红外热成像仪下钠的性质及其热效应

李顺巧 龚英 杨子慧 陈继平

摘要： 借助红外热成像仪与智能手机观察并拍摄钠在空气中的变化过程，以及钠与水反应过程中的位点温度和热量分布情况。对比分析煤油对钠的氧化速率的影响。分析与展望探究实验的结果（结论）在“钠的性质”的教学中的教育功能与价值。

关键词： 红外热成像技术; 钠的性质实验; 热效应; 微型化

文章编号： 10056629（2022）02007404

中图分类号： G633.8

文献标识码： B

1 引言

1.1 教学要求

钠的切割和钠与水反应的实验，是钠及其化合物教学中的重要实验，位于人教版化学必修一第二章第一节。将钠的切割实验和钠与水反应的探究实验整合在一起，让学生通过实验探究，从问题和假设出发设计实验并从中获取证据、分析证据得出结论，增强学生对科学探究的理解，加深对钠的性质的认识，了解钠的保存及着火后的灭火方法，也为后续其他元素及其化合物的学习打下基础。《普通高中化学课程标准（2017年版）》[1]明确提出“钠的性质实验为探究性实验活动，并要求通过该部分知识的学习，让学生能了解实验室危险物质的保存和使用方法，分析生产、生活及周边环境中的一些常见问题并能做相应处理。

为了达成教学要求，教师做了不少的研究，也达到了很好的效果，如实验装置的改进与优化[2]、控制钠与水反应的剧烈程度、反应产物的验证[3]等，但是对该反应放出热量的研究并不多，现有研究主要是利用温度传感器、触摸反应器外壁或者根据实验现象（钠熔化为小球、嘶嘶响声）等来推理反应放出热量。各种实验方法各有优势，但往往被一些条件所限制，如通过触摸反应器外壁感知温度变化时，如果温度变化较微弱，就无法通过触觉感知到;利用温度传感器或温度计，一般只能测出反应宏观体系的热量变化，由于金属钠的用量较少，放出的热量不多，致使溶液体系的温度变化不大。

1.2 红外热成像技术在教学方面的研究

红外热成像是一种无损、非接触式的检测技术，2001年Cabello等人提出将红外热成像技术应用到教学中[4]。近年来，国内外对红外热成像技术应用到教学中的研究逐渐增多，如Haglund等人[5]将红外摄像机应用到本科物理和化学教学中，发现红外摄像机可以成为支持探究性学习的有效工具;凌一洲等[6]、刘江等[7]利用红外热成像技术观察中学化学中的一些反应过程，发现红外热成像技术具有不需接触即可测温、通过彩色图像将肉眼不可见的热量变化直观表现出来、能实时动态地显示温度分布等优点;吴梅芬等利用红外热成像技术观察金属微颗粒在空气中阴燃的热效应[8]，发现热成像仪对微弱的温度变化非常敏感，能敏锐地反映微弱的化学反应热效应。

1.3 问题的提出及目的

为了弥补钠与水反应过程中热量变化不易感知、现有测温工具无法捕捉到钠与水反应的位点温度的缺陷，依据课标要求，本研究拟借助SEEK手机（USB）红外热成像仪（COMPACT PRO）观察并拍摄钠暴露在空气中的变化过程、煤油对钠的保护作用、钠与水反应过程中的位点温度和热量分布等实验现象。将反应过程中肉眼不可见的热量变化过程可视化，为学生提供更直接和直观的证据，以帮助学生学习和掌握这部分知识。

2 实验设计

2.1 实验药品

金属钠、蒸馏水、酚酞溶液

2.2 实验设备及装置

本研究采用的红外热成像仪是SEEK旗下的新款Compact PRO热成像摄像头，支持与Android智能手机进行连接拍摄。它配备了测温用的热传感器阵列，范围在-40～330℃。Compact PRO带有广角镜头，整体尺寸为1×1.75×1英寸（约2.5×4.4×2.5cm），传感器分辨率为320×240（7.68万像素），最近使用距离为15cm。Compact PRO的功耗也很低。该热成像仪可直接插入手机端口，拍摄的图像直接保存于设备的内置存储中（本研究的装置如图1所示）。Compact PRO的应用设置提供了诸多功能，包括选择希望看到的热度层级，不同的调配色（比如灰度和低对比度），设置16∶9或4∶3画幅，以及7种用户模式。

将实验装置按照图1所示的方式组装完成。打开智能手机内的软件，将需要观察的物体或实验置于红外热成像仪下方，在手机上调节不同的功能进行观察拍摄，所拍摄的视频会自动保存，需要时在软件内的媒体库或手机相册内调出即可。

2.3 实验步骤

2.3.1 常温下钠在空气中的变化

（1） 新切的钠和未切的钠的氧化速率比较。室温20℃下，用镊子从装有金属钠的试剂瓶中取出一块钠，置于定性滤纸上，擦干煤油，将擦干煤油的金属钠放置在事先准备好的培养皿中;再从试剂瓶中取出一块较大的钠，擦干煤油后，放在培养皿中用小刀切一块大小相同的钠，将钠的切面朝上。利用手机拍摄功能记录两块钠表面的现象并且利用红外热成像装置观察并拍摄两块钠表面的热量变化情况。

（2） 煤油和表面附着物对钠的保护作用。用镊子从试剂瓶中取出两块钠，用定性滤纸将其中一块的煤油擦干，将两块钠同时放在石棉网上。利用智能手机和红外热成像仪观察并拍摄两块钠表面的现象。

2.3.2 钠与水的反应

用镊子从试剂瓶中取出一块钠，用定性滤纸将煤油擦干，用小刀剥去表面的附着物同时切一块绿豆大小的钠放入装有2mL蒸馏水的六孔塑料井穴板中。利用智能手机和红外热成像仪观察并拍摄实验现象。反应结束后，在溶液中滴加一滴酚酞溶液，觀察现象。

3 实验现象与结论

3.1 常温下钠在空气中反应的热效应

3.1.1 空气中的氧化速率

通过实验我们可以直接看到，新切的钠在切口面呈现十分短暂的银白色金属光泽，但很快变暗;随着暴露在空气中的时间延长，切开的钠表面逐渐变湿润并产生气泡，而未切的钠肉眼看表面无明显变化。红外热成像仪下，新切的钠刚暴露在空气中温度立即升高，随着时间的推移，温度逐渐升高，5分钟升高8℃;未切的钠温度升高2℃。如图2所示。

通过肉眼观察到的现象，仅能定性得出钠在空气中的氧化快慢。而借助红外热成像仪，我们可以观察到更多的实验现象（信息）： （1）反应温度变化的快慢与程度，由此可定量描述钠在空气中的氧化速率;（2）肉眼无法观察到未切的钠在空气中的变化，但通过红外热成像仪我们却可以观察到其表面温度升高了2℃，这说明未切开的钠在空气中也发生了变化（氧化），但速率明显小于切开的钠。

3.1.2 空气中煤油和表面附着物对钠的保护作用

将两块钠放在石棉网上。通过肉眼观察的现象为，2分钟时擦干煤油的钠表面与未擦煤油的钠表面均无明显现象;4分钟时未擦干煤油的钠表面产生少量气泡，随着时间的推移，10分钟时两块钠表面均产生较多气泡。借助红外热成像仪，可以观察到两块钠表面颜色由蓝色逐渐变黄，最后变白;随着暴露在空气中时间越长，两者温度都升高，10分钟时两者温度都达到25℃。

仅通过肉眼观察，2分钟内无论是否擦干煤油，我们都看不到钠表面有明显的变化，4分钟内变化也不明显，一般较难引起教师和学生的注意。所以我们往往会以为（很多时候我们是主观地认为）煤油和表面附着物对钠有保护作用，在它们的保护下，钠在空气中是安全的（也因此发生过有个别学生将用卫生纸包裹从煤油中取出的钠带出实验室而发生事故的事件）。但在红外热成像仪的视角下，这一变化过程变得十分明显。我们可观察到即使钠刚暴露在空气中，红外热成像仪的颜色就发生了改变，数据显示温度逐渐升高。在4分钟内，未擦干煤油和表面附着物的钠温度升高稍慢一些，而擦干煤油的钠温度升高了4℃;10分钟内无论是否擦干钠表面的煤油，两者的温度都上升到25℃。这说明煤油及表面附着物对钠在空气中的氧化有一定的隔绝作用，但作用有限，并不能长时间对钠进行保护。

3.2 钠与水的反应

将绿豆大小的钠放入装有2mL水的六孔塑料井穴板中，可以观察到金属钠浮在水面上融化成小球，并且向四处游动，伴随着嘶嘶的响声，同时溶液变成红色，完整地呈现了“浮”“熔”“游”“响”“红”现象。

在红外热成像仪下观察到金属钠与水接触的地方颜色由蓝色变为绿色并迅速变为白色，数据显示温度从最初的20℃迅速升高到反应最剧烈时的72℃，见图3。然后随着钠的消耗，接触面温度逐渐降低，至钠全部反应完时，回复到局部温度22℃。同时可以明显观察到钠的游动轨迹，以及反应中热量分布传递的过程。

上述反应

从实验现象上肉眼只能看到钠“浮”在水面上，“熔”化为银白色小球，与水反应并不停地“游”动，发出嘶嘶“响”声，最终溶液变“红”。反应过程中的放热情况只能通过这些现象间接定性推导出，而反应放热的程度我们就无从得知了。但借助红外热成像仪就不同了，在没有接触反应体系的情况下我们能定量地测出并观察到钠与水反应的位点温度、真实反应的界面温度，而且以不同颜色标识，直接观察到放热的过程和程度，这是肉眼和其他温度测量仪器难以观察和测量到的;同时还能看到热量向水中扩散的动态轨迹，反应过程中热量很快散发，并没有聚集，反应结束时仅局部温度上升2℃，以至于我们在实验结束后用手触摸很难感受到有温度变化。

4 教育功能与价值分析

4.1 更直观的视觉效果为学生理解和掌握知识提供证据

利用红外热成像仪观察物质变化过程，将热量变化可视化，丰富多彩的直观视觉效果可以大大加深学生对知识的理解和掌握。例如在教学过程中，在学生了解实验步骤的基础上观看以上实验视频，直观地看到钠遇到空气立即发生反应的现象，从而理解钠具有很强的活泼性，遇到空气能迅速地氧化。

从含有煤油的钠与不含煤油的钠暴露在空气中对比可以发现，煤油具有减缓氧化速率的作用，从而解释了钠为什么必须保存在煤油中。同时利用红外热成像仪将容易忽略的现象直观地表现出来，如未擦干煤油的钠随时间的推移，温度也同样升高，让学生认识到即使有煤油及表面附着物的包裹，钠也不能长时间暴露在空气中。

利用红外热成像可以直观地看到反应过程中钠遇到水发生剧烈反应并放出大量热的现象，从而让学生理解和掌握火灾现场若有金属钠时不同的救火方式和方法。除此之外，还可将反应的现象以图片的形式展示给学生，由学生读出实际温度，再查阅钠的熔点后进行对比，让学生真实地看到钠与水反应放出的热量以及反应的剧烈程度，培养严谨求实的科学态度，加深对知识的理解和记忆。

4.2 实验微型化、用量微量化，演示实验更绿色、更安全

使用红外热成像仪，在六孔塑料井穴板中仅用绿豆大小的钠和2mL水即可观察到金属钠与水反应的位点温度和热量分布扩散的动态过程，节约试剂的同时解决了常规实验中废水处理的问题。同时以视频或图片的形式演示实验，使实验更绿色、更环保，为教学提供安全的辅助实验，提升学生的安全意识[9]。

参考文献：

[1]中华人民共和国教育部制定. 普通高中化学课程标准（2017年版）[S]. 北京： 人民教育出版社， 2018.

[2]毕晓昀， 张会清. 钠与水反应实验装置的改进[J]. 化学教学， 2020， （6）： 68～71.

[3]覃其贵. 钠与水反应实验装置新设计[J]. 中学化学教学参考， 2014， （10）： 36～37.

[4]Cabello， Ramon & Navarro-Esbrí， Joaquín & Doménech， Rodrigo & Torrella E. Infrared Thermography as a Useful Tool to Improve Learning in Heat Transfer Related Subjects [J]. International Journal of Engineering Education， 2006， 2（22）： 373～380.

[5]J. Haglund， Schnborn K.J.. The Pedagogical Potential of Infrared Cameras in Biology Education [J]. The American Biology Teacher， 2019， 81（7）： 520～523.

[6]凌一洲， 李驁， 王谦等. 红外热成像技术在化学实验中的应用[J]. 化学教育（中英文）， 2019， 40（17）： 83～87.

[7]刘江， 洪俊华， 王俐骄， 赵宁东， 徐怀春， 刘俊. 手机热成像技术在化学实验中的应用研究[J]. 大学化学， 2021， 8（36）： 1～6.

[8]吴梅芬， 王晓岗， 许新华. 热成像技术在化学实验教学中的应用[J]. 实验技术与管理， 2019， 36（12）： 165～169.

[9]李光珍. 高中化学微量化实验的开发[J]. 化学教学， 2014， （5）： 55～57.