利用红外热成像技术揭示铝热反应中的热效应

［摘 要］铝热反应属于典型的放热反应，其实验现象非常明显，能够直观展现化学变化中的能量变化，从而激发学生的化学学习兴趣。然而，该反应过程过于剧烈且耀眼，使得反应中的热效应难以被直接观察。而利用红外热成像技术可对铝热反应的过程进行直观展示。文章通过对比打火机、火柴、酒精灯、镁条燃烧及铝热反应的热成像图，探究不同物质燃烧背后的热效应差异，以获取隐藏在现象背后的真实有用的信息，引导学生通过科学手段和对比分析的方法得出合理结论，进而锻炼学生的科学思维和逻辑推理能力，加深学生对铝热反应相关知识的理解和认识。

［关键词］红外热成像技术；铝热反应；热效应

［中图分类号］    G633.8                ［文献标识码］    A                ［文章编号］    1674-6058（2025）02-0062-04

一、研究背景

《普通高中化学课程标准（2017年版2020年修订）》强调，发挥现代信息技术的作用，积极探索现代信息技术与化学实验的深度融合，鼓励教师运用信息技术提高课堂教学效率和质量，促进教师教学方式和学生学习方式的改变［1］。化学是一门以实验为基础的学科，在教学过程中非常注重对实验现象的观察，并通过这些现象来分析化学反应的本质。然而，有些化学反应过于剧烈和快速，难以直接通过肉眼观察来全面了解其反应本质。铝热反应实验是沪教版高中化学教材必修二第五章第三节“化学变化中的能量变化”的重要实验，涉及铝及其化合物和能量变化的知识。通过对该实验内容的学习，学生可以了解化学变化中的化学能向热能、光能转化的过程，学会从物质变化与化学键变化两个视角剖析反应中能量变化的本质原因，认识吸热反应和放热反应，初步建构化学变化中能量变化的认知模型。

铝热反应的原理是铝单质在高温条件下进行的一种氧化还原反应，体现出了铝的强还原性。由于氧化铝的生成焓极低，因此反应过程中会放出巨大的热量，甚至可以使生成的金属以熔融态出现。反应放出的大量热量使铝熔化，而液相反应进一步加快了反应速率，短时间内放出极大量的热量。铝热反应的剧烈程度主要由被铝还原的金属离子的氧化性决定。据估计，500克铝热剂（成分是氧化铁和铝）会在30秒内燃烧殆尽。本节课主要关注化学能向热能的转化，以铝热反应实验作为引入，一方面回顾了金属之间的置换反应，另一方面通过明显的实验现象，让学生直观感受到化学变化中化学能向热能、光能转化的过程，激发学生的学习热情。铝热反应的现象是剧烈燃烧，火星四射，发出耀眼的光芒，产生大量的烟，放出大量的热量，生成熔融的黑色物质。该反应进行得非常快，课堂演示时8秒内即可完成。由于反应过程过于剧烈和耀眼，使得反应中的热效应难以被直接观察。

为了弥补铝热反应过程中热量变化不易直接感知以及现有测温工具无法准确测量铝热反应位点温度的缺陷，本研究依据课标要求，拟借助红外热成像技术来拍摄和记录铝热反应过程中的位点温度和热量分布等实验现象。

二、红外热成像技术

红外热成像技术是一种高效、非接触、无损的热效应检测技术，广泛应用于军事侦察、安防夜视以及温度检测等领域。自21世纪以来，该技术也逐渐应用于教学领域。近年来，国内外对红外热成像技术在教学中的应用研究日益增多。例如，哈格隆德等人［2］将红外摄像机应用到本科物理和化学的教学中，发现其能有效支持探究性学习;李顺巧等人［3］借助红外热像仪与智能手机，观察并拍摄了钠在空气中的变化过程以及钠与水反应过程中的位点温度和热量分布情况，对比分析了煤油对钠的氧化速率的影响，并探讨了实验结果在“钠的性质”教学中的教育功能与价值。项佳敏等人［4］通过手持红外热像仪“看到”了化学反应中的能量变化。他们拍摄了等量的不同酸溶液与氢氧化钠溶液混合反应时的热成像图，从温度高低间接反映出热量的变化。余小燕等人［5］指出，在传统实验条件下，反应中的热效应不易观察，而红外热像仪通过明显的颜色对比，为学生提供了图像证据，有力支持了“猜想假设—设计实验—实验验证—讨论交流—寻找证据—形成结论”的科学探究过程，形成了完整的证据链，从而促进了学生证据推理核心素养的形成。市场上推出的红外热像仪，为红外热成像技术在教学中的进一步应用和推广提供了非常好的契机。

三、实验案例

（一）实验目的

本实验旨在利用红外热成像技术，结合物理与化学的研究方法，直观展示铝热反应以及不同物质（如打火机、火柴、酒精灯、镁条等）的燃烧过程。通过对比这些物质的燃烧过程及铝热反应的热成像，探究不同物质燃烧时所产生的热效应差异，引导学生通过科学手段和对比分析的方法来得出合理的结论，锻炼学生的科学思维和逻辑推理能力，加深学生对铝热反应相关知识的理解和认识。

（二）实验原理

镁条在空气中可以燃烧，氧气是氧化剂。然而，当镁条部分插入含有氯酸钾的混合物中并燃烧时，氯酸钾则作为氧化剂，为镁条的持续燃烧提供氧气，同时放出足够的热量引发铝热反应。由于铝热反应本身会放出大量的热量，反应一经引发，它将迅速且剧烈地进行，放出的热量使生成的铁熔化为液态。化学方程式如下：

Fe2O3 + 2 Al [高温] Al2O3 + 2 Fe

红外热像仪可以测定不同物质在燃烧或反应过程中释放的热量，其中包括镁条燃烧时用于引发铝热反应的热量。利用红外热像仪还可以获取打火机、火柴、酒精灯、镁条燃烧及铝热反应的热成像图。

（三）实验器材

药品：铝粉、氧化铁、氯酸钾、镁条。

仪器：手机、红外热像仪、铁架台、滤纸、酒精灯、火柴、打火机、药匙等。

实验装置如图1所示。

（四）实验内容

1.铝热反应

用硬纸片折成漏斗状，侧面用钉书钉钉上，底部剪一个小孔，内放一个用滤纸折成的漏斗，用少量水湿润滤纸，使其紧贴住硬纸片。将5克氧化铁粉末和2克铝粉混合均匀后，放置在纸漏斗中。把纸漏斗架在铁圈上，将整套装置放置在一个盛砂的铁盘上。在固体混合物上平铺少量的氯酸钾固体，混合物中间插上一根打磨过的镁条，用酒精灯点燃镁条。

通过红外热像仪记录整个铝热反应过程，包括反应前、反应中和反应后的温度变化。同时，用肉眼观察铝热反应的现象。实验结束后，对比分析红外热像仪记录的数据与肉眼观察到的铝热反应之间的异同，深入理解铝反应的特性和机理。

2.不同物质燃烧的热效应

通过红外热像仪分别记录打火机、火柴、酒精灯、镁条燃烧及铝热反应的热成像，对比分析不同物质燃烧过程中的位点温度和热量分布。

（五）实验现象与结论

1.铝热反应

铝热反应的现象是剧烈燃烧，火星四射，发出耀眼的光芒，产生大量的烟，放出大量的热量，生成熔融的黑色物质，如图2（a-c）所示。虽然反应现象非常剧烈，但是大量烟雾的产生会影响对主要反应区域的观察和判断。借助红外热像仪，可以清晰地分辨出因铝热反应而升温的区域。具体如图2（d）所示，图中黑色区域代表室温背景环境，灰色区域为铝热反应的外围区域，越往中心温度越高，颜色逐渐由黑色变为灰色，再由灰色变为白色。铝热反应的核心区域温度最高，在图像中显示为白色（由于红外热像仪有测温上限，该区域温度被显示为最高的330 ℃，但实际温度更高）。通过对比热成像图与肉眼观察到的铝热反应现象之间的差异可以发现，红外热像仪可以让学生直观地看到铝热反应的具体区域和清晰的温度分布，同时可以避免反应过程中大量烟雾的影响。

除此之外，红外热像仪还能揭示其他肉眼看不到的重要信息。比如，铝热反应完成后的铁圈和砂盆在外观上基本恢复常态［如图3（a）］，会给人一种它们已经恢复到平时状态的错觉，使人容易放松警惕。但实际上，通过红外热像仪就能清晰地发现，此时支撑纸漏斗的铁架和接残渣的砂盆温度仍然高达330 ℃［如图3（b）］，很容易造成烫伤，非常危险。

2.不同物质燃烧的热效应

红外热像仪除了能用来对比观察铝热反应，还能分别记录打火机、火柴、酒精灯、镁条燃烧及铝热反应的热成像并显示温度，从而有助于直观对比分析不同物质燃烧温度的差异。具体来说，打火机、酒精灯、火柴、镁条的燃烧温度及铝热反应的温度分别是119 ℃、116 ℃、317 ℃、325 ℃以及高于330 ℃，如图4所示。这些数据表明，燃烧温度由低到高依次为打火机、酒精灯、火柴、镁条、铝热反应。

让人意外的是，火柴的燃烧温度居然比打火机和酒精灯的都高，这与人们日常认知不符。为了验证这一结论，如图5所示，分别将铝热反应和酒精灯（a），镁条和酒精灯（b），打火机、酒精灯和火柴（c）分别放在一起比较。实验中所用的这款红外热像仪只显示图像中最热部分的温度。从图中可以看出，铝热反应的温度比酒精灯的燃烧温度高、镁条的燃烧温度比酒精灯的高。需特别强调的是，图5（c）的结果进一步证实了火柴的燃烧温度比打火机和酒精灯的都高。由此可见，利用红外热像仪还能通过直观形象的结果来纠正人们日常的错误认知。

四、教学价值与意义

（1）在观察铝热反应时，红外热成像技术可以避免反应过程中大量烟雾的影响，让学生直观地看到铝热反应的区域和温度分布情况。

（2）红外热成像技术可显示出铝热反应完成后支撑纸漏斗的铁架和接残渣的砂盆温度仍然很高，这有效地警示了学生注意危险、谨防烫伤。

（3）通过对比打火机、火柴、酒精灯、镁条的燃烧及铝热反应的热成像结果，能够直观展示火柴的燃烧温度高于打火机和酒精灯，从而纠正人们日常的错误认知。

除了上述教学价值，基于红外热成像技术的直观对比实验还能引导学生通过科学手段和对比分析的方法得出合理的结论，并学会触类旁通、举一反三，锻炼学生的科学思维和逻辑推理能力，拓展学生的知识面。由此可见，本实验不但能加深学生对铝热反应相关知识的理解和认识，还能更好地推动综合素质教育的实践，具有重要的教学价值。

［   参   考   文   献   ］

[1]  中华人民共和国教育部.普通高中化学课程标准：2017年版2020年修订［M］.北京：人民教育出版社，2020．

[2] HAGLUND J，SCHÖNBORN J K. The pedagogical potential of infrared cameras in biology education ［J］.The American biology teacher，2019，81（7）：520-523.

[3]  李顺巧，龚英，杨子慧，等.红外热成像仪下钠的性质及其热效应[J].化学教学，2022（2）：74-77.

[4]  项佳敏，保志明.基于热成像仪从能量视角辨观化学反应[J].化学教育（中英文），2021，42（21）：86-89.

[5]  余小燕，张颖，陆文倩.基于红外热成像仪的证据推理教学：以“钠及其化合物”的教学为例[J].化学教与学，2022（16）：21-25.

（责任编辑    罗    艳）