探究暖寶寶發熱速率的因素

◆廣州市天河外國語學校 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。暖寶寶是如何實現保暖的？不同品牌的暖寶寶為何發熱效果不同？能否自制暖寶寶？一次化學實驗課上，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量良莠不齊，我們還了解到，幾年前澳大利亞發生的一起垃圾站失火事件就與暖寶寶發熱有關。查閱資料后我們發現，有的暖寶寶溫度上升較快，在達到標注的最高溫后，1 小時內溫度仍會上升。

哪些因素會影響暖寶寶的發熱速率？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速度，將化學能轉變為熱能。為了使保暖時間更長，廠家使用蛭石來保溫。暖寶寶的發熱材料由原料層、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不透氣的外袋。在使用時，去掉外袋，讓內袋（無紡布袋）暴露在空氣里，氧氣通過透氣膜進入里面。

暖寶寶發熱的負極反應方程式為：Fe-2e-=Fe2+，正極反應方程式為：O2+2H2O+4e-=4OH-?？偡磻匠淌綖椋?Fe+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），質量分數為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）。

圖1 主要藥品

三、實驗過程

（一）實驗A

1.實驗目的

探究催化劑顆粒大小對暖寶寶發熱速率的影響。

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。

圖2 往4 個燒杯中倒入鐵粉后的水溫變化曲線

3.實驗結論

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

（二）實驗B

1.實驗目的

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。

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

3.實驗現象

倒入氫氧化鈉溶液的濾液中產生灰綠色沉淀，無紅褐色沉淀出現。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（該現象不明顯）。

4.實驗結論

殘渣中含有鐵單質、活性炭、氫氧化亞鐵。

圖3 倒入高錳酸鉀前

圖4 倒入高錳酸鉀后

圖5 倒入氫氧化鈉的濾液（左）和未倒入氫氧化鈉的濾液（右）

（三）實驗C

1.實驗目的

探究食鹽水濃度對暖寶寶發熱速率的影響。

2.實驗方案

將5g 活性炭粉，10 mL 質量分數為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.實驗結論

食鹽水濃度過高、過低都會使反應速率降低，最佳濃度在10%左右。

（四）實驗D

1.實驗目的

探究暖寶寶中鐵、炭質量比對發熱速率的影響。

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.實驗結論

鐵、炭質量比例過小或過大都會減緩反應速率，較適質量比約為鐵∶炭=5∶1

四、實驗分析

暖寶寶發熱速率的影響因素有食鹽水濃度、鐵炭質量比、催化劑種類等，其中食鹽水濃度和鐵炭質量比對反應速率的影響具有雙重性。暖寶寶發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，加之有些實驗環境氣溫低，實驗數據會有誤差，用現有的數據難以探索暖寶寶創新之路，欲進一步研討暖寶寶仍需再做一些實驗。（指導老師：鄭雪輝 磨學進 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熱速率，建議可從以下方面進一步完善。

1.論文在引用數據時，最好使用近幾年的數據。

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

3.實驗設計目的要明了。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.增加實驗的樣本數量。