利用紅外熱成像技術測定化學反應熱量變化*

楊子慧 龔英 李順巧 陳繼平

摘? 要? 化學反應的熱效應在中學化學教學及實際生產中有著非常重要的意義。針對教材利用觸覺定性感知熱量變化時存在個體差異大等問題，以紅外熱成像技術為實驗手段，對氫氧化鋇與氯化銨反應進行監測，發現八水合氫氧化鋇與氯化銨、氫氧化鋇與氯化銨反應，分別呈現吸熱和放熱現象。借助紅外熱成像技術輔助觀察氫氧化鋇與氯化銨反應，可將化學反應的熱效應數據化和可視化，加強學生對反應熱的多角度認識和深入理解。

關鍵詞? 中學化學；紅外熱成像技術；化學反應；反應熱

中圖分類號：G633.8? ? 文獻標識碼：B

文章編號：1671-489X（2022）24-0028-05

1? 問題的提出

1.1? 化學反應的熱效應在中學化學教學及實際生產中的應用

作為連接化學反應與熱量之間的橋梁，化學反應的熱效應（以下簡稱“反應熱”）是中學化學教學的重點，指在等溫條件下，化學反應體系向環境釋放或從環境吸收的熱量[1]。反應熱是認識和理解化學反應能量變化的基石，在中學化學教學中的應用包括以下幾個方面：

1）燃燒熱、中和熱的實驗測定；

2）運用蓋斯定律進行相關焓變的計算；

3）熱化學方程式的書寫等。

反應熱在實際生產中的應用更加廣泛，主要包括以下幾個方面：

1）在日常生活中的應用，如煤、天然氣等熱能的提供[2]；

2）在化工生產中的應用，如對化學反應過程中熱量的利用、化學反應條件的控制[1]；

3）在航天、軍事領域的應用，如火箭推進劑對人類社會進步的促進作用等[1]。

1.2? 中學化學教學有待改進八水合氫氧化鋇與氯化銨反應實驗

人教版高中化學新教材必修2（以下簡稱“教材”）通過實驗6-1“鹽酸與鎂條反應”和實驗6-2“八水合氫氧化鋇與氯化銨反應”分別展示放熱和吸熱現象。在實驗6-1中，教材通過溫度計測量的方式說明鹽酸與鎂條反應為放熱反應。然而，這種溫度計直接測量的方式并不適合于固體反應體系，因此，實驗6-2僅僅采用觸摸和水凝結成冰的間接方式呈現吸熱事實。實驗6-2作為教材演示實驗吸熱現象明顯，但也存在以下問題。

1）藥品用量方面：Ba（OH）2·8H2O為有毒物質且腐蝕性強[3]，用量較大不利于實驗安全；大量產生的氨氣有強烈刺激性氣味，不利于實驗者健康[4]。

2）實驗結論方面：通過觸覺感受溫度變化或吸放熱存在個體差異，不同學生對溫度變化程度的感受不一樣；學生的感受是結果性的，即學生是一段時間后通過觸覺感受溫度的變化，不能體驗吸放熱完整過程；因為時間和可操作性方面的原因，課堂上僅部分學生能通過觸覺感受溫度變化。

由此可見，中學教學有待對實驗6-2進行改進，以幫助學生更好地理解反應熱，為化學反應與能量模塊的學習夯實基礎。紅外熱成像技術是一種利用物體輻射的紅外線進行成像的技術方法[5]，目前已經開始被用于中學化學研究中[6-7]。該技術能夠將物體表面的溫度分布轉換成直觀的熱成像圖或視頻，具有實時監測、無須接觸、靈敏度高等特點[8]，能彌補傳統實驗誤差較大的不足，可作為認知工具幫助學生理解化學概念。

基于以上研究背景，本實驗擬借助紅外熱成像技術對氫氧化鋇與氯化銨反應進行監測，彌補教材實驗6-2的不足，促進學生對反應熱的深入理解。

2? 設計思路

判斷反應熱量變化的方式主要包括手觸感溫、相態變化、溫度測量等，其中溫度測量是最為直觀、精確度最高的一種方式。研究對實驗6-2進行巧妙改進，選取氫氧化鋇和氯化銨反應：第1組為Ba（OH）2·8H2O與NH4Cl的反應；第2組為Ba（OH）2 與NH4Cl的反應。擬將目標概念反應熱轉化為學生熟知的溫度，讓學生通過量化感知溫度數據，視覺感知紅外熱成像圖或視頻，構建科學嚴謹的反應熱概念。

3? 實驗部分

3.1? 實驗儀器

實驗儀器包括SEEK手機紅外熱像儀（美國COM-PACT PRO安卓版，分辨率320×240，測溫范圍-40～330 ℃，波長測量范圍7.5～14 μm）、電熱鼓風恒溫干燥箱（型號101-1型，上海東星建材試驗設備有限公司）、電子天平（型號YP2102，上海光正醫療儀器有限公司）。實驗觀測裝置如圖1所示。

3.2? 實驗試劑

實驗試劑包括Ba（OH）2·8H2O（分析純，純度≥98.0%，天津市風船化學試劑科技有限公司）、NH4Cl（分析純，純度≥99.5%，天津市風船化學試劑科技有限公司）。

3.3? 實驗步驟

3.3.1? Ba（OH）2·8H2O與NH4Cl的反應

教材中Ba（OH）2·8H2O與NH4Cl用量分別為20 g和10 g，根據預實驗，依據紅外熱成像攝像頭觀察范圍，為確保兩種固體藥品能通過攪拌迅速混勻，研究從教材兩種試劑用量的1/2開始設計實驗，即10 g Ba（OH）2·8H2O與5 g NH4Cl反應。

稱取適量的NH4Cl放入玻璃容器中，按NH4Cl與Ba（OH）2·8H2O質量比為1∶2加入Ba（OH）2·8H2O，用玻璃棒迅速攪拌。將一部智能手與紅外攝像儀連接，用于實時監測反應過程中的熱量變化；另一部智能手機監測宏觀反應。

Ba（OH）2·8H2O與NH4Cl的用量如表1所示。實驗時室溫為21 ℃，空氣相對濕度為58%。

3.3.2? Ba（OH）2與NH4Cl的反應

Ba（OH）2的準備[9-10]：將Ba（OH）2·8H2O置于溫度為150 ℃的恒溫干燥箱中加熱至恒重，得到Ba（OH）2產品，密封保存備用。

稱取適量的NH4Cl放入玻璃容器中，按NH4Cl與Ba（OH）2質量比為1∶2加入Ba（OH）2，用玻璃棒迅速攪拌。將一部智能手與紅外攝像儀連接，用于實時監測反應過程中的熱量變化；另一部智能手機監測宏觀反應。Ba（OH）2與NH4Cl的用量如表2所示。實驗時室溫為21 ℃，空氣相對濕度為58%。

4? 實驗結果及分析

4.1? 測定Ba（OH）2·8H2O與NH4Cl反應熱量變化

實驗測得不同用量的Ba（OH）2·8H2O與NH4Cl反應的宏觀及熱成像信息如圖2所示。由圖2可知，四個實驗中，反應體系溫度均下降，且隨著反應物質量減少，溫度下降變小；當反應物用量減少至教材用量的1/100時，吸熱現象仍十分明顯，這是用教材中實驗6-2觸摸方式無法呈現的。

表3展示不同用量的Ba（OH）2·8H2O與NH4Cl反應熱量變化情況。由實驗結果可知，反應溫度從初始的21 ℃，分別下降到-15 ℃、-10 ℃、-8 ℃、3 ℃，前后溫差分別為36 ℃、31 ℃、29 ℃、18 ℃。由此可見，借助紅外熱成像技術能定量、可視化地呈現吸熱現象，且能顯著減少藥品用量，是綠色化學概念的體現。

以2 g Ba（OH）2·8H2O與1 g NH4Cl反應為例，反應過程中的宏觀現象及熱量變化情況如圖3所示。從室溫21 ℃下降至-2 ℃僅用1分鐘；隨著反應的進行，2分鐘時溫度下降至最低-10 ℃；然后溫度開始回升，在3分鐘時溫度回升至2 ℃，13分鐘回到室溫。從熱量變化過程可知，該反應持續13分鐘。讓學生清晰、直觀、安全地體驗熱量變化過程，也是紅外熱成像技術的一大優勢。

4.2? 測定Ba（OH）2與NH4Cl反應熱量變化

實驗測得不同用量的Ba（OH）2與NH4Cl反應的宏觀和熱成像信息如圖4所示，熱量變化數據如表4所示。由圖4可知，將Ba（OH）2與NH4Cl混合后有放熱現象產生，且Ba（OH）2與NH4Cl用量越大，放熱現象越明顯，即在實驗初始溫度為21 ℃時，溫度分別上升至23 ℃、25 ℃、26 ℃、34 ℃，前后溫差分別為2 ℃、4 ℃、5 ℃、13 ℃。

5? 研究總結

5.1? 研究結論

1）針對教材中Ba（OH）2·8H2O與NH4Cl反應存在的不足，利用紅外熱成像技術輔助觀察該反應，發現紅外熱成像技術的引入不僅可以達到驗證Ba（OH）2·8H2O與NH4Cl反應為吸熱反應的目的，且藥品用量更少，還能讓學生清晰、直觀地體驗熱量變化過程。

2）很多學生包括部分教師主觀地認為銨鹽與堿的反應都是吸熱反應[11]，但借助紅外熱成像技術對Ba（OH）2與NH4Cl反應進行監測后發現并非如此，而這一結果與吳國英等[12]的研究結果是一致的。本研究能為全體學生所接受，具有直觀性和簡便性。

5.2? 研究教學價值

5.2.1? 科學構建目標概念，滲透學科核心素養

《普通高中化學課程標準（2017年版）》將化學學科核心素養“證據推理與模型認知”劃分為四個水平，其中水平3對學生的要求是：能從定性與定量結合上收集證據，能通過定性分析和定量計算推出合理的結論[13]。本研究將紅外熱成像技術運用到氫氧化鋇和氯化銨反應中，學生通過視覺感知熱成像圖或視頻，量化計算溫度變化數據，可從定性定量角度收集證據，判斷化學反應熱量變化，從而構建目標概念——反應熱。該技術的引入不僅可以提高實驗的科學性、嚴謹性，為學生在化學反應與能量模塊的學習打下堅實基礎，還可以將“證據推理與模型認知”學科核心素養逐漸滲透到學生心中。

5.2.2? 引入課外探究活動，培養科學探究能力

目前國家大力提倡素質教育，實驗探究作為增強學生化學學科核心素養的重要載體，受到越來越多教育者的重視。若將紅外熱成像技術作為一種新媒介運用到課外實驗探究活動中，可為學生提供新的觀察視角和思考方式，不僅有利于增強學生的動手操作能力和自主探究能力，培養他們敢于質疑、勇于創新的科學精神，還有利于發揮實驗探究活動在化學中的意義與價值。

參考文獻

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[13] 中華人民共和國教育部.普通高中化學課程標準（2017年版）[S].北京：人民教育出版社，2018：90.

*項目來源：云南師范大學課程思政示范項目“中學化學教學設計與實施課程思政示范項目”（項目編號：SZ2021-A14）。

作者：楊子慧、李順巧，云南師范大學化學化工學院研究生，研究方向為化學教育教學；龔英，云南師范大學化學化工學院，副教授，研究方向為化學（制藥工程）課程教育教學；陳繼平，通信作者，云南師范大學化學化工學院，教授，研究方向為化學教育教學和教材（650500）。