紅外熱成像儀下鈉的性質(zhì)及其熱效應(yīng)

李順巧 龔英 楊子慧 陳繼平

摘要： 借助紅外熱成像儀與智能手機觀察并拍攝鈉在空氣中的變化過程，以及鈉與水反應(yīng)過程中的位點溫度和熱量分布情況。對比分析煤油對鈉的氧化速率的影響。分析與展望探究實驗的結(jié)果（結(jié)論）在“鈉的性質(zhì)”的教學(xué)中的教育功能與價值。

關(guān)鍵詞： 紅外熱成像技術(shù); 鈉的性質(zhì)實驗; 熱效應(yīng); 微型化

文章編號： 10056629（2022）02007404

中圖分類號： G633.8

文獻(xiàn)標(biāo)識碼： B

1 引言

1.1 教學(xué)要求

鈉的切割和鈉與水反應(yīng)的實驗，是鈉及其化合物教學(xué)中的重要實驗，位于人教版化學(xué)必修一第二章第一節(jié)。將鈉的切割實驗和鈉與水反應(yīng)的探究實驗整合在一起，讓學(xué)生通過實驗探究，從問題和假設(shè)出發(fā)設(shè)計實驗并從中獲取證據(jù)、分析證據(jù)得出結(jié)論，增強學(xué)生對科學(xué)探究的理解，加深對鈉的性質(zhì)的認(rèn)識，了解鈉的保存及著火后的滅火方法，也為后續(xù)其他元素及其化合物的學(xué)習(xí)打下基礎(chǔ)?！镀胀ǜ咧谢瘜W(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》[1]明確提出“鈉的性質(zhì)實驗為探究性實驗活動，并要求通過該部分知識的學(xué)習(xí)，讓學(xué)生能了解實驗室危險物質(zhì)的保存和使用方法，分析生產(chǎn)、生活及周邊環(huán)境中的一些常見問題并能做相應(yīng)處理。

為了達(dá)成教學(xué)要求，教師做了不少的研究，也達(dá)到了很好的效果，如實驗裝置的改進(jìn)與優(yōu)化[2]、控制鈉與水反應(yīng)的劇烈程度、反應(yīng)產(chǎn)物的驗證[3]等，但是對該反應(yīng)放出熱量的研究并不多，現(xiàn)有研究主要是利用溫度傳感器、觸摸反應(yīng)器外壁或者根據(jù)實驗現(xiàn)象（鈉熔化為小球、嘶嘶響聲）等來推理反應(yīng)放出熱量。各種實驗方法各有優(yōu)勢，但往往被一些條件所限制，如通過觸摸反應(yīng)器外壁感知溫度變化時，如果溫度變化較微弱，就無法通過觸覺感知到;利用溫度傳感器或溫度計，一般只能測出反應(yīng)宏觀體系的熱量變化，由于金屬鈉的用量較少，放出的熱量不多，致使溶液體系的溫度變化不大。

1.2 紅外熱成像技術(shù)在教學(xué)方面的研究

紅外熱成像是一種無損、非接觸式的檢測技術(shù)，2001年Cabello等人提出將紅外熱成像技術(shù)應(yīng)用到教學(xué)中[4]。近年來，國內(nèi)外對紅外熱成像技術(shù)應(yīng)用到教學(xué)中的研究逐漸增多，如Haglund等人[5]將紅外攝像機應(yīng)用到本科物理和化學(xué)教學(xué)中，發(fā)現(xiàn)紅外攝像機可以成為支持探究性學(xué)習(xí)的有效工具;凌一洲等[6]、劉江等[7]利用紅外熱成像技術(shù)觀察中學(xué)化學(xué)中的一些反應(yīng)過程，發(fā)現(xiàn)紅外熱成像技術(shù)具有不需接觸即可測溫、通過彩色圖像將肉眼不可見的熱量變化直觀表現(xiàn)出來、能實時動態(tài)地顯示溫度分布等優(yōu)點;吳梅芬等利用紅外熱成像技術(shù)觀察金屬微顆粒在空氣中陰燃的熱效應(yīng)[8]，發(fā)現(xiàn)熱成像儀對微弱的溫度變化非常敏感，能敏銳地反映微弱的化學(xué)反應(yīng)熱效應(yīng)。

1.3 問題的提出及目的

為了彌補鈉與水反應(yīng)過程中熱量變化不易感知、現(xiàn)有測溫工具無法捕捉到鈉與水反應(yīng)的位點溫度的缺陷，依據(jù)課標(biāo)要求，本研究擬借助SEEK手機（USB）紅外熱成像儀（COMPACT PRO）觀察并拍攝鈉暴露在空氣中的變化過程、煤油對鈉的保護(hù)作用、鈉與水反應(yīng)過程中的位點溫度和熱量分布等實驗現(xiàn)象。將反應(yīng)過程中肉眼不可見的熱量變化過程可視化，為學(xué)生提供更直接和直觀的證據(jù)，以幫助學(xué)生學(xué)習(xí)和掌握這部分知識。

2 實驗設(shè)計

2.1 實驗藥品

金屬鈉、蒸餾水、酚酞溶液

2.2 實驗設(shè)備及裝置

本研究采用的紅外熱成像儀是SEEK旗下的新款Compact PRO熱成像攝像頭，支持與Android智能手機進(jìn)行連接拍攝。它配備了測溫用的熱傳感器陣列，范圍在-40～330℃。Compact PRO帶有廣角鏡頭，整體尺寸為1×1.75×1英寸（約2.5×4.4×2.5cm），傳感器分辨率為320×240（7.68萬像素），最近使用距離為15cm。Compact PRO的功耗也很低。該熱成像儀可直接插入手機端口，拍攝的圖像直接保存于設(shè)備的內(nèi)置存儲中（本研究的裝置如圖1所示）。Compact PRO的應(yīng)用設(shè)置提供了諸多功能，包括選擇希望看到的熱度層級，不同的調(diào)配色（比如灰度和低對比度），設(shè)置16∶9或4∶3畫幅，以及7種用戶模式。

將實驗裝置按照圖1所示的方式組裝完成。打開智能手機內(nèi)的軟件，將需要觀察的物體或?qū)嶒炛糜诩t外熱成像儀下方，在手機上調(diào)節(jié)不同的功能進(jìn)行觀察拍攝，所拍攝的視頻會自動保存，需要時在軟件內(nèi)的媒體庫或手機相冊內(nèi)調(diào)出即可。

2.3 實驗步驟

2.3.1 常溫下鈉在空氣中的變化

（1） 新切的鈉和未切的鈉的氧化速率比較。室溫20℃下，用鑷子從裝有金屬鈉的試劑瓶中取出一塊鈉，置于定性濾紙上，擦干煤油，將擦干煤油的金屬鈉放置在事先準(zhǔn)備好的培養(yǎng)皿中;再從試劑瓶中取出一塊較大的鈉，擦干煤油后，放在培養(yǎng)皿中用小刀切一塊大小相同的鈉，將鈉的切面朝上。利用手機拍攝功能記錄兩塊鈉表面的現(xiàn)象并且利用紅外熱成像裝置觀察并拍攝兩塊鈉表面的熱量變化情況。

（2） 煤油和表面附著物對鈉的保護(hù)作用。用鑷子從試劑瓶中取出兩塊鈉，用定性濾紙將其中一塊的煤油擦干，將兩塊鈉同時放在石棉網(wǎng)上。利用智能手機和紅外熱成像儀觀察并拍攝兩塊鈉表面的現(xiàn)象。

2.3.2 鈉與水的反應(yīng)

用鑷子從試劑瓶中取出一塊鈉，用定性濾紙將煤油擦干，用小刀剝?nèi)ケ砻娴母街锿瑫r切一塊綠豆大小的鈉放入裝有2mL蒸餾水的六孔塑料井穴板中。利用智能手機和紅外熱成像儀觀察并拍攝實驗現(xiàn)象。反應(yīng)結(jié)束后，在溶液中滴加一滴酚酞溶液，觀察現(xiàn)象。

3 實驗現(xiàn)象與結(jié)論

3.1 常溫下鈉在空氣中反應(yīng)的熱效應(yīng)

3.1.1 空氣中的氧化速率

通過實驗我們可以直接看到，新切的鈉在切口面呈現(xiàn)十分短暫的銀白色金屬光澤，但很快變暗;隨著暴露在空氣中的時間延長，切開的鈉表面逐漸變濕潤并產(chǎn)生氣泡，而未切的鈉肉眼看表面無明顯變化。紅外熱成像儀下，新切的鈉剛暴露在空氣中溫度立即升高，隨著時間的推移，溫度逐漸升高，5分鐘升高8℃;未切的鈉溫度升高2℃。如圖2所示。

通過肉眼觀察到的現(xiàn)象，僅能定性得出鈉在空氣中的氧化快慢。而借助紅外熱成像儀，我們可以觀察到更多的實驗現(xiàn)象（信息）： （1）反應(yīng)溫度變化的快慢與程度，由此可定量描述鈉在空氣中的氧化速率;（2）肉眼無法觀察到未切的鈉在空氣中的變化，但通過紅外熱成像儀我們卻可以觀察到其表面溫度升高了2℃，這說明未切開的鈉在空氣中也發(fā)生了變化（氧化），但速率明顯小于切開的鈉。

3.1.2 空氣中煤油和表面附著物對鈉的保護(hù)作用

將兩塊鈉放在石棉網(wǎng)上。通過肉眼觀察的現(xiàn)象為，2分鐘時擦干煤油的鈉表面與未擦煤油的鈉表面均無明顯現(xiàn)象;4分鐘時未擦干煤油的鈉表面產(chǎn)生少量氣泡，隨著時間的推移，10分鐘時兩塊鈉表面均產(chǎn)生較多氣泡。借助紅外熱成像儀，可以觀察到兩塊鈉表面顏色由藍(lán)色逐漸變黃，最后變白;隨著暴露在空氣中時間越長，兩者溫度都升高，10分鐘時兩者溫度都達(dá)到25℃。

僅通過肉眼觀察，2分鐘內(nèi)無論是否擦干煤油，我們都看不到鈉表面有明顯的變化，4分鐘內(nèi)變化也不明顯，一般較難引起教師和學(xué)生的注意。所以我們往往會以為（很多時候我們是主觀地認(rèn)為）煤油和表面附著物對鈉有保護(hù)作用，在它們的保護(hù)下，鈉在空氣中是安全的（也因此發(fā)生過有個別學(xué)生將用衛(wèi)生紙包裹從煤油中取出的鈉帶出實驗室而發(fā)生事故的事件）。但在紅外熱成像儀的視角下，這一變化過程變得十分明顯。我們可觀察到即使鈉剛暴露在空氣中，紅外熱成像儀的顏色就發(fā)生了改變，數(shù)據(jù)顯示溫度逐漸升高。在4分鐘內(nèi)，未擦干煤油和表面附著物的鈉溫度升高稍慢一些，而擦干煤油的鈉溫度升高了4℃;10分鐘內(nèi)無論是否擦干鈉表面的煤油，兩者的溫度都上升到25℃。這說明煤油及表面附著物對鈉在空氣中的氧化有一定的隔絕作用，但作用有限，并不能長時間對鈉進(jìn)行保護(hù)。

3.2 鈉與水的反應(yīng)

將綠豆大小的鈉放入裝有2mL水的六孔塑料井穴板中，可以觀察到金屬鈉浮在水面上融化成小球，并且向四處游動，伴隨著嘶嘶的響聲，同時溶液變成紅色，完整地呈現(xiàn)了“浮”“熔”“游”“響”“紅”現(xiàn)象。

在紅外熱成像儀下觀察到金屬鈉與水接觸的地方顏色由藍(lán)色變?yōu)榫G色并迅速變?yōu)榘咨瑪?shù)據(jù)顯示溫度從最初的20℃迅速升高到反應(yīng)最劇烈時的72℃，見圖3。然后隨著鈉的消耗，接觸面溫度逐漸降低，至鈉全部反應(yīng)完時，回復(fù)到局部溫度22℃。同時可以明顯觀察到鈉的游動軌跡，以及反應(yīng)中熱量分布傳遞的過程。

上述反應(yīng)

從實驗現(xiàn)象上肉眼只能看到鈉“浮”在水面上，“熔”化為銀白色小球，與水反應(yīng)并不停地“游”動，發(fā)出嘶嘶“響”聲，最終溶液變“紅”。反應(yīng)過程中的放熱情況只能通過這些現(xiàn)象間接定性推導(dǎo)出，而反應(yīng)放熱的程度我們就無從得知了。但借助紅外熱成像儀就不同了，在沒有接觸反應(yīng)體系的情況下我們能定量地測出并觀察到鈉與水反應(yīng)的位點溫度、真實反應(yīng)的界面溫度，而且以不同顏色標(biāo)識，直接觀察到放熱的過程和程度，這是肉眼和其他溫度測量儀器難以觀察和測量到的;同時還能看到熱量向水中擴(kuò)散的動態(tài)軌跡，反應(yīng)過程中熱量很快散發(fā)，并沒有聚集，反應(yīng)結(jié)束時僅局部溫度上升2℃，以至于我們在實驗結(jié)束后用手觸摸很難感受到有溫度變化。

4 教育功能與價值分析

4.1 更直觀的視覺效果為學(xué)生理解和掌握知識提供證據(jù)

利用紅外熱成像儀觀察物質(zhì)變化過程，將熱量變化可視化，豐富多彩的直觀視覺效果可以大大加深學(xué)生對知識的理解和掌握。例如在教學(xué)過程中，在學(xué)生了解實驗步驟的基礎(chǔ)上觀看以上實驗視頻，直觀地看到鈉遇到空氣立即發(fā)生反應(yīng)的現(xiàn)象，從而理解鈉具有很強的活潑性，遇到空氣能迅速地氧化。

從含有煤油的鈉與不含煤油的鈉暴露在空氣中對比可以發(fā)現(xiàn)，煤油具有減緩氧化速率的作用，從而解釋了鈉為什么必須保存在煤油中。同時利用紅外熱成像儀將容易忽略的現(xiàn)象直觀地表現(xiàn)出來，如未擦干煤油的鈉隨時間的推移，溫度也同樣升高，讓學(xué)生認(rèn)識到即使有煤油及表面附著物的包裹，鈉也不能長時間暴露在空氣中。

利用紅外熱成像可以直觀地看到反應(yīng)過程中鈉遇到水發(fā)生劇烈反應(yīng)并放出大量熱的現(xiàn)象，從而讓學(xué)生理解和掌握火災(zāi)現(xiàn)場若有金屬鈉時不同的救火方式和方法。除此之外，還可將反應(yīng)的現(xiàn)象以圖片的形式展示給學(xué)生，由學(xué)生讀出實際溫度，再查閱鈉的熔點后進(jìn)行對比，讓學(xué)生真實地看到鈉與水反應(yīng)放出的熱量以及反應(yīng)的劇烈程度，培養(yǎng)嚴(yán)謹(jǐn)求實的科學(xué)態(tài)度，加深對知識的理解和記憶。

4.2 實驗微型化、用量微量化，演示實驗更綠色、更安全

使用紅外熱成像儀，在六孔塑料井穴板中僅用綠豆大小的鈉和2mL水即可觀察到金屬鈉與水反應(yīng)的位點溫度和熱量分布擴(kuò)散的動態(tài)過程，節(jié)約試劑的同時解決了常規(guī)實驗中廢水處理的問題。同時以視頻或圖片的形式演示實驗，使實驗更綠色、更環(huán)保，為教學(xué)提供安全的輔助實驗，提升學(xué)生的安全意識[9]。

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