-化学发热材料的奇妙应用

化学发热材料的奇妙应用

作者：颜欣彤等文章来源：《广州市中学生“我与化学”活动论文选编（二）》

（作者：颜欣彤汤敏玲罗文畅罗敏章谢若霖作者学校：花都区邝维煜中学）

在日常生活中，人们煮饭、洗澡、取暖、行车等等，总脱离不开化学反应提供的热量。随着生活水平的提高，人们有越来越多的地方需要特殊的热源，如：医疗上的热敷，外出时饭菜的加热，天冷时暖手、暖脚……但是如果这些热源来自于电能，有一定的局限性和危险性。当你处于空气稀薄的高原或在人迹罕至的地方，如何取得理想的热源呢？

聪明的人类把眼光转向一些特殊的化学发热材料。这些化学发热材料，具有不受地区条件限制，效率高，体形细小方便携带，材料价廉易得，可循环再用，对环境破坏与污染程度较轻微等优点。无论在高山或是人迹罕至的地方，都能方便地使用，得心应手。

一、几种主要化学发热剂的反应原理

1.生石灰与水反应放热

反应原理：CaO+H2O=Ca(OH)2+heat

放热情况：块状生石灰与水发生剧烈反应，放出大量的热，温度最高可达120℃，可持续3分钟。1kg CaO与水混合产生的热量可煮开2个暖水瓶的水。

2.热冰

反应原理：CH3COONa·3H2O(s)+heat H2O CH3COO-(aq)+Na+(aq)+3H2O(aq)，由方程式可反推出，醋酸钠溶液结晶时会放出大量的热，结晶的样子就像水结冰似的，而且用手摸时会有热的感觉，故称其为“热冰”。

放热情况：升温快速，热量较低，一般为50℃左右，持续时间较短，加热后，会重

新变成溶液，可重复利用。

3.铁粉氧化发热

反应原理：铁粉与水、氧气等物质发生缓慢氧化反应，放出热量。

放热情况：可持续发热12小时~24小时，温度保持在50℃~60℃左右，并可通过控制药品与空气的接触的量来控制温度。

二、实验部分

1.实验一

实验目的：探究CaO加热饮用水的情况，从而推测CaO加热食物的情况。

实验操作：取100g CaO与水混合，再把盛有100mL水的铁饭盒迅速放在混合物上，用温度计插入水中，观察现象。

实验现象：100g CaO与水混合后很快体积膨胀，发出“咝咝”的响声，产生大量的水蒸气，温度可升至95℃。不到一分钟，插入水中的温度计示数就上升到62摄氏度，符合人体需要的饮食温度。

实验分析：CaO放热速度快，可迅速加热食物和水，而且不会产生有害物质，使用安全，适合于加热熟食，但加热300mL的食物需250g~300g的生石灰，而生石灰生热时体积膨胀，所以用于加热食物用的饭盒的体积必然较大，携带起来较不方便。

2.实验二

实验目的：探究醋酸钠溶液结晶放热情况，从而推测其应用范围。

实验操作：取一250mL锥形瓶，装50mL的蒸馏水，加入醋酸钠使其溶于水中，直到无法溶解为止。

在锥形瓶内再多加一倍量的醋酸钠，然后放到酒精灯上加热使其完全溶解，造成过饱和溶液。

将溶解完的醋酸钠溶液，用少许的蒸馏水清洗锥形瓶的内壁之醋酸钠，再放到室温下，使其慢慢地冷却，若无其他因素，应可成过饱和的溶液。

在做好的过饱和醋酸钠溶液中，加入一些醋酸钠晶体，会使溶液迅速地结晶，并会放出大量的热量。

实现现象：醋酸钠溶液结晶放热温度达到52℃，时间持续了35分钟，加热醋酸钠晶体后，又变回成液体。

实验分析：CH3COONa·3H2O(s) + heat H2O CH3COO-(aq)+Na+(aq)+3H2O(aq)，由反应方程式可知，过饱和溶液中含有醋酸根离子、钠离子和水分子，当加入醋酸钠晶体时，便给予溶液一种趋力，使其结晶。要使过饱和的醋酸钠溶液结晶有三个条件：动能、机率、方位。而加入醋酸钠晶体，是提供其结晶时所需的概率和方向的条件。由反应方程式可知，当溶液中的粒子结晶时，即反应向左进行，会放出热，这就是为什么锥形瓶摸起来会热的原因。

市场上，装有醋酸钠溶液的暖手袋，袋中就有一个弹簧。压缩弹簧，产生动能，令醋酸钠结晶而放出热量。

3.实验三

实验目的：探究市场上出售的热敷袋成分及其构造。

实验操作：剪开热敷袋，观察到里面的发热材料的颜色，并用磁铁靠近，观察现象，接着仔细研究热敷袋的构造及材料，把一片“天地通远红外纳米贴”，用手振荡发热后贴在腰部，用温度计测量，并记录发热时间。

实验现象：粉末呈黑黄色，用磁铁靠近，可被吸住，证明其成分是还原铁粉、硅藻土、多孔质焦炭（煤）粉和食盐水等，热敷袋的包装分内外两层，内层为透气层，并用

针扎出了许多气孔，外层为密封包装层，使用前，内层不与空气接触。打开包装后，内层中的药品与空气接触，用手振荡热敷袋，开始发热。可持续发热12小时，温度保持在50℃以上，并可通过控制药品与空气的接触的量来控制温度，如果感觉太热，可在热敷袋外贴上控温贴，这种普通的塑料贴纸可堵住气孔，使热敷袋温度下降。贮存使用安全。

实验分析：天地通远红外纳米贴内的热敷袋是利用了铁粉氧化发热的原理，因此可通过控制药品与空气的接触的量来控制温度，在热敷袋外贴上控温贴就是减少铁粉与氧气的接触。硅藻土是高吸水性物质，可令贮存中无氢气发生，使用中，即使将发生氧化作用之水分全部吸收，也不会成为浆状。只要外层不透气性袋不打开，氧化发热剂就不会氧化，可以长期贮存。

三、三种主要的发热剂对比

四、化学发热材料的应用

1.在军事上的应用

早在几十年前，中苏对立的年代，抓到一个不明身份的士兵，只需看他所穿的鞋是否具备发热功能便可判知是否敌方或者奸细。可见科技在军事上的运用往往是最早的。

现今在国内，伞兵的生活也因为化学发热材料有所提高。以前，伞兵主食只有压缩饼干一个品种，没有加热装置，官兵们降落到寒区后，由于没有燃料，只能干嚼饼干，吃冰冷的午餐肉罐头。为了让官兵在各种特殊环境下都吃上热饭菜，化学家确定了一种新型化学材料，并依此研制出一种袋装加热装置，只需往加热袋中注入少量水，袋中内置的特殊材料便瞬间发热，将食品放在其上即可加热食用。即使在-40℃的高寒地区，士兵仍可在短时间内吃到温热可口的饭菜。品种多样，口味适中，能加热食用是新一代伞兵口粮的最大特点。

在冰天雪地中，士兵们的衣、鞋都可配有发热材料，先进的装备可以提高战斗力，而这些技术也已经在民用上推广开来了。

2.在医疗保健上的应用

治疗跌打损伤、关节肿痛时，常常需要热敷，但用普通暖水袋体积太大，使用很不方便。而且温度难以控制。若用电热设备，与人体长期接触，则既不安全又不方便。针对这种情况，一些医术人员利用了化学的发热反应，制成一种带有药物层的热敷袋，它是利用铁粉氧化反应放热原理制成。使用简单，发热快。使用只需将不透气性外袋取下，进行振荡即可发热。在适宜的温度下发热时间长，在平均发热温度50℃左右条件下可持续发热12小时~20小时。

3.在日常生活中的应用

（1）保暖

一些商店出售的“暖手蛋”，就是用醋酸钠溶液结晶时发热制成的。如图所示，把袋内的金属片弯曲，溶液马上结晶并放出热量，温度达50℃左右，放在衣服口袋里，可以暖手1小时左右，在寒冷的冬天里，带三四个“暖手蛋”外出，可以防止双手冻伤，这些“暖手蛋”结晶后，可放入热水中煮5分钟~10分钟，即可变回液体，重复使用。