热成像技术在化学实验教学中的应用

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

吴梅芬，王晓岗，许新华

（同济大学 化学科学与工程学院，上海 200092）

将智能手机热成像仪用于化学实验教学中。FLIR One Pro系列热成像仪可以直接观察某些物理、化学过程的热运动和热现象，比如结晶过程、蒸发过程和金属微颗粒阴燃过程等。实验项目实施表明，这类仪器的性能完全可以满足化学实验教学需要，学生用这种方法可以通过手机对肉眼不可见的现象进行直接观察。

热成像；智能手机配件；化学实验教学

1 热成像与热成像仪

物质变化过程中的热运动和热现象是科学研究的重要内容，也是理工科基础教育的重点之一。热运动和热现象来源于体系温度的不均匀分布与变化，在实验室中主要依靠温度测量的方法进行研究，通常使用的仪器是各类温度计或温度传感器。热是非实体性的能量传递方式，采用定点接触式的温度测量方法往往无法获得全景式的变化过程。比如有文献报道说，一杯饱和食盐水放置一段时间后，会形成上下分布的温度梯度[1]，这个现象如果采用温度计很难进行研究和表征。在科学实验教学中，类似的现象和过程还有很多，貌似司空见惯，细究下来往往出人意料，而且蕴含深刻的科学道理。在上述饱和食盐水的例子中，温度梯度就是由表面水蒸发吸热与食盐结晶放热共同作用，以及重力导致的盐浓度上下分布不均匀造成的，将这种现象呈现出来所采用的方法，就是非接触式的全景式热成像技术。

热成像也称为红外成像，是一种利用物体辐射的红外线进行成像的技术方法[2]。温度在绝对零度之上的所有物体都会辐射热量，热辐射的波长比可见光的波长更长，人类肉眼无法直接看到物质的热运动和热现象。红外热成像技术利用红外探测器和光学成像物镜接收被测目标的红外辐射，将温度分布反映到红外探测器的光敏元件上，从而获得红外热像图。这种热像图与物体表面的热分布场相对应，物体局部温度越高，发射的红外辐射能就越强。红外热成像仪可在热图像或热视频上进行温度计算，具有精确的非接触式温度测量能力，这与日常使用的、必须紧密接触被测物体的温度计及温度传感器不同。红外热成像仪在工程领域[3-5]和医疗领域[6-8]应用较多，在实验室工作和教学中也有零星报道[9-10]，但是由于热成像仪价格昂贵、操作复杂，其在实验教学中的大规模普及应用受到限制。

随着数码科技和微系统技术的快速进步，目前已经出现了与智能手机配套的热成像仪产品，例如美国菲力尔公司的FLIR One系列手机热成像仪[11]，并且已有将该产品用于实验室安检方面的报道[12]。红外热成像仪价格迅速下降，当前国内最新型号的FLIR One Pro手机热成像仪的市场零售价格约为3500元人民币，国际上已降到200美元以下，与普通的实验教学仪器价格相当，完全可以作为普通实验教学设备引入。本文拟通过几个教学案例，验证手机热成像仪在化学实验教学中的应用潜力。

2 教学案例设计

以下3个教学案例，分别涉及晶体结晶过程、溶液组成和挥发速率以及微颗粒的化学反应。

2.1 过饱和乙酸钠溶液的结晶放热过程

过饱和乙酸钠溶液的结晶放热过程是经典的化学演示实验项目，俗称“热冰实验”[13-14]。该实验主要演示晶体结晶过程，用于展现有悖于生活常识的“瞬间凝结为热冰”现象，说明焓变与熵变对变化过程的影响。过饱和乙酸钠是暖手宝的主要材料，结晶过程会释放大量的热，以往实验主要通过实验者的触感来了解和体会，本实验拟用热成像仪实时记录结晶过程中的热运动情况。

实验步骤：将50 g的无水乙酸钠和30 mL蒸馏水在f9 cm的蒸发皿中加热，直至乙酸钠完全溶解。在室温下冷却，用FLIR热成像仪拍摄过饱和乙酸钠溶液冷却过程。

2.2 氯化钾溶液的挥发吸热过程

溶液理论的两个重要的实验基础是拉乌尔定律和亨利定律[15]，前者主要描述溶质浓度对溶剂蒸气压的影响，后者描述溶质蒸气压对溶质溶解度的影响。在实验教学中，对溶液性质的研究主要是通过测定气液平衡的-相图进行，很少涉及-相图的测定，因为溶剂分压的控制与测量是比较精密复杂的实验技术，一般教学实验室很难达到。因此，拉乌尔定律作为溶液理论的基础，目前尚未见到简单易行且教学效果明显的实验验证手段。本实验拟通过热成像仪对溶液挥发过程的降温效应进行可视化观察。

实验步骤：分别准备蒸馏水（溶液1）、KCl溶液（溶液2，用水和饱和KCl溶液等体积混合）以及饱和KCl溶液（溶液3）。用3根液相进样器分别精确吸取1、2、3号溶液各20mL，然后同时注射到定性滤纸的不同位置上，用FLIR热成像仪拍摄其蒸发过程。

2.3 金属微颗粒在空气中的阴燃

2.3.1 实验内容

金属微颗粒是指微米尺寸以下的金属颗粒物，具有很高的化学反应活性和催化活性[16-17]，能够在空气中被引燃，某些场合大量金属微颗粒聚集会引发粉尘爆炸等恶性事故[18]。金属微颗粒在空气中的阴燃是重大危险性事故的初始阶段，但是由于单个金属微颗粒体积小，释放热量也非常微小，常规观察手段往往无法观测鉴别由此导致的温度变化。本实验拟通过热成像仪对铁、钴、铜3种金属的微颗粒在空气中自发阴燃过程进行跟踪拍摄。

2.3.2 实验步骤

（1）草酸亚铁制备。在2个烧杯中分别加入14.0 g硫酸亚铁铵/80 mL水和4.5 g草酸/20 mL水，将烧杯放入温水浴中加热、搅拌，使固体完全溶解，趁热将两溶液混合，搅拌直至冷却至室温。减压过滤，用水及乙醇依次洗涤沉淀，所得黄色粉末干燥后备用。

（2）草酸钴制备。向9 g六水合硝酸钴加入60 mL水和1滴1∶1硫酸溶液，搅拌溶解，得到A溶液。向4 g草酸加入70 mL水，搅拌溶解，并滴加1∶1氨水使pH在4~5之间，得到B溶液。将A溶液加热到约60 ℃，在不断搅拌下逐滴（每分钟约3 mL）加入B溶液，所得产物在60 ℃静置30 min。倾泌去上层清液，用60 ℃蒸馏水30 mL洗涤沉淀，静置后泌去上层清液，重复2次。减压过滤。所得沉淀依次用10 mL的60 ℃蒸馏水洗涤2次，用7 mL无水乙醇洗涤2次，最后用7 mL丙酮洗涤后抽干。所得粉红色沉淀在60 ℃烘干30 min，冷却后置于干燥器中备用。

（3）草酸铜制备。在两个烧杯中分别加入9 g五水合硫酸铜/80 mL水和4.5 g草酸/20 mL水，将烧杯放入温水浴中加热、搅拌，使固体完全溶解，趁热将两溶液混合，搅拌直至冷却至室温。静置后泌去上层清液，所得沉淀分别用50 mL蒸馏水洗涤2次，用50 mL无水乙醇洗涤2次，最后用50 mL丙酮洗涤1次，用离心分离（4000 rpm）得到浅蓝色粉末，干燥后备用。

（4）金属铁微颗粒制备与阴燃。将草酸亚铁与石墨粉按1∶3（质量比）的比例混合均匀。取总质量约1 g的混合物加热至400 ℃，保温10 min使草酸亚铁完全分解，然后自然冷却至室温，整个过程均置于流动氮气氛保护之下。将冷却至室温的黑色固体粉末快速撒在石棉网上，用FLIR热成像仪拍摄金属铁微颗粒的阴燃过程。

对金属钴与金属铜微颗粒阴燃过程的观察方法与此类似，金属铜微颗粒制备过程中不需要使用石墨粉。

3 实验结果与讨论

3.1 过饱和乙酸钠溶液的结晶放热过程

晶体的结晶是放热过程，但是在此之前，这一常识性认识并没有一种目视直观的方法可以展示出来。在学生实验中注重观察晶体生长的过程、形态、数量等，而对于“热”这种无形的变化则往往无能为力，即便使用温度测量仪器，也无法对一根结晶枝条的温度进行测量，很多时候学生只能通过触感来了解结晶过程的热量释放。

红外热成像技术能够很好地解决这个问题。图1中1#—5#图片是过饱和乙酸钠结晶过程的红外热图像，6#图片是乙酸钠结晶后的可见光照片。红外热图像用不同颜色标示温度，图1左侧给出了本次实验所用的温度颜色标尺。根据温度色标可以看出，当过饱和溶液的温度降低至室温附近时（蓝灰色背景），在容器壁的不同位置开始出现暗红色块状物，并且向溶液中延伸出暗红色的枝条，同时通过目视观察确认这些团块和枝条正是乙酸钠的结晶体。伴随枝条生长不断延伸的暗红色，表明结晶体及周边溶液的温度明显升高，显示出结晶过程的放热效应。图1中6#图片显示乙酸钠固体是白色透明的针状结晶，也就是说在可见光目视观察下，乙酸钠的结晶过程始终只是单调的黑白图像，而在热图像中，这个结晶过程呈现出多种色彩，且不断变化，非常直观地表现出结晶放热的特点，尤其是能够显示出每一根晶体枝条生长过程中始终伴随的热效应，这是一般的目视观察、温度测量或量热法测量无法做到的。

图1 过饱和乙酸钠结晶过程的热图像序列及结晶体照片

3.2 氯化钾溶液的挥发吸热过程

在肉眼观察之下，许多不同的事物及其变化过程的差异是无法清晰分辨的，比如把一滴水和一滴盐水滴在纸上，肉眼是看不到什么差别的。实验中将纯水（溶液1）、不饱和KCl溶液（溶液2）和饱和KCl溶液（溶液3）各20mL同时滴到滤纸上，目视观察只能看到3块模糊的水斑，根本不可能区分这3种不同的溶液。但是在红外相机的镜头下，一切都变得神奇起来。图2是滴加液体后不同时间滤纸的热像图。可以看到，滤纸和液体的初始温度都处于室温附近（12.6 ℃左右）。一段时间后，3个液斑在红外热图像上开始显现出由红®黄®绿®蓝的颜色变化。根据图2右侧的色温标尺，说明这3个液斑的温度都逐步降低，其中纯水的温度降幅最大、降温速率最快，而饱和KCl溶液的温度降幅最小、降温速率最慢。液斑温度降低是由液体蒸发吸热过程导致的，在这3个溶液中，都只有溶剂水是挥发性的，溶质KCl不存在蒸发吸热效应，因此3个液斑降温幅度与速率的差异，实际上反映了溶质数量对溶剂蒸气压的影响，溶质含量越高，溶剂上方的蒸气压越低，溶剂蒸发速率越慢，液面温度降幅越小。这个现象与拉乌尔定律或亨利定律有关，但一般实验验证这两个定律需要通过精细的压力测量才能完成，对实验者的专业能力要求也比较高。本实验通过热成像仪观察溶液的液面温度变化，比较直观地反映了溶液浓度与溶剂挥发数量的关系。

下：溶液1；右上：溶液2；左上：溶液3

3.3 金属微颗粒在空气中的阴燃

纳米科技是化学的重要发展方向之一。物质颗粒的尺寸越小，表面积越大，则化学反应活性也越大。金属微颗粒一般是指微米尺度以下的金属颗粒，具有非常大的反应性，甚至在空气中能够自发氧化和阴燃，有时会引起金属粉尘爆炸等恶性事故。但对其反应活性的直接观察一直没有很有效的手段，常规的温度测量方法也很难对单个金属微颗粒进行探测，红外热成像技术很好地解决了这个问题。

图3为金属铁微颗粒接触空气后自燃过程的热图像。可以看出，燃烧放热非常剧烈，整个微颗粒团块在红外镜头下变成一团亮黄色，而此时在肉眼观察中却没有任何明显的火焰或颜色变化，因为黑色铁粉与棕色氧化铁的颜色区分度较小。

对于铁、钴等比较活泼的金属，微颗粒团块的阴燃放热过多，会造成热图像上形成大片的高温亮色区域，湮没了个别微颗粒阴燃过程的细节。为了解决这个问题，实验中可以把草酸盐预先分散在石墨粉中，再进行热分解，这样就可以得到比较分散的金属微颗粒，便于观察阴燃过程的细节。图4是制备得到的分散在石墨粉中的金属铁（上）和金属钴（下）微颗粒阴燃过程的热图像。可以看到，分散的金属微颗粒阴燃过程中放热较少，不会与其他微颗粒阴燃放热的热图像叠加，因此可以非常清晰地观察到一个微颗粒的红外热像由室温变为黄色、红色（亮浅红色）、再退回浅黄色（或橙色）的过程。表明在接触空气后，金属铁和金属钴微颗粒自发阴燃，温度逐步升高，直至达到约200 ℃，然后反应结束，温度再逐步降低。由于金属微颗粒尺度非常小，即使有近200 ℃的温度升幅，但是用温度计或温度传感器对单一颗粒的温度进行测量也是难以完成的。

图3 金属铁微颗粒团块阴燃过程的热图像序列

热成像仪不仅对微小物体的温度变化非常敏感，而且可以实时反映微小物体的微小温度变化，从而反映微弱的化学反应热效应。铜是一种不太活泼的金属，室温下大块的铜并不会与空气自发反应，但是如果把金属铜分散为细小颗粒，由于表面能的增加，金属的表面化学活性大大增强，有可能导致自发氧化反应。图5是金属铜微颗粒在空气中阴燃的热图像，可以看到，微小的铜颗粒在空气中能够自发地发生氧化反应，放出微小的热量，尽管只有几个摄氏度的温度升幅，但在热图像中依然能够清晰地捕捉到铜颗粒阴燃过程中温度由上升到下降的全过程。这种极其微小的化学反应热效应，除了红外热成像技术外，很少有其他技术手段能够实时快速地呈现出来。

图4 分散在石墨粉中的金属铁微颗粒和金属钴微颗粒阴燃过程的热图像序列

图5 金属铜微颗粒阴燃过程的热图像序列

4 结语

科学研究工作中一直依靠有效的成像技术将一些不可见的事物变成肉眼可见，从而引导科学进步，例如借助显微镜和望远镜等仪器可以观察细小的或远距离的物体。一张图像胜过千言万语，学生借助于手机热成像仪就能够对不可见的热运动和热现象进行直接观察。本实验项目证明，FLIR One手机热成像配件的灵敏度和精确性完全可以满足化学实验教学工作要求，且价格低廉，使用简便，可以引入到大学实验教学中。对热现象的直接观察可以大大加深学生对物理化学变化过程的理解，而且无论是教师还是学生，对于这种新的观察角度下实验结果的不确定性，都会产生进一步探究的兴趣和动力。由学生反馈来看，对不可见世界的直接观察与分析极大地丰富了他们的实验体验。

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Application of thermal imaging technology in chemistry experiment teaching

WU Meifen, WANG Xiaogang, XU Xinhua

(School of Chemical Science and Engineering, Tongji University, Shanghai 200092, China)

The intelligent phone thermal imaging instrument is applied in the chemistry experiment teaching. FLIR One Pro thermal imager can directly observe the thermal movement and thermal phenomena of some physical and chemical processes such as crystallization, evaporation and smoldering of metal particles, etc. The experimental results have proved that the performance of this kind of instrument can meet the needs of chemical experiment teaching, and students can directly observe the naked eye phenomenon by a mobile phone.

thermal imaging; smartphone accessories; chemistry experiment teaching

O64；O6-3

A

1002-4956(2019)12-0165-05

10.16791/j.cnki.sjg.2019.12.039

2019-04-04作者简介:吴梅芬（1970—），女，上海，博士，高级工程师，主要从事物理化学实验教学与管理。E-mail: wumf@tongji.edu.cn

许新华（1967¾），男，浙江黄岩，博士，副教授，主要从事物理化学及物理化学实验的教学研究工作。E-mail: xxh01@tongji.edu.cn