資源簡介

(共39張PPT)
跨學科實踐活動7　揭秘“暖寶寶”
第九單元　金屬
學科串聯
知識儲備
1．活動目標：探究暖寶寶中各成分的作用，加深對金屬銹蝕原理的認識；動手制作暖寶寶并與市售產品對比，感受工藝技術對提升產品性能的重要意義；體驗運用所學知識探究事物原理的樂趣，增強好奇心和求知欲。
2．實驗探究：了解“暖寶寶”的幾個構成部分的作用；了解發熱物質的組成；設計實驗探究發熱原理。
3．制作作品：應用上述原理，從實際需求出發，小組合作動手制作簡易暖寶寶，并設計檢測手段檢測自制的暖寶寶的制暖效果。通過多輪次的“設計—行動—反思”對簡易暖寶寶進行試驗和優化。
4．作品發布：小組展示、交流和評價制作的簡易暖寶寶。反思和總結簡易暖寶寶制作的經驗，提煉解決作品制作類問題的思路與方法。
1．一種“貼身暖寶寶”貼的標簽如圖所示，下列說法錯誤的是
(　　)
體驗探究
題號
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品名：××牌貼身暖寶寶
[成分]袋內物質：鐵粉、水、活性炭、食鹽等
內袋材料：微孔透氣無紡布
外袋材料：不透氣塑料
[用法]臨使用前，打開外袋取出內袋，直接貼在衣服上，打開外袋后保持溫暖12小時
A．鐵粉和活性炭都屬于單質
B．暖寶寶中加入稀硫酸會產生氣泡
C．暖寶寶發熱的原理主要是利用鐵生銹放熱
D．內袋使用透氣材料的原因是使袋內的物質與氧氣接觸
題號
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√
A　[鐵粉是由鐵元素組成的純凈物，屬于單質，活性炭的主要成分是碳，屬于混合物，A錯誤；暖寶寶中加入稀硫酸，鐵和稀硫酸反應生成硫酸亞鐵和氫氣，會產生氣泡，B正確；鐵與氧氣和水接觸會發生銹蝕，鐵生銹放熱，則暖寶寶發熱的原理主要是利用鐵生銹放熱，C正確；內袋使用透氣材料的原因是使袋內的物質與氧氣接觸，D正確。]
題號
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2．鐵生銹的原理能用于制作“暖寶寶”。某“暖寶寶”的成分為鐵粉、蛭石(保溫作用)和吸水性樹脂、食鹽、活性炭。探究小組利用如圖裝置進行探究，實驗結果如圖。下列說法錯誤的是(　　)
題號
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題號
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A．“暖寶寶”發熱原理是Fe粉與H2O、O2反應
B．由O2濃度變化推測，Fe粉可用作食品脫氧劑
C．封裝“暖寶寶”的外包裝袋應選透水、透氣的材料
D．“暖寶寶”能快速放熱，鐵釘生銹需較長時間，說明反應物狀態是影響反應速率的因素之一
√
C　[鐵的銹蝕是緩慢氧化，此反應過程中會放出熱量，因此“暖寶寶”發熱原理是Fe粉與H2O、O2反應，A正確；由圖示信息可知，裝置內的氧氣的濃度逐漸降至較低濃度，因此Fe粉可用作食品脫氧劑，B正確；封裝“暖寶寶”的外包裝袋應選不透水、不透氣的材料，這樣才能保證“暖寶寶”不失效，C錯誤；“暖寶寶”中的鐵粉是粉末狀的，能快速放熱，鐵釘生銹需較長時間，說明反應物的狀態是影響反應速率的因素之一，D正確。]
題號
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3．“暖寶寶”常用于貼近皮膚的取暖，它的發熱劑中含有鐵粉、氯化鈉、炭粉，該產品使用時能快速發熱。下列有關分析錯誤的是
(　　)
A．炭粉逐漸燃燒放熱
B．使用后粉末會變色
C．氯化鈉能促進反應
D．粉末狀產品有利于發熱
題號
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√
A　[暖寶寶的發熱原理主要是鐵生銹的過程，是鐵和氧氣、水蒸氣等發生化學反應的過程(緩慢氧化)，A錯誤；鐵銹的主要成分是氧化鐵，為紅棕色固體，因此鐵生銹過程能夠觀察到部分固體變為紅棕色，B正確；酸性物質或鹽類能夠加快金屬銹蝕，氯化鈉屬于鹽，因此能促進反應，加快鐵的銹蝕，C正確；粉末狀的鐵粉能更快發生銹蝕，是因為增大了鐵與氧氣、水蒸氣的接觸面積，有利于產品發熱，D正確。]
題號
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4．暖寶寶貼中的發熱劑是鐵粉、水和食鹽等，發熱劑能代替紅磷測定空氣中氧氣含量。實驗開始前裝置如圖所示，集氣瓶的容積為250 mL，瓶內有20 mL 水，量筒中有100 mL水。實驗后從量筒中進入瓶中的水的體積為46 mL (鐵粉銹蝕消耗的水忽略不計)。下列敘述錯誤的是(　　)
題號
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題號
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A．實驗前一定要檢查裝置的氣密性
B．若測得空氣中氧氣含量偏低，可能是發熱劑不足
C．本次實驗測得空氣中氧氣的體積分數為18.4%
D．必須等裝置冷卻至室溫后，才能記錄量筒內剩余水的體積
√
題號
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5．用圖1所示裝置對暖寶寶(主要成分有鐵粉、水、活性炭、食鹽等)的發熱過程進行探究，傳感器獲得圖2和圖3所示的實驗數據。下列說法錯誤的是(　　)
題號
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題號
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A．暖寶寶的發熱是一種放熱反應
B．由圖2可知，足量暖寶寶原料發熱過程能消耗掉瓶中全部氧氣
C．圖3表明，瓶內氧氣減少造成的壓強減小量與溫度升高造成的壓強增大量相等
D．裝置冷卻至室溫，圖3中的曲線會逐漸降低至0
√
D　[暖寶寶的發熱是利用鐵生銹放熱，屬于放熱反應，A正確；根據圖2可知，最終氧氣濃度減小到 0，說明足量的暖寶寶原料能將氧氣完全消耗，B正確；氧氣被消耗，且不產生其他氣體，裝置內壓強會減小，反應放熱溫度升高，氣體體積膨脹，裝置內壓強會增大，根據圖像，反應過程中壓強幾乎不變，證明因氧氣消耗造成的壓強減小量與溫度升高造成的壓強增大量相等，C正確；該反應消耗了空氣中的氧氣，空氣中除了氧氣外還有其他氣體，冷卻到室溫，裝置內的壓強不會減小到 0，D錯誤。]
題號
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7
6．某化學興趣小組對于“暖寶寶”這一產品展開了項目式研究。
資料卡：①Fe3O4為磁鐵礦的主要成分，可以被磁鐵吸引；
②“暖寶寶”中除了主要成分外，還含有蛭石、吸水樹脂、氯化鈉、活性炭等輔助成分，其中蛭石是高效的保溫材料，吸水樹脂具有很強的吸水功能，活性炭能夠加快反應速率；
③蛭石是一種自然界的礦石，其主要成分包含：硅酸鹽、MgO、Fe2O3、Al2O3等。
題號
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任務一：探究“暖寶寶”的成分
(1)該小組取一個磁鐵靠近未使用的暖寶寶粉末中，發現有黑色固體被吸引，于是得出結論：“暖寶寶”中含有鐵粉，有同學認為該方案不合理，原因是_______________________________________。
題號
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Fe3O4也可以被磁鐵吸引
(2)為了證明“暖寶寶”中有鐵粉，該小組又設計了如下實驗，請完善表格：
題號
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序號 實驗方案 現象 結論
Ⅰ 取少量粉末，用酒精燈點燃 粉末劇烈燃燒，火星四射放出大量熱，生成______色固體 “暖寶寶”中有鐵粉
Ⅱ 取少量粉末，加入_________________(填寫一種試劑) 產生無色氣泡，溶液變為淺綠色
黑
稀鹽酸(或稀硫酸)
鐵絲在空氣中不能燃燒，鐵粉在空氣中卻可以燃燒的原因是__________________________________________________________。
任務二：探究“暖寶寶”的發熱原理
(3)興趣小組查閱資料得知，“暖寶寶”的原理為其中的鐵粉可以與空氣中的水蒸氣和氧氣發生緩慢氧化反應，發熱后的“暖寶寶”主要產物為________(填化學式)。
題號
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鐵粉與空氣中氧氣的接觸面積更大
Fe2O3
任務三：“暖寶寶”的回收利用
(4)該小組利用發熱后的“暖寶寶”開啟一系列實驗探究，將粉末進行相關處理后，進行了如下的物質轉化過程：
題號
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①請寫出過程Ⅰ的化學方程式________________________________。
②分析濾液2中含有_________________________(填化學式)。
ZnSO4、MgSO4、Al2(SO4)3
(5)該小組又針對“濾渣2”開啟探究：向濾渣2中加入一定量的AgNO3溶液，充分反應后過濾，將所得濾渣放入稀鹽酸中有氣泡產生，則濾液里一定含有__________。
題號
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Zn(NO3)2
解析：(1)Fe3O4也可以被磁鐵吸引，所以取一個磁鐵靠近未使用的暖寶寶粉末中，發現有黑色固體被吸引，不能確定該物質一定含有鐵粉。
(2)根據結論：“暖寶寶”中有鐵粉，故鐵粉用酒精燈點燃的現象為粉末劇烈燃燒，火星四射，放出大量熱，生成黑色固體。根據結論：“暖寶寶”中有鐵粉，結合現象：產生無色氣泡，溶液變為淺綠色。已知鐵與酸反應生成氫氣和亞鐵鹽，亞鐵鹽呈淺綠色，所以實驗步驟為取少量粉末，加入稀鹽酸(或稀硫酸)；
鐵絲在空氣中不能燃燒，鐵粉在空氣中卻可以燃燒，是因為鐵粉與空氣中氧氣的接觸面積更大。
題號
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題號
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②由題圖分析可知濾渣1中含有鐵、鋁和氧化鎂，加入足量的稀硫酸，鐵與硫酸反應生成硫酸亞鐵和氫氣，鋁與硫酸反應生成硫酸鋁和氫氣，氧化鎂與硫酸反應生成硫酸鎂和水，所以濾液1中含有硫酸亞鐵、硫酸鋁、硫酸鎂和剩余的硫酸，加入足量的鋅，鋅能與硫酸反應生成硫酸鋅和氫氣，與硫酸亞鐵反應生成硫酸鋅和鐵，不與硫酸鎂和硫酸鋁反應，所以濾液2中含有硫酸鋅、硫酸鎂和硫酸鋁，化學式為ZnSO4、MgSO4、Al2(SO4)3。
題號
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(5)由分析可知濾渣2中含有鋅和鐵，加入一定量的AgNO3溶液，鋅和鐵都能與硝酸銀反應，且鋅先與硝酸銀發生反應生成硝酸鋅和銀，鐵后與硝酸銀反應生成硝酸亞鐵和銀；充分反應后過濾，將所得濾渣放入稀鹽酸中有氣泡產生，說明濾渣中一定含有鐵，鐵剩余，可能是鋅過量，此時硝酸銀被鋅完全反應掉，濾渣為鋅、鐵和銀的混合物，加酸能產生氣泡，此時濾液中只含有硝酸鋅；或鋅適量，硝酸銀和鋅恰好完全反應，濾渣為鐵和銀的混合物，加酸能產生氣泡，此時濾液中只含有硝酸鋅；或鋅少量，鐵過量，硝酸銀被鐵完全反應掉，濾渣為鐵和銀，加酸能產生氣泡，此時濾液中含有硝酸鋅和硝酸亞鐵。所以一定發生的反應為鋅與硝酸銀反應生成硝酸鋅和銀，濾液中一定含有硝酸鋅。
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7．熱能是人類生活中經常使用的能量。某化學實驗探究小組查閱了常見市售暖寶寶的說明書，并進行如下的探究實驗。
題號
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暖貼組成：
1．外包裝袋：使用前隔絕空氣，使原料不發生反應。
2．離型紙：貼在明膠上保護明膠，使明膠不會粘到外包裝袋。
3．明膠：用來使暖寶寶粘貼在衣服上，能粘貼牢固卻不污損衣物。
4．無紡布袋：采用微孔透氣膜制作，用來裝發熱原料。特點是均勻不漏，透氣性能較好。
5．原料：即發熱材料，由多種成分組成：鐵粉、蛭石、活性炭、氯化鈉、水
【探究活動一】如何證明鐵粉的存在？
查閱資料：
Ⅰ．四氧化三鐵，化學式為Fe3O4，俗稱氧化鐵黑、磁鐵、吸鐵石、黑氧化鐵，是一種具有磁性的黑色晶體。
Ⅱ．活性炭是一種黑色多孔的固體炭質，表面積大，具有很強的吸附性能，是用途極廣的一種吸附劑。
Ⅲ．蛭石是一種鐵鎂質鋁硅酸鹽，是保溫材料，同時使鐵粉蓬松，保持透氣。
題號
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進行實驗：
(1)
題號
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實驗操作 實驗現象
操作一：用磁鐵吸引“暖貼”中的粉末 有大量的黑色物質被吸引
操作二：將樣品用棉花球包裹，置于酒精燈上點燃 火星四射
題號
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實驗操作 實驗現象
操作三：取足量分離出的粉末于試管中，分別加入少量稀鹽酸和少量硫酸銅溶液 與稀鹽酸反應_________________________
_____________________________________
與硫酸銅溶液反應______________________
______________________________________
有氣泡生成，溶液由無色變
為淺綠色
有紅色固體生成，溶液
由藍色變成淺綠色
反思評價：
(2)小明認為操作一不能證明鐵粉的存在，原因是___________________________。
(3)小方課后又針對操作二做了對照實驗，發現也不能證明鐵粉存在，請寫出小方的操作及現象_____________________________________
_______________________________________________。
(4)結合以上實驗，暖貼的發熱原理是__________________________
_________________。
題號
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四氧化三鐵也有磁性
操作：取活性炭粉，用棉花球包裹，置于
酒精燈上點燃；現象：火星四射
鐵粉(在氧氣和水的作用下)發
生緩慢氧化放熱
【探究活動二】如何控制暖貼發熱速率？
(5)小組同學取2勺鐵粉于無紡布袋中，滴加少量清水，用手揉捏混合，發現并無明顯發熱情況，原因是__________________________
_________。
原料中的________和氯化鈉可以增大暖貼的發熱速率。
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氧化速率慢，單位時間內放
熱太少
活性炭
實驗反思：
(6)通過控制包裝中的___________________________，可以控制透氧的速率，不至于反應升溫太快，還可以延長發熱時間。
(7)從使用安全角度考慮，還應該注意什么問題__________________
_________________________________________________________。
題號
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無紡布袋微孔透氣膜孔的大小
氧化速率也不能太
快，單位時間內放熱過多會導致燙傷，或在使用前注意密封保存
解析：(1)操作一中用磁鐵吸引暖貼中的粉末，有大量黑色物質被吸引，該物質是鐵粉；取足量的鐵粉加入稀鹽酸，鐵能和稀鹽酸反應，生成氫氣和氯化亞鐵，所以能觀察到有氣泡生成，溶液由無色變為淺綠色；鐵的活動性比銅強，能置換出銅鹽溶液中的銅，所以加入硫酸銅溶液后，會有紅色的銅單質生成，同時溶液由藍色變為淺綠色。
(2)鐵與空氣中氧氣反應后能生成四氧化三鐵，而四氧化三鐵具有磁性，也能被磁鐵吸引，不能證明被吸引的就是鐵單質。
題號
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(3)樣品中有鐵粉和活性炭，而活性炭粉在燃燒時也會發出火星四射的現象，根據結論不能證明鐵粉存在，說明是燃燒活性炭粉末后也出現該現象，故操作是取活性炭粉，用棉花球包裹，置于酒精燈上點燃；現象：火星四射。
(4)根據以上實驗和樣品中的成分可知，暖貼的發熱原理是鐵粉與空氣中的氧氣和水蒸氣發生作用，發生緩慢氧化，放出熱量。
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(5)向鐵粉中直接加入少量水，并用手揉捏混合，并沒有明顯的發熱，說明此時反應的效率不高，氧化速率較慢，放出的熱量較少；原料中除鐵粉外，還有蛭石、活性炭、氯化鈉和水，其中蛭石是一種鐵鎂質鋁硅酸鹽，是保溫材料，同時使鐵粉蓬松，保持透氣；活性炭具有很強的吸附能力，可以與氯化鈉一起增大暖貼的發熱速率。
(6)根據題意，無紡布袋用來裝發熱原料，透氣性能較好，可以使空氣與原料接觸，所以可以控制無紡布袋微孔透氣膜孔的大小，從而控制透氧的速率。
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(7)暖貼可以在較短的時間內放出大量的熱，所以在使用時注意不能氧化速率太快，防止放熱過多導致燙傷；同時在使用前注意密封保存。
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