利用紅外熱成像技術(shù)揭示鋁熱反應(yīng)中的熱效應(yīng)

［摘 要］鋁熱反應(yīng)屬于典型的放熱反應(yīng)，其實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象非常明顯，能夠直觀展現(xiàn)化學(xué)變化中的能量變化，從而激發(fā)學(xué)生的化學(xué)學(xué)習(xí)興趣。然而，該反應(yīng)過(guò)程過(guò)于劇烈且耀眼，使得反應(yīng)中的熱效應(yīng)難以被直接觀察。而利用紅外熱成像技術(shù)可對(duì)鋁熱反應(yīng)的過(guò)程進(jìn)行直觀展示。文章通過(guò)對(duì)比打火機(jī)、火柴、酒精燈、鎂條燃燒及鋁熱反應(yīng)的熱成像圖，探究不同物質(zhì)燃燒背后的熱效應(yīng)差異，以獲取隱藏在現(xiàn)象背后的真實(shí)有用的信息，引導(dǎo)學(xué)生通過(guò)科學(xué)手段和對(duì)比分析的方法得出合理結(jié)論，進(jìn)而鍛煉學(xué)生的科學(xué)思維和邏輯推理能力，加深學(xué)生對(duì)鋁熱反應(yīng)相關(guān)知識(shí)的理解和認(rèn)識(shí)。

［關(guān)鍵詞］紅外熱成像技術(shù)；鋁熱反應(yīng)；熱效應(yīng)

［中圖分類號(hào)］" " G633.8" " " " " " " " ［文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼］" " A" " " " " " " " ［文章編號(hào)］" " 1674-6058（2025）02-0062-04

一、研究背景

《普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版2020年修訂）》強(qiáng)調(diào)，發(fā)揮現(xiàn)代信息技術(shù)的作用，積極探索現(xiàn)代信息技術(shù)與化學(xué)實(shí)驗(yàn)的深度融合，鼓勵(lì)教師運(yùn)用信息技術(shù)提高課堂教學(xué)效率和質(zhì)量，促進(jìn)教師教學(xué)方式和學(xué)生學(xué)習(xí)方式的改變［1］?；瘜W(xué)是一門以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的學(xué)科，在教學(xué)過(guò)程中非常注重對(duì)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的觀察，并通過(guò)這些現(xiàn)象來(lái)分析化學(xué)反應(yīng)的本質(zhì)。然而，有些化學(xué)反應(yīng)過(guò)于劇烈和快速，難以直接通過(guò)肉眼觀察來(lái)全面了解其反應(yīng)本質(zhì)。鋁熱反應(yīng)實(shí)驗(yàn)是滬教版高中化學(xué)教材必修二第五章第三節(jié)“化學(xué)變化中的能量變化”的重要實(shí)驗(yàn)，涉及鋁及其化合物和能量變化的知識(shí)。通過(guò)對(duì)該實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的學(xué)習(xí)，學(xué)生可以了解化學(xué)變化中的化學(xué)能向熱能、光能轉(zhuǎn)化的過(guò)程，學(xué)會(huì)從物質(zhì)變化與化學(xué)鍵變化兩個(gè)視角剖析反應(yīng)中能量變化的本質(zhì)原因，認(rèn)識(shí)吸熱反應(yīng)和放熱反應(yīng)，初步建構(gòu)化學(xué)變化中能量變化的認(rèn)知模型。

鋁熱反應(yīng)的原理是鋁單質(zhì)在高溫條件下進(jìn)行的一種氧化還原反應(yīng)，體現(xiàn)出了鋁的強(qiáng)還原性。由于氧化鋁的生成焓極低，因此反應(yīng)過(guò)程中會(huì)放出巨大的熱量，甚至可以使生成的金屬以熔融態(tài)出現(xiàn)。反應(yīng)放出的大量熱量使鋁熔化，而液相反應(yīng)進(jìn)一步加快了反應(yīng)速率，短時(shí)間內(nèi)放出極大量的熱量。鋁熱反應(yīng)的劇烈程度主要由被鋁還原的金屬離子的氧化性決定。據(jù)估計(jì)，500克鋁熱劑（成分是氧化鐵和鋁）會(huì)在30秒內(nèi)燃燒殆盡。本節(jié)課主要關(guān)注化學(xué)能向熱能的轉(zhuǎn)化，以鋁熱反應(yīng)實(shí)驗(yàn)作為引入，一方面回顧了金屬之間的置換反應(yīng)，另一方面通過(guò)明顯的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，讓學(xué)生直觀感受到化學(xué)變化中化學(xué)能向熱能、光能轉(zhuǎn)化的過(guò)程，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情。鋁熱反應(yīng)的現(xiàn)象是劇烈燃燒，火星四射，發(fā)出耀眼的光芒，產(chǎn)生大量的煙，放出大量的熱量，生成熔融的黑色物質(zhì)。該反應(yīng)進(jìn)行得非?？欤n堂演示時(shí)8秒內(nèi)即可完成。由于反應(yīng)過(guò)程過(guò)于劇烈和耀眼，使得反應(yīng)中的熱效應(yīng)難以被直接觀察。

為了彌補(bǔ)鋁熱反應(yīng)過(guò)程中熱量變化不易直接感知以及現(xiàn)有測(cè)溫工具無(wú)法準(zhǔn)確測(cè)量鋁熱反應(yīng)位點(diǎn)溫度的缺陷，本研究依據(jù)課標(biāo)要求，擬借助紅外熱成像技術(shù)來(lái)拍攝和記錄鋁熱反應(yīng)過(guò)程中的位點(diǎn)溫度和熱量分布等實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。

二、紅外熱成像技術(shù)

紅外熱成像技術(shù)是一種高效、非接觸、無(wú)損的熱效應(yīng)檢測(cè)技術(shù)，廣泛應(yīng)用于軍事偵察、安防夜視以及溫度檢測(cè)等領(lǐng)域。自21世紀(jì)以來(lái)，該技術(shù)也逐漸應(yīng)用于教學(xué)領(lǐng)域。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外對(duì)紅外熱成像技術(shù)在教學(xué)中的應(yīng)用研究日益增多。例如，哈格隆德等人［2］將紅外攝像機(jī)應(yīng)用到本科物理和化學(xué)的教學(xué)中，發(fā)現(xiàn)其能有效支持探究性學(xué)習(xí);李順巧等人［3］借助紅外熱像儀與智能手機(jī)，觀察并拍攝了鈉在空氣中的變化過(guò)程以及鈉與水反應(yīng)過(guò)程中的位點(diǎn)溫度和熱量分布情況，對(duì)比分析了煤油對(duì)鈉的氧化速率的影響，并探討了實(shí)驗(yàn)結(jié)果在“鈉的性質(zhì)”教學(xué)中的教育功能與價(jià)值。項(xiàng)佳敏等人［4］通過(guò)手持紅外熱像儀“看到”了化學(xué)反應(yīng)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(yīng)時(shí)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(tǒng)實(shí)驗(yàn)條件下，反應(yīng)中的熱效應(yīng)不易觀察，而紅外熱像儀通過(guò)明顯的顏色對(duì)比，為學(xué)生提供了圖像證據(jù)，有力支持了“猜想假設(shè)—設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)—實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證—討論交流—尋找證據(jù)—形成結(jié)論”的科學(xué)探究過(guò)程，形成了完整的證據(jù)鏈，從而促進(jìn)了學(xué)生證據(jù)推理核心素養(yǎng)的形成。市場(chǎng)上推出的紅外熱像儀，為紅外熱成像技術(shù)在教學(xué)中的進(jìn)一步應(yīng)用和推廣提供了非常好的契機(jī)。

三、實(shí)驗(yàn)案例

（一）實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/p>

本實(shí)驗(yàn)旨在利用紅外熱成像技術(shù)，結(jié)合物理與化學(xué)的研究方法，直觀展示鋁熱反應(yīng)以及不同物質(zhì)（如打火機(jī)、火柴、酒精燈、鎂條等）的燃燒過(guò)程。通過(guò)對(duì)比這些物質(zhì)的燃燒過(guò)程及鋁熱反應(yīng)的熱成像，探究不同物質(zhì)燃燒時(shí)所產(chǎn)生的熱效應(yīng)差異，引導(dǎo)學(xué)生通過(guò)科學(xué)手段和對(duì)比分析的方法來(lái)得出合理的結(jié)論，鍛煉學(xué)生的科學(xué)思維和邏輯推理能力，加深學(xué)生對(duì)鋁熱反應(yīng)相關(guān)知識(shí)的理解和認(rèn)識(shí)。

（二）實(shí)驗(yàn)原理

鎂條在空氣中可以燃燒，氧氣是氧化劑。然而，當(dāng)鎂條部分插入含有氯酸鉀的混合物中并燃燒時(shí)，氯酸鉀則作為氧化劑，為鎂條的持續(xù)燃燒提供氧氣，同時(shí)放出足夠的熱量引發(fā)鋁熱反應(yīng)。由于鋁熱反應(yīng)本身會(huì)放出大量的熱量，反應(yīng)一經(jīng)引發(fā)，它將迅速且劇烈地進(jìn)行，放出的熱量使生成的鐵熔化為液態(tài)?；瘜W(xué)方程式如下：

Fe2O3 + 2 Al [高溫] Al2O3 + 2 Fe

紅外熱像儀可以測(cè)定不同物質(zhì)在燃燒或反應(yīng)過(guò)程中釋放的熱量，其中包括鎂條燃燒時(shí)用于引發(fā)鋁熱反應(yīng)的熱量。利用紅外熱像儀還可以獲取打火機(jī)、火柴、酒精燈、鎂條燃燒及鋁熱反應(yīng)的熱成像圖。

（三）實(shí)驗(yàn)器材

藥品：鋁粉、氧化鐵、氯酸鉀、鎂條。

儀器：手機(jī)、紅外熱像儀、鐵架臺(tái)、濾紙、酒精燈、火柴、打火機(jī)、藥匙等。

實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示。

（四）實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

1.鋁熱反應(yīng)

用硬紙片折成漏斗狀，側(cè)面用釘書釘釘上，底部剪一個(gè)小孔，內(nèi)放一個(gè)用濾紙折成的漏斗，用少量水濕潤(rùn)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(gè)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(guò)的鎂條，用酒精燈點(diǎn)燃鎂條。

通過(guò)紅外熱像儀記錄整個(gè)鋁熱反應(yīng)過(guò)程，包括反應(yīng)前、反應(yīng)中和反應(yīng)后的溫度變化。同時(shí)，用肉眼觀察鋁熱反應(yīng)的現(xiàn)象。實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，對(duì)比分析紅外熱像儀記錄的數(shù)據(jù)與肉眼觀察到的鋁熱反應(yīng)之間的異同，深入理解鋁反應(yīng)的特性和機(jī)理。

2.不同物質(zhì)燃燒的熱效應(yīng)

通過(guò)紅外熱像儀分別記錄打火機(jī)、火柴、酒精燈、鎂條燃燒及鋁熱反應(yīng)的熱成像，對(duì)比分析不同物質(zhì)燃燒過(guò)程中的位點(diǎn)溫度和熱量分布。

（五）實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象與結(jié)論

1.鋁熱反應(yīng)

鋁熱反應(yīng)的現(xiàn)象是劇烈燃燒，火星四射，發(fā)出耀眼的光芒，產(chǎn)生大量的煙，放出大量的熱量，生成熔融的黑色物質(zhì)，如圖2（a-c）所示。雖然反應(yīng)現(xiàn)象非常劇烈，但是大量煙霧的產(chǎn)生會(huì)影響對(duì)主要反應(yīng)區(qū)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(yīng)而升溫的區(qū)域。具體如圖2（d）所示，圖中黑色區(qū)域代表室溫背景環(huán)境，灰色區(qū)域?yàn)殇X熱反應(yīng)的外圍區(qū)域，越往中心溫度越高，顏色逐漸由黑色變?yōu)榛疑?，再由灰色變?yōu)榘咨ｄX熱反應(yīng)的核心區(qū)域溫度最高，在圖像中顯示為白色（由于紅外熱像儀有測(cè)溫上限，該區(qū)域溫度被顯示為最高的330 ℃，但實(shí)際溫度更高）。通過(guò)對(duì)比熱成像圖與肉眼觀察到的鋁熱反應(yīng)現(xiàn)象之間的差異可以發(fā)現(xiàn)，紅外熱像儀可以讓學(xué)生直觀地看到鋁熱反應(yīng)的具體區(qū)域和清晰的溫度分布，同時(shí)可以避免反應(yīng)過(guò)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(yīng)完成后的鐵圈和砂盆在外觀上基本恢復(fù)常態(tài)［如圖3（a）］，會(huì)給人一種它們已經(jīng)恢復(fù)到平時(shí)狀態(tài)的錯(cuò)覺，使人容易放松警惕。但實(shí)際上，通過(guò)紅外熱像儀就能清晰地發(fā)現(xiàn)，此時(shí)支撐紙漏斗的鐵架和接殘?jiān)纳芭铚囟热匀桓哌_(dá)330 ℃［如圖3（b）］，很容易造成燙傷，非常危險(xiǎn)。

2.不同物質(zhì)燃燒的熱效應(yīng)

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

讓人意外的是，火柴的燃燒溫度居然比打火機(jī)和酒精燈的都高，這與人們?nèi)粘ＵJ(rèn)知不符。為了驗(yàn)證這一結(jié)論，如圖5所示，分別將鋁熱反應(yīng)和酒精燈（a），鎂條和酒精燈（b），打火機(jī)、酒精燈和火柴（c）分別放在一起比較。實(shí)驗(yàn)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(yīng)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(qiáng)調(diào)的是，圖5（c）的結(jié)果進(jìn)一步證實(shí)了火柴的燃燒溫度比打火機(jī)和酒精燈的都高。由此可見，利用紅外熱像儀還能通過(guò)直觀形象的結(jié)果來(lái)糾正人們?nèi)粘５腻e(cuò)誤認(rèn)知。

四、教學(xué)價(jià)值與意義

（1）在觀察鋁熱反應(yīng)時(shí)，紅外熱成像技術(shù)可以避免反應(yīng)過(guò)程中大量煙霧的影響，讓學(xué)生直觀地看到鋁熱反應(yīng)的區(qū)域和溫度分布情況。

（2）紅外熱成像技術(shù)可顯示出鋁熱反應(yīng)完成后支撐紙漏斗的鐵架和接殘?jiān)纳芭铚囟热匀缓芨?，這有效地警示了學(xué)生注意危險(xiǎn)、謹(jǐn)防燙傷。

（3）通過(guò)對(duì)比打火機(jī)、火柴、酒精燈、鎂條的燃燒及鋁熱反應(yīng)的熱成像結(jié)果，能夠直觀展示火柴的燃燒溫度高于打火機(jī)和酒精燈，從而糾正人們?nèi)粘５腻e(cuò)誤認(rèn)知。

除了上述教學(xué)價(jià)值，基于紅外熱成像技術(shù)的直觀對(duì)比實(shí)驗(yàn)還能引導(dǎo)學(xué)生通過(guò)科學(xué)手段和對(duì)比分析的方法得出合理的結(jié)論，并學(xué)會(huì)觸類旁通、舉一反三，鍛煉學(xué)生的科學(xué)思維和邏輯推理能力，拓展學(xué)生的知識(shí)面。由此可見，本實(shí)驗(yàn)不但能加深學(xué)生對(duì)鋁熱反應(yīng)相關(guān)知識(shí)的理解和認(rèn)識(shí)，還能更好地推動(dòng)綜合素質(zhì)教育的實(shí)踐，具有重要的教學(xué)價(jià)值。

［" "參" "考" "文" "獻(xiàn)" "］

[1]" 中華人民共和國(guó)教育部.普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)：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(zhì)及其熱效應(yīng)[J].化學(xué)教學(xué)，2022（2）：74-77.

[4]" 項(xiàng)佳敏，保志明.基于熱成像儀從能量視角辨觀化學(xué)反應(yīng)[J].化學(xué)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(jù)推理教學(xué)：以“鈉及其化合物”的教學(xué)為例[J].化學(xué)教與學(xué)，2022（16）：21-25.

（責(zé)任編輯" " 羅" " 艷）