红外热成像技术助力初中化学实验

陈梦麟

（新北区实验中学 江苏 常州 213022）

红外热成像技术最初起源于军用，后逐渐转为民用。在日常生活中，人们使用便携式红外热成像仪可以检查汽车发动机、加热座椅、汽车除霜、保险丝、水管漏水以及寻找小动物等。同时，红外热成像技术也给涉及热量变化的化学实验提供了新的测量手段。

一、红外热成像技术简介

1.认识红外热成像装置

红外热成像装置主要包括三部分：便携式红外热成像仪、手机（或iPad）和常规实验器材。便携式红外热成像仪只有U盘大小，可根据所用手机或iPad选择苹果或安卓操作系统购买。使用时，先在手机上安装红外热成像仪的APP，开启该APP 的相机、定位和麦克风权限（部分手机还需要设置打开OTG 功能）。将红外热成像仪接口插入手机或者iPad的充电口，当打开APP 时，手机的屏幕就成了热成像仪的显示屏，并可用于实验的拍摄，见图1。

图1 红外热成像装置

进行化学实验时，将手机固定在手机支架或铁架台上，同时用红外热成像仪拍摄实验现象。通过手机同屏技术，把拍摄的实验现象实时投影到一体机或屏幕上，让所有学生同步观察。

2.了解红外热成像的图像

红外热成像仪将物体发出的不可见红外光转变为可见的图像，这种图像就是红外热成像的图像。以彩虹色调色板为例，热成像的图像上面的不同颜色代表被测物体的不同温度，蓝色代表低温，红色代表高温，蓝色越深表示温度越低，红色越深表示温度越高。

二、运用红外热成像技术进行初中化学实验

1.比较固体物质溶于水的温度差异

（1）实验背景

沪教版初中化学教材第6 章第1 节研究硝酸铵、氯化钠和氢氧化钠分别溶于水过程中的热量变化实验装置如图2所示。［1］

图2 教材中研究物质溶解时的温度变化实验

教材实验中使用了30 mL 水，为了明显地观察到温度计读数的变化，实验时常常需要加大试剂用量，会造成试剂的浪费。此外，实验中要进行三次溶解和测量，操作麻烦且耗时长；如果是教师演示实验，无法让每一个学生清楚地看到溶液中的温度变化。在红外热成像仪下完成该实验可以很好地解决上述问题。

（2）用红外热成像仪进行实验观测

装置见图3。

图3 运用红外热技术研究物质溶解时的温度变化

①将红外热成像仪与手机相连，放置于手机支架上（下文实验的第一步均如此操作，故在后面实验中省略此步骤及装置图）。

②将点滴板置于红外热成像仪摄像头下，在4 个孔穴中用滴管各滴入5滴蒸馏水，打开红外热成像仪摄像头。

③向其中3 个孔穴中分别加入氯化钠固体、硝酸铵固体、氢氧化钠固体各1 g，用牙签或硬吸管搅拌，观察点滴板的热成像图像，对比四个孔穴图像的差异，30 s后关闭红外热成像仪摄像头。

（3）实验结果

实验结果如图4 所示，从图中的颜色差异可以明显看出温度差异，硝酸铵固体溶于水图像呈深蓝色，氢氧化钠固体溶于水图像呈深红色，氯化钠固体溶于水图像颜色没有明显的变化。如果回看录像，还可以看到硝酸铵溶于时，水的蓝色图像越来越深，氢氧化钠溶于水时红色图像越来越深。说明氢氧化钠溶于水放出热量，温度升高；硝酸铵溶于水吸收热量，温度降低；氯化钠溶于水热效应不明显，温度几乎不变。

图4 氯化钠等固体物质溶于水时的热成像图

2.利用温度变化验证石灰石煅烧的产物

（1）实验背景

在初中化学实验中，温度的变化常常用感官去感知。例如：感知生石灰和水反应的放热情况。通常往盛有水的烧杯中加入生石灰，让学生触摸烧杯壁。要让学生感到明显的温度变比，就需要加入较多的生石灰，造成试剂浪费，同时还存在不安全的因素。

沪教版化学教材第7章第3节“几种重要的盐”中有煅烧石灰石的实验。为了验证产物，将煅烧后的物质放入冷水中，然后再用酚酞试液、吹入二氧化碳的方法进行检验。［1］若将煅烧后的物质放入冷水中，捕捉溶液的热量变化，并排除碳酸钙、氢氧化钙的干扰，就能证明生成了氧化钙。

（2）用红外热成像仪进行实验观测

①将点滴板置于红外热成像仪的摄像头下，在点滴板的4个孔穴中用滴管各滴入0.5 mL蒸馏水。

②按图5所示，分别用药匙取少量氧化钙、氢氧化钙、碳酸钙，加入到点滴板的3个孔穴中，用牙签或硬吸管搅拌，并用红外热成像仪拍摄实验现象。

图5 生石灰等固体加入水中的实验装置

③将一小片石灰石进行灼烧，冷却后放入装有水的表面皿中（见图6），并用红外热成像仪拍摄实验现象。

图6 石灰石煅烧后固体加入水中的实验装置

（3）实验结果

实验结果如图7 所示，通过颜色分布可以看出氧化钙加入水中图像为深红色，说明反应放热明显，温度升高；碳酸钙、氢氧化钙与水接触图像的颜色变化不明显。用热成像仪拍摄煅烧石灰石后剩余固体加入水中时的热量变化，可以发现，固体与水接触时，图像的颜色为深红色，说明放出了大量的热，温度升高；而碳酸钙、氢氧化钙与水接触时热效应不明显，通过这些温度变化的图像，证明煅烧石灰石后生成了氧化钙。即使把培养皿摇动，热量变化还是主要集中在氧化钙固体上，周围液体的温度上升不明显。如果用烧杯完成此实验，需要消耗较多试剂才能让学生在触摸烧杯壁时感受到温度的变化，红外热成像仪的优势在这里得到了充分的体现。

图7 氧化钙等固体加入水中的热成像图

3.体悟中和反应中，热量分布的趣味

（1）实验背景

中和反应是沪教版化学教材第7 章第2 节“常见的酸和碱”的学习内容。中和反应发生时没有明显的现象，为了证明反应的发生，教材采用滴加酚酞试液看颜色变化、使用温度计看温度变化的方法加以证明。［1］部分教师还使用pH 计、pH 传感器测量溶液中pH 的变化证明中和反应的发生。教材设计的实验是在烧杯中进行，为了让学生看到明显的颜色变化（或pH的变化）和温度变化，需要使用较多的试剂；同时，用温度计只能测量烧杯内某一个点的溶液温度，无法观测整个烧杯里溶液温度的分布情况。使用红外热成像仪进行实验观测，可以从多个点观察溶液中的热量分布情况，增加实验的趣味性。

（2）用红外热成像仪进行实验观测

在红外热成像仪下完成下列三个实验：

①按图8 所示，在培养皿中滴加氢氧化钠溶液至铺满底部，用滴管逐滴滴加稀盐酸。

图8 用滴管往氢氧化钠溶液中滴加稀盐酸

②按图9 所示，在培养皿中滴加氢氧化钠溶液至铺满底部，用注射器抽取稀盐酸，将注射器横放，平行于培养皿上方，推动活塞将稀盐酸注入培养皿。

图9 用注射器往氢氧化钠溶液中注入稀盐酸

③按图10 所示，取两支滴管，分别吸取稀盐酸和氢氧化钠溶液，交替逐滴将溶液滴入表面皿。

图10 用滴管交替滴入氢氧化钠溶液和稀盐酸

（3）实验结果

实验①，用滴管向氢氧化钠溶液中逐滴滴加稀盐酸，温度升高呈现的热成像的红色图像如同一颗“跳动的心脏”，如图11；实验②，用注射器平行横放于培养皿上方注入稀盐酸，热成像的红色图像如同一只“展翅的鸟”，如图12；实验③，用滴管交替滴加稀盐酸和氢氧化钠溶液，热成像的红色图像在液滴相交处被蓝色“挤来挤去”，就像“摩擦生热”，如图13。

图11 “跳动的心脏”热成像图

图12 “展翅的鸟”热成像图

图13 “摩擦生热”热成像图

从热成像图中蓝色变成红色可以证明中和反应的发生，同时从图中可以看到在容器中不同的地方有不同的颜色，从而可以清楚地了解反应时溶液中各部分温度的分布情况。多种形式的实验操作也增加了课堂的趣味，丰富了想象的空间。

三、运用红外热成像技术进行初中化学实验的价值与创新之处

1.可视化

红外热成像仪下的实验拓展了实验现象的表征方式，将温度变化的数字表征变为图像表征，实现了温度变化的可视化。通过同屏技术可将实验的热成像图像放大投屏，让所有学生可以同步观察到实验中的温度变化现象。

2.绿色化

上述用红外热成像仪测量的实验都是在点滴板、培养皿或表面皿等器材中进行的。器材微型，便于清洗，使用药品少，实验时间短，绿色环保，适合在多个班级中连续上课时演示。

3.便捷化

测量多个实验的温度变化时，使用温度计较繁琐且耗时长；在烧杯中进行实验时，用手触摸烧杯只能感知器壁温度，无法获知容器内部的温度变化情况。用点滴板进行实验时，在红外热成像仪下可以同时测量多个实验中的温度变化情况，减少了重复、机械操作，既可以对多个实验中的温度变化进行对比，还可以同时观察到容器内溶液的多点的温度变化。

4.趣味性

同一个反应，通过改变反应装置或试剂滴加顺序，可以动态、多样化呈现温度变化过程。例如：中和反应的“跳动的心脏”“展翅的鸟”“摩擦生热”实验现象，充分激发了学生的兴趣。此外，学生还可以融入自己的想法对实验进行改进，丰富实验的体验。

5.安全性

红外热成像仪可以实现遥感测温，不需要与物体直接接触，可以避免因接触而产生的不安全。［2］

6.多用途

应用红外热成像技术的初中化学实验还有很多，可以拓宽一线教师实验设计的新思路。例如：可用于研究金属与酸的反应、加热试管内液体或固体的风险认知等。［3］