(xué)生的興趣。此外，學(xué)生還可以融入自己的想法對實(shí)驗(yàn)進(jìn)行改進(jìn)，豐富實(shí)驗(yàn)的體驗(yàn)。

5.安全性

紅外熱成像儀可以實(shí)現(xiàn)遙感測溫，不需要與物體直接接觸，可以避免因接觸而產(chǎn)生的不安全。［2］

6.多用途

應(yīng)用紅外熱成像技術(shù)的初中化學(xué)實(shí)驗(yàn)還有很多，可以拓寬一線教師實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的新思路。例如：可用于研究金屬與酸的反應(yīng)、加熱試管內(nèi)液體或固體的風(fēng)險認(rèn)知等。［3］