紅外熱成像技術助力初中化學實驗

陳夢麟

（新北區(qū)實驗中學 江蘇 常州 213022）

紅外熱成像技術最初起源于軍用，后逐漸轉為民用。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、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，紅外熱成像技術也給涉及熱量變化的化學實驗提供了新的測量手段。

一、紅外熱成像技術簡介

1.認識紅外熱成像裝置

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（或iPad）和常規(guī)實驗器材。便攜式紅外熱成像儀只有U盤大小，可根據所用手機或iPad選擇蘋果或安卓操作系統(tǒng)購買。使用時，先在手機上安裝紅外熱成像儀的APP，開啟該APP 的相機、定位和麥克風權限（部分手機還需要設置打開OTG 功能）。將紅外熱成像儀接口插入手機或者iPad的充電口，當打開APP 時，手機的屏幕就成了熱成像儀的顯示屏，并可用于實驗的拍攝，見圖1。

圖1 紅外熱成像裝置

進行化學實驗時，將手機固定在手機支架或鐵架臺上，同時用紅外熱成像儀拍攝實驗現象。通過手機同屏技術，把拍攝的實驗現象實時投影到一體機或屏幕上，讓所有學生同步觀察。

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，藍色代表低溫，紅色代表高溫，藍色越深表示溫度越低，紅色越深表示溫度越高。

二、運用紅外熱成像技術進行初中化學實驗

1.比較固體物質溶于水的溫度差異

（1）實驗背景

滬教版初中化學教材第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驗裝置如圖2所示。［1］

圖2 教材中研究物質溶解時的溫度變化實驗

教材實驗中使用了30 mL 水，為了明顯地觀察到溫度計讀數的變化，實驗時常常需要加大試劑用量，會造成試劑的浪費。此外，實驗中要進行三次溶解和測量，操作麻煩且耗時長；如果是教師演示實驗，無法讓每一個學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驗可以很好地解決上述問題。

（2）用紅外熱成像儀進行實驗觀測

裝置見圖3。

圖3 運用紅外熱技術研究物質溶解時的溫度變化

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

②將點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，觀察點滴板的熱成像圖像，對比四個孔穴圖像的差異，30 s后關閉紅外熱成像儀攝像頭。

（3）實驗結果

實驗結果如圖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不明顯，溫度幾乎不變。

圖4 氯化鈉等固體物質溶于水時的熱成像圖

2.利用溫度變化驗證石灰石煅燒的產物

（1）實驗背景

在初中化學實驗中，溫度的變化常常用感官去感知。例如：感知生石灰和水反應的放熱情況。通常往盛有水的燒杯中加入生石灰，讓學生觸摸燒杯壁。要讓學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，同時還存在不安全的因素。

滬教版化學教材第7章第3節(jié)“幾種重要的鹽”中有煅燒石灰石的實驗。為了驗證產物，將煅燒后的物質放入冷水中，然后再用酚酞試液、吹入二氧化碳的方法進行檢驗。［1］若將煅燒后的物質放入冷水中，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）用紅外熱成像儀進行實驗觀測

①將點滴板置于紅外熱成像儀的攝像頭下，在點滴板的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驗現象。

圖5 生石灰等固體加入水中的實驗裝置

③將一小片石灰石進行灼燒，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驗現象。

圖6 石灰石煅燒后固體加入水中的實驗裝置

（3）實驗結果

實驗結果如圖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，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驗，需要消耗較多試劑才能讓學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。

圖7 氧化鈣等固體加入水中的熱成像圖

3.體悟中和反應中，熱量分布的趣味

（1）實驗背景

中和反應是滬教版化學教材第7 章第2 節(jié)“常見的酸和堿”的學習內容。中和反應發(fā)生時沒有明顯的現象，為了證明反應的發(fā)生，教材采用滴加酚酞試液看顏色變化、使用溫度計看溫度變化的方法加以證明。［1］部分教師還使用pH 計、pH 傳感器測量溶液中pH 的變化證明中和反應的發(fā)生。教材設計的實驗是在燒杯中進行，為了讓學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，用溫度計只能測量燒杯內某一個點的溶液溫度，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行實驗觀測，可以從多個點觀察溶液中的熱量分布情況，增加實驗的趣味性。

（2）用紅外熱成像儀進行實驗觀測

在紅外熱成像儀下完成下列三個實驗：

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）實驗結果

實驗①，用滴管向氫氧化鈉溶液中逐滴滴加稀鹽酸，溫度升高呈現的熱成像的紅色圖像如同一顆“跳動的心臟”，如圖11；實驗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；實驗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

從熱成像圖中藍色變成紅色可以證明中和反應的發(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時溶液中各部分溫度的分布情況。多種形式的實驗操作也增加了課堂的趣味，豐富了想象的空間。

三、運用紅外熱成像技術進行初中化學實驗的價值與創(chuàng)新之處

1.可視化

紅外熱成像儀下的實驗拓展了實驗現象的表征方式，將溫度變化的數字表征變?yōu)閳D像表征，實現了溫度變化的可視化。通過同屏技術可將實驗的熱成像圖像放大投屏，讓所有學生可以同步觀察到實驗中的溫度變化現象。

2.綠色化

上述用紅外熱成像儀測量的實驗都是在點滴板、培養(yǎng)皿或表面皿等器材中進行的。器材微型，便于清洗，使用藥品少，實驗時間短，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

測量多個實驗的溫度變化時，使用溫度計較繁瑣且耗時長；在燒杯中進行實驗時，用手觸摸燒杯只能感知器壁溫度，無法獲知容器內部的溫度變化情況。用點滴板進行實驗時，在紅外熱成像儀下可以同時測量多個實驗中的溫度變化情況，減少了重復、機械操作，既可以對多個實驗中的溫度變化進行對比，還可以同時觀察到容器內溶液的多點的溫度變化。

4.趣味性

同一個反應，通過改變反應裝置或試劑滴加順序，可以動態(tài)、多樣化呈現溫度變化過程。例如：中和反應的“跳動的心臟”“展翅的鳥”“摩擦生熱”實驗現象，充分激發(fā)了學生的興趣。此外，學生還可以融入自己的想法對實驗進行改進，豐富實驗的體驗。

5.安全性

紅外熱成像儀可以實現遙感測溫，不需要與物體直接接觸，可以避免因接觸而產生的不安全。［2］

6.多用途

應用紅外熱成像技術的初中化學實驗還有很多，可以拓寬一線教師實驗設計的新思路。例如：可用于研究金屬與酸的反應、加熱試管內液體或固體的風險認知等。［3］