利用红外热成像技术测定化学反应热量变化*

杨子慧 龚英 李顺巧 陈继平

摘  要  化学反应的热效应在中学化学教学及实际生产中有着非常重要的意义。针对教材利用触觉定性感知热量变化时存在个体差异大等问题，以红外热成像技术为实验手段，对氢氧化钡与氯化铵反应进行监测，发现八水合氢氧化钡与氯化铵、氢氧化钡与氯化铵反应，分别呈现吸热和放热现象。借助红外热成像技术辅助观察氢氧化钡与氯化铵反应，可将化学反应的热效应数据化和可视化，加强学生对反应热的多角度认识和深入理解。

关键词  中学化学；红外热成像技术；化学反应；反应热

中图分类号：G633.8    文献标识码：B

文章编号：1671-489X（2022）24-0028-05

1  问题的提出

1.1  化学反应的热效应在中学化学教学及实际生产中的应用

作为连接化学反应与热量之间的桥梁，化学反应的热效应（以下简称“反应热”）是中学化学教学的重点，指在等温条件下，化学反应体系向环境释放或从环境吸收的热量[1]。反应热是认识和理解化学反应能量变化的基石，在中学化学教学中的应用包括以下几个方面：

1）燃烧热、中和热的实验测定；

2）运用盖斯定律进行相关焓变的计算；

3）热化学方程式的书写等。

反应热在实际生产中的应用更加广泛，主要包括以下几个方面：

1）在日常生活中的应用，如煤、天然气等热能的提供[2]；

2）在化工生产中的应用，如对化学反应过程中热量的利用、化学反应条件的控制[1]；

3）在航天、军事领域的应用，如火箭推进剂对人类社会进步的促进作用等[1]。

1.2  中学化学教学有待改进八水合氢氧化钡与氯化铵反应实验

人教版高中化学新教材必修2（以下简称“教材”）通过实验6-1“盐酸与镁条反应”和实验6-2“八水合氢氧化钡与氯化铵反应”分别展示放热和吸热现象。在实验6-1中，教材通过温度计测量的方式说明盐酸与镁条反应为放热反应。然而，这种温度计直接测量的方式并不适合于固体反应体系，因此，实验6-2仅仅采用触摸和水凝结成冰的间接方式呈现吸热事实。实验6-2作为教材演示实验吸热现象明显，但也存在以下问题。

1）药品用量方面：Ba（OH）2·8H2O为有毒物质且腐蚀性强[3]，用量较大不利于实验安全；大量产生的氨气有强烈刺激性气味，不利于实验者健康[4]。

2）实验结论方面：通过触觉感受温度变化或吸放热存在个体差异，不同学生对温度变化程度的感受不一样；学生的感受是结果性的，即学生是一段时间后通过触觉感受温度的变化，不能体验吸放热完整过程；因为时间和可操作性方面的原因，课堂上仅部分学生能通过触觉感受温度变化。

由此可见，中学教学有待对实验6-2进行改进，以帮助学生更好地理解反应热，为化学反应与能量模块的学习夯实基础。红外热成像技术是一种利用物体辐射的红外线进行成像的技术方法[5]，目前已经开始被用于中学化学研究中[6-7]。该技术能够将物体表面的温度分布转换成直观的热成像图或视频，具有实时监测、无须接触、灵敏度高等特点[8]，能弥补传统实验误差较大的不足，可作为认知工具帮助学生理解化学概念。

基于以上研究背景，本实验拟借助红外热成像技术对氢氧化钡与氯化铵反应进行监测，弥补教材实验6-2的不足，促进学生对反应热的深入理解。

2  设计思路

判断反应热量变化的方式主要包括手触感温、相态变化、温度测量等，其中温度测量是最为直观、精确度最高的一种方式。研究对实验6-2进行巧妙改进，选取氢氧化钡和氯化铵反应：第1组为Ba（OH）2·8H2O与NH4Cl的反应；第2组为Ba（OH）2 与NH4Cl的反应。拟将目标概念反应热转化为学生熟知的温度，让学生通过量化感知温度数据，视觉感知红外热成像图或视频，构建科学严谨的反应热概念。

3  实验部分

3.1  实验仪器

实验仪器包括SEEK手机红外热像仪（美国COM-PACT PRO安卓版，分辨率320×240，测温范围-40～330 ℃，波长测量范围7.5～14 μm）、电热鼓风恒温干燥箱（型号101-1型，上海东星建材试验设备有限公司）、电子天平（型号YP2102，上海光正医疗仪器有限公司）。实验观测装置如图1所示。

3.2  实验试剂

实验试剂包括Ba（OH）2·8H2O（分析纯，纯度≥98.0%，天津市风船化学试剂科技有限公司）、NH4Cl（分析纯，纯度≥99.5%，天津市风船化学试剂科技有限公司）。

3.3  实验步骤

3.3.1  Ba（OH）2·8H2O与NH4Cl的反应

教材中Ba（OH）2·8H2O与NH4Cl用量分别为20 g和10 g，根据预实验，依据红外热成像摄像头观察范围，为确保两种固体药品能通过搅拌迅速混匀，研究从教材两种试剂用量的1/2开始设计实验，即10 g Ba（OH）2·8H2O与5 g NH4Cl反应。

称取适量的NH4Cl放入玻璃容器中，按NH4Cl与Ba（OH）2·8H2O质量比为1∶2加入Ba（OH）2·8H2O，用玻璃棒迅速搅拌。将一部智能手与红外摄像仪连接，用于实时监测反应过程中的热量变化；另一部智能手机监测宏观反应。

Ba（OH）2·8H2O与NH4Cl的用量如表1所示。实验时室温为21 ℃，空气相对湿度为58%。

3.3.2  Ba（OH）2与NH4Cl的反应

Ba（OH）2的准备[9-10]：将Ba（OH）2·8H2O置于温度为150 ℃的恒温干燥箱中加热至恒重，得到Ba（OH）2产品，密封保存备用。

称取适量的NH4Cl放入玻璃容器中，按NH4Cl与Ba（OH）2质量比为1∶2加入Ba（OH）2，用玻璃棒迅速搅拌。将一部智能手与红外摄像仪连接，用于实时监测反应过程中的热量变化；另一部智能手机监测宏观反应。Ba（OH）2与NH4Cl的用量如表2所示。实验时室温为21 ℃，空气相对湿度为58%。

4  实验结果及分析

4.1  测定Ba（OH）2·8H2O与NH4Cl反应热量变化

实验测得不同用量的Ba（OH）2·8H2O与NH4Cl反应的宏观及热成像信息如图2所示。由图2可知，四个实验中，反应体系温度均下降，且随着反应物质量减少，温度下降变小；当反应物用量减少至教材用量的1/100时，吸热现象仍十分明显，这是用教材中实验6-2触摸方式无法呈现的。

表3展示不同用量的Ba（OH）2·8H2O与NH4Cl反应热量变化情况。由实验结果可知，反应温度从初始的21 ℃，分别下降到-15 ℃、-10 ℃、-8 ℃、3 ℃，前后温差分别为36 ℃、31 ℃、29 ℃、18 ℃。由此可见，借助红外热成像技术能定量、可视化地呈现吸热现象，且能显著减少药品用量，是绿色化学概念的体现。

以2 g Ba（OH）2·8H2O与1 g NH4Cl反应为例，反应过程中的宏观现象及热量变化情况如图3所示。从室温21 ℃下降至-2 ℃仅用1分钟；随着反应的进行，2分钟时温度下降至最低-10 ℃；然后温度开始回升，在3分钟时温度回升至2 ℃，13分钟回到室温。从热量变化过程可知，该反应持续13分钟。让学生清晰、直观、安全地体验热量变化过程，也是红外热成像技术的一大优势。

4.2  测定Ba（OH）2与NH4Cl反应热量变化

实验测得不同用量的Ba（OH）2与NH4Cl反应的宏观和热成像信息如图4所示，热量变化数据如表4所示。由图4可知，将Ba（OH）2与NH4Cl混合后有放热现象产生，且Ba（OH）2与NH4Cl用量越大，放热现象越明显，即在实验初始温度为21 ℃时，温度分别上升至23 ℃、25 ℃、26 ℃、34 ℃，前后温差分别为2 ℃、4 ℃、5 ℃、13 ℃。

5  研究总结

5.1  研究结论

1）针对教材中Ba（OH）2·8H2O与NH4Cl反应存在的不足，利用红外热成像技术辅助观察该反应，发现红外热成像技术的引入不仅可以达到验证Ba（OH）2·8H2O与NH4Cl反应为吸热反应的目的，且药品用量更少，还能让学生清晰、直观地体验热量变化过程。

2）很多学生包括部分教师主观地认为铵盐与碱的反应都是吸热反应[11]，但借助红外热成像技术对Ba（OH）2与NH4Cl反应进行监测后发现并非如此，而这一结果与吴国英等[12]的研究结果是一致的。本研究能为全体学生所接受，具有直观性和简便性。

5.2  研究教学价值

5.2.1  科学构建目标概念，渗透学科核心素养

《普通高中化学课程标准（2017年版）》将化学学科核心素养“证据推理与模型认知”划分为四个水平，其中水平3对学生的要求是：能从定性与定量结合上收集证据，能通过定性分析和定量计算推出合理的结论[13]。本研究将红外热成像技术运用到氢氧化钡和氯化铵反应中，学生通过视觉感知热成像图或视频，量化计算温度变化数据，可从定性定量角度收集证据，判断化学反应热量变化，从而构建目标概念——反应热。该技术的引入不仅可以提高实验的科学性、严谨性，为学生在化学反应与能量模块的学习打下坚实基础，还可以将“证据推理与模型认知”学科核心素养逐渐渗透到学生心中。

5.2.2  引入课外探究活动，培养科学探究能力

目前国家大力提倡素质教育，实验探究作为增强学生化学学科核心素养的重要载体，受到越来越多教育者的重视。若将红外热成像技术作为一种新媒介运用到课外实验探究活动中，可为学生提供新的观察视角和思考方式，不仅有利于增强学生的动手操作能力和自主探究能力，培养他们敢于质疑、勇于创新的科学精神，还有利于发挥实验探究活动在化学中的意义与价值。

参考文献

[1] 人民教育出版社课程教材研究所化学课程教材研究开发中心.普通高中教科书·化学·选择性必修1·化学反应原理[M].北京：人民教育出版社，2020：4.

[2] 人民教育出版社课程教材研究所化学课程教材研究开发中心.普通高中教科书·化学·必修·第二册[M].北京：人民教育出版社，2019：32.

[3] 刘启光，马连湘，项曙光.化学化工物性数据手册：无机卷（增订版）[M].2版.北京：化学工业出版社，2013：472.

[4] 侯光明，孙伟，沈枫，等.急性氨气中毒51例临床分析[J].中国临床新医学，2010，3（2）：177-179.

[5] Vollmer M， M?llmann K P. Infrared Thermal Ima-ging （Fundamentals， Research and Applications），IR Imaging of Buildings and Infrastructure[M].Weinheim， Germany： WILEY-VCH Verlag GmbH and Co. KGaA，2017.

[6] 凌一洲，李骜，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）：81-85.

[7] 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.

[8] 王元，孟令广.红外热成像仪在新型冠状病毒肺炎防控中的应用[J].医疗装备，2020，33（15）：22-24.

[9] 王青宁.八水氢氧化钡制一水氢氧化钡的工艺研究[J].盐湖研究，1999（2）：72-75.

[10] Lutz H D， Eckers W， Christian H， et al. Hy-  dratesof barium hydroxide： Preparation， ther-mal decomposition and X-ray data[J].Thermo-chimica Acta，1981，44（3）：337-343.

[11] 刘文芳.探究：铵盐与碱反应都吸热吗？[J].化学教学，2008（11）：73-74.

[12] 吴国英，赵闻沙.铵盐冷却性能的实验与探究[J].中学化学教学参考，2019（7）：56-58.

[13] 中华人民共和国教育部.普通高中化学课程标准（2017年版）[S].北京：人民教育出版社，2018：90.

*项目来源：云南师范大学课程思政示范项目“中学化学教学设计与实施课程思政示范项目”（项目编号：SZ2021-A14）。

作者：杨子慧、李顺巧，云南师范大学化学化工学院研究生，研究方向为化学教育教学；龚英，云南师范大学化学化工学院，副教授，研究方向为化学（制药工程）课程教育教学；陈继平，通信作者，云南师范大学化学化工学院，教授，研究方向为化学教育教学和教材（650500）。