運用熱成像儀和膜覆法檢驗CaO試劑瓶脹破的三種假設(shè)

摘 要：針對氧化鈣塑料試劑瓶膨脹破裂的原因提出三種假設(shè)，展開實驗探究。為檢驗“空氣受熱膨脹使瓶體破裂”的假設(shè)，模擬潮濕空氣和液態(tài)水進(jìn)入密封試劑瓶，用熱成像儀測得瓶身升溫最快的部位僅升溫不到5℃，證偽了假設(shè)。為檢驗“固體變質(zhì)膨脹使瓶體破裂”的假設(shè)，采用創(chuàng)新設(shè)計的“熱縮膜覆蓋法”測量CaO和Ca（OH）2粉末的密度，發(fā)現(xiàn)氧化鈣吸水后體積最大可增大至3倍，證實了假設(shè)。實驗過程中，通過師生多次探究和討論，質(zhì)疑與論證，優(yōu)化實驗方案，培養(yǎng)了學(xué)生的創(chuàng)新意識和實驗探究能力。

關(guān)鍵詞：氧化鈣；試劑瓶；膨脹破裂；探究實驗

中圖分類號：G434 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

一、問題的提出

久置的CaO試劑瓶可能會自己脹破，如人教版九年級《化學(xué)》上冊教材一道習(xí)題提及：“有位化學(xué)教師取用生石灰時，發(fā)現(xiàn)裝滿生石灰的塑料試劑瓶已經(jīng)膨脹破裂（如圖1）。你能解釋這是為什么嗎？”[1]

教師參考用書提供的參考答案是：“生石灰在保存過程中吸收空氣中的水，發(fā)生反應(yīng)而放熱膨脹，導(dǎo)致塑料試劑瓶膨脹破裂?！边@樣的解釋引發(fā)了師生討論和質(zhì)疑：如果試劑瓶不密封，雖然空氣中的水蒸氣能夠進(jìn)入，但瓶內(nèi)氣體遇熱膨脹后便也能夠飄散到瓶外，不至于使試劑瓶內(nèi)部壓強過大；如果試劑瓶密封，理論上一定量的液態(tài)水和CaO反應(yīng)生成的炙熱的水蒸氣能夠讓塑料瓶脹破（如圖2），但進(jìn)入試劑瓶中的水很少，能否產(chǎn)生足夠的熱量？

筆者運用紅外熱成像儀設(shè)計實驗，并創(chuàng)新設(shè)計測量粉末密度的“熱縮膜覆蓋法”（簡稱“膜覆法”），帶學(xué)生證偽CaO塑料試劑瓶膨脹破裂的不合理假設(shè)，并探索真正原因。

二、猜想與假設(shè)

師生展開討論，對瓶身膨脹破裂作出假設(shè)（如圖3）。首先延續(xù)了教學(xué)參考用書“答案”的思路，假設(shè)是氣體受熱膨脹使瓶體破裂，此時如果瓶體不密封，氣體膨脹將會漏氣，理論上就不成立[2]。因此瓶體只可能是密封的，發(fā)生CaO+H2O =Ca（OH）2反應(yīng)，所需的水可能來自取用試劑時帶來的潮濕空氣，在蓋緊瓶蓋后被封存在瓶內(nèi)；也可能來自藥品取用不規(guī)范進(jìn)入的少量液態(tài)水，例如誤用了潮濕的藥匙、瓶蓋上沾了水等。

此外，師生還提出了“固體變質(zhì)膨脹使瓶體破裂”的假設(shè)，并繼續(xù)通過實驗進(jìn)行檢驗。在這個思路下，由于固體需要吸收較多水分才能膨脹到足以撐破瓶身的體積（固體膨脹率比氣體?。?，瓶體理論上是不密封的。

三、“氣體受熱膨脹”的實驗檢驗

（一）實驗方案的形成過程

本次實驗分為2個實驗，實驗1模擬潮濕氣體進(jìn)入的情況，實驗2模擬液態(tài)水進(jìn)入的情況，分別測量瓶內(nèi)溫度發(fā)生的變化。對于測溫儀器，學(xué)生一開始提出用溫度計，但存在2個缺點：①不確定瓶內(nèi)什么地方升溫最快，測溫點的位置無法確定；②溫度計插入瓶內(nèi)后無法蓋上蓋子，即便在蓋子上鉆孔，也很難模擬“密封”的環(huán)境。為了得知瓶身最高溫度在哪個點，需要“區(qū)域測溫”的儀器，師生討論后決定用熱成像儀實現(xiàn)這個功能。熱成像儀是利用紅外探測器接受被測物發(fā)出的紅外輻射，再將其轉(zhuǎn)化為被測物的熱圖像的儀器。通過熱成像儀可以直觀觀測被測目標(biāo)的溫度分布圖，實現(xiàn)溫度可視化[3，4]。同時，熱成像儀具有非接觸測溫的優(yōu)點，可以保證試劑瓶的密封。

（二）實驗用品

500g規(guī)格的CaO塑料試劑瓶（分析純）、加濕器、升降臺、熱成像儀、秒表、藥匙、蒸餾水、滴管。

（三）實驗步驟

①實驗1的加濕步驟：如圖4，將CaO試劑瓶敞口放置，旁邊放一個加濕器，加濕器用升降臺調(diào)節(jié)高度，使噴出的水霧在試劑瓶瓶口正上方正好消失。這樣白色的水霧不會直接進(jìn)入瓶中，而是模擬非常潮濕的空氣。加濕2min后，蓋上瓶蓋。

②實驗2的加水步驟：將另一瓶氧化鈣試劑瓶敞口放置，用沾了水的藥匙攪動瓶內(nèi)試劑，再用滴管在試劑瓶中滴加2滴蒸餾水（模擬潮濕的手或瓶蓋滴下的水），最后蓋緊蓋子。

③用熱成像儀識別瓶內(nèi)最高溫度：用熱成像儀分別拍攝2個試劑瓶，把畫面調(diào)成“黑熱”模式（溫度越高的部位顏色越深，黑色表示放熱最多），對熱成像畫面中顏色最深的部位測量溫度，與環(huán)境溫度比較。

（四）實驗現(xiàn)象與結(jié)論

實驗現(xiàn)象如圖5所示，用熱成像儀在CaO瓶身和周圍環(huán)境分別選定一個測溫矩形，自動識別該區(qū)域內(nèi)的最高溫度、最低溫度和平均溫度，測量結(jié)果如表1。當(dāng)潮濕空氣進(jìn)入試劑瓶后（實驗1），上層的CaO與水汽接觸最充分，因此上層放熱最多，最高升溫4. 4℃，在熱成像照片中呈現(xiàn)明顯的黑色。下層的CaO幾乎沒有接觸到水汽，因此溫度與環(huán)境溫度一致。類似地，當(dāng)少量液態(tài)水進(jìn)入試劑瓶后（實驗2），也是上層的CaO首先與水反應(yīng)，溫度升高至28. 8℃，把水消耗完后，下層的CaO沒有與水反應(yīng)，溫度不升高。

實驗現(xiàn)象證明了潮濕空氣和少量液態(tài)水進(jìn)入瓶內(nèi)后，確實能與上層的CaO反應(yīng)放熱，但由于反應(yīng)物的量很少，放熱有限，不足以使瓶內(nèi)空氣劇烈膨脹至漲破塑料瓶。通過上述兩個實驗，證偽了“氣體受熱膨脹使瓶體破裂”的假設(shè)。

四、“固體變質(zhì)膨脹”的實驗檢驗

（一）實驗方案的形成過程

（二）實驗用品

氧化鈣（分析純）、氫氧化鈣（分析純）、水、分度值0. 01g的電子秤、100mL量筒、熱縮膜、吹風(fēng)機、藥匙、細(xì)鐵絲。

（三）實驗步驟

①用電子秤準(zhǔn)確稱量30g CaO固體粉末，倒入熱縮膜中，擠壓排出空氣。

②把熱縮膜袋口扎緊，然后用帶有加熱功能的吹風(fēng)機烘烤熱縮膜，使之收縮、緊密貼合固體粉末。

實驗中可能存在的誤差和降低誤差方法如下：

①熱縮膜包裹的固體粉末之間存在間隙，因此可以用橡膠錘捶打固體粉末，盡量壓縮間隙。

②熱縮膜可能沒有完全貼合固體粉末，少量空氣未被排出，因此可以用使用熱縮膜時盡可能捋順、排出空氣。

五、實驗創(chuàng)新點

（一）運用多種創(chuàng)新技術(shù)手段

近年來技術(shù)創(chuàng)新是化學(xué)實驗中研究的熱點。在本系列實驗中，借助熱成像技術(shù)直觀觀察到試劑瓶的溫度分布圖，能夠直接監(jiān)測溫度最高點，實驗證據(jù)更有說服力。通過分析引導(dǎo)，使學(xué)生創(chuàng)造性地提出用膜覆法實現(xiàn)固體體積的測量，從而發(fā)展了測量固體粉末的新技術(shù)。

（二）實現(xiàn)跨學(xué)科知識的融合

氧化鈣塑料試劑瓶膨脹破裂本身是一個化學(xué)問題，但在解決問題的過程中不僅需要運用氧化鈣和氫氧化鈣的性質(zhì)等化學(xué)知識，還涉及熱脹冷縮、氣密性、壓強、密度等多種物理學(xué)知識以及體積測量、密度計算、誤差分析等數(shù)學(xué)運算，進(jìn)而分析氧化鈣試劑瓶破裂背后的真相。通過這樣的跨學(xué)科活動，可以提升學(xué)生的綜合素養(yǎng)和問題解決能力。

（三）在實驗中體驗科學(xué)實踐

本實驗不是按部就班的“菜譜式”實驗，而是抓住了有探究價值的“異常現(xiàn)象”作為真實情境，把它開發(fā)成“像科學(xué)家一樣思考”的科學(xué)實踐活動——師生一起提出假設(shè)、設(shè)計實驗，然后運用新技術(shù)、新方法來檢驗假設(shè)，經(jīng)過不斷的分析、質(zhì)疑、聯(lián)想、再探究，才得到真正的結(jié)論。這樣的科學(xué)實踐模擬了科學(xué)家的真實工作，培養(yǎng)了學(xué)生的實驗探究能力、創(chuàng)新意識和科學(xué)論證能力[5]。

參考文獻(xiàn)：

[1]王晶，鄭長龍.義務(wù)教育教科書·化學(xué)·九年級上冊[M].北京：人民教育出版社，2012.

[2]繆培.塑料瓶到底是怎么脹破的[J].理科考試研究，2019，26（10）：58-59.

[3]凌一洲，李驁，王謙等.紅外熱成像技術(shù)在化學(xué)實驗中的應(yīng)用[ J].化學(xué)教育（中英文），2019，40（17）：81-85.

[4]王權(quán)，陳宇，寧曉強.“一氧化碳還原氧化銅”實驗的一體化設(shè)計[J].化學(xué)教育（中英文），2021，42（3）：92-95.

[5]劉婷婷，宋秀蓮，曾艷.多元信息技術(shù)融合的化學(xué)論證式教學(xué)實踐——活潑的金屬單質(zhì)鈉[J].化學(xué)教育（中英文），2023，44（11）：44-49.

（責(zé)任編輯：加順花）