探究暖宝宝发热速率的因素

◆广州市天河外国语学校 蔡元启 吴家俊 吴俞翰

冬天，暖宝宝是很多人保暖的必备物品。暖宝宝是如何实现保暖的？不同品牌的暖宝宝为何发热效果不同？能否自制暖宝宝？一次化学实验课上，我们自制暖宝宝失败了，暖宝宝的秘密让我们更加着迷与费解。

目前市场上暖宝宝的质量良莠不齐，我们还了解到，几年前澳大利亚发生的一起垃圾站失火事件就与暖宝宝发热有关。查阅资料后我们发现，有的暖宝宝温度上升较快，在达到标注的最高温后，1 小时内温度仍会上升。

哪些因素会影响暖宝宝的发热速率？我们对此展开了探究。

一、实验原理

暖宝宝利用原电池加快氧化反应速度，将化学能转变为热能。为了使保暖时间更长，厂家使用蛭石来保温。暖宝宝的发热材料由原料层、明胶层和无纺布袋包裹。无纺布袋采用微孔透气膜制作，外面还套了一个常规不透气的外袋。在使用时，去掉外袋，让内袋（无纺布袋）暴露在空气里，氧气通过透气膜进入里面。

暖宝宝发热的负极反应方程式为：Fe-2e-=Fe2+，正极反应方程式为：O2+2H2O+4e-=4OH-。总反应方程式为：2Fe+O2+2H2O=2Fe（OH）2，4Fe（OH）2+2H2O +O2=4Fe（OH）3，2Fe（OH）3=Fe2O3+3H2O

二、实验准备

（一）实验器材

大、小烧杯若干，试管若干，量筒，胶头滴管，玻璃棒，电子天平，酒精灯，铁架台，温度传感器。

（二）实验药品

100 目铁粉（③），150 目活性炭粉（④），质量分数为5%、10%、20%的食盐水（②），高锰酸钾溶液，氢氧化钠溶液，稀硫酸，澄清石灰水，30 目、80 目、150 目树脂（①）。

图1 主要药品

三、实验过程

（一）实验A

1.实验目的

探究催化剂颗粒大小对暖宝宝发热速率的影响。

2.实验方案

取4 个大小相同的烧杯，编号1、2、3、4，往各个烧杯中分别加入5 g 活性炭粉，并倒入10 mL 10% 食盐水，再往1、2、3 号烧杯中分别放入2 g 30 目、80 目、150 目树脂，4 号烧杯中不放树脂，搅拌均匀。

接着将25 g 铁粉分别倒入烧杯并迅速搅拌，用温度传感器测得各个烧杯中的水温，水温变化曲线如图1 所示。

图2 往4 个烧杯中倒入铁粉后的水温变化曲线

3.实验结论

树脂对于该反应而言是负催化剂，且其颗粒大小不影响其抑制发热作用，可作为抑制暖宝宝发热过度的物质。

（二）实验B

1.实验目的

探究暖宝宝残渣的成分

2.实验方案

取实验A 完成后4 号烧杯的少许残渣，将其平分成两组倒进试管，用等量的稀硫酸分别酸浸，静置沉淀后过滤。取两组滤液少许，将一组倒入少量高锰酸钾溶液，另一组倒入少量氢氧化钠溶液。

取出经稀硫酸酸浸后的沉淀，洗涤干燥后灼烧，将内壁被涂抹了澄清石灰水的小烧杯罩在火焰上方。

3.实验现象

倒入氢氧化钠溶液的滤液中产生灰绿色沉淀，无红褐色沉淀出现。倒入高锰酸钾溶液后的滤液仍呈无色。被涂抹了澄清石灰水的小烧杯杯壁变浑浊，灼烧后的残渣中有少量红褐色固体（该现象不明显）。

4.实验结论

残渣中含有铁单质、活性炭、氢氧化亚铁。

图3 倒入高锰酸钾前

图4 倒入高锰酸钾后

图5 倒入氢氧化钠的滤液（左）和未倒入氢氧化钠的滤液（右）

（三）实验C

1.实验目的

探究食盐水浓度对暖宝宝发热速率的影响。

2.实验方案

将5g 活性炭粉，10 mL 质量分数为5%、10%、20%食盐水分别倒入烧杯，并标注为1、2、3 号，搅拌均匀。将25 g 铁粉分别倒入三个烧杯并迅速搅拌，用温度传感器测得1、2、3 号烧杯中的水温度达到40 ℃时，需要的时间分别为360 s、206 s、400 s。

3.实验结论

食盐水浓度过高、过低都会使反应速率降低，最佳浓度在10%左右。

（四）实验D

1.实验目的

探究暖宝宝中铁、炭质量比对发热速率的影响。

2.实验方案

取3 个相同的烧杯，分别编号为1、2、3。往3 个烧杯中分别倒入10 mL 10%食盐水。往1 号烧杯中倒入活性炭10 g、铁粉20 g，往2 号烧杯中倒入活性炭5 g、铁粉25 g，往3 号烧杯中倒入活性炭3 g、铁粉27 g。迅速搅拌均匀，用温度传感器测得1、2 号烧杯中水的温度达到50 ℃时所需的时间分别为78 s、125s，3 号烧杯中的水未升温。

3.实验结论

铁、炭质量比例过小或过大都会减缓反应速率，较适质量比约为铁∶炭=5∶1

四、实验分析

暖宝宝发热速率的影响因素有食盐水浓度、铁炭质量比、催化剂种类等，其中食盐水浓度和铁炭质量比对反应速率的影响具有双重性。暖宝宝发热之后的残渣主要成分为铁、炭、氢氧化亚铁，回收暖宝宝时可酸浸残渣、固液分离，对固体（活性炭）进行干燥再利用。液体则可用氧化剂处理，再按照工业上处理三价铁离子的方法处理。

本实验还不能很好地表明树脂对暖宝宝的具体作用。

由于保温措施不到位，加之有些实验环境气温低，实验数据会有误差，用现有的数据难以探索暖宝宝创新之路，欲进一步研讨暖宝宝仍需再做一些实验。（指导老师：郑雪辉 磨学进 实验室管理员：潘翠玉）

专家点评

本项目通过实验来探究暖宝宝的发热速率，建议可从以下方面进一步完善。

1.论文在引用数据时，最好使用近几年的数据。

2.设计实验时，可通过文献了解暖宝宝的组成成分以及其在发热时的作用，这样对实验因子的理解不会出现偏差，实验设计的思路会更明晰，也不会出现科学性错误。

3.实验设计目的要明了。使用药品时要让读者知晓其在实验过程中的作用，使读者对实验原理有全面的了解。

4.增加实验的样本数量。