吳梅芬，王曉崗，許新華

熱成像技術在化學實驗教學中的應用

吳梅芬，王曉崗，許新華

（同濟大學 化學科學與工程學院，上海 200092）

將智能手機熱成像儀用于化學實驗教學中。FLIR One Pro系列熱成像儀可以直接觀察某些物理、化學過程的熱運動和熱現(xiàn)象，比如結晶過程、蒸發(fā)過程和金屬微顆粒陰燃過程等。實驗項目實施表明，這類儀器的性能完全可以滿足化學實驗教學需要，學生用這種方法可以通過手機對肉眼不可見的現(xiàn)象進行直接觀察。

熱成像；智能手機配件；化學實驗教學

1 熱成像與熱成像儀

物質(zhì)變化過程中的熱運動和熱現(xiàn)象是科學研究的重要內(nèi)容，也是理工科基礎教育的重點之一。熱運動和熱現(xiàn)象來源于體系溫度的不均勻分布與變化，在實驗室中主要依靠溫度測量的方法進行研究，通常使用的儀器是各類溫度計或溫度傳感器。熱是非實體性的能量傳遞方式，采用定點接觸式的溫度測量方法往往無法獲得全景式的變化過程。比如有文獻報道說，一杯飽和食鹽水放置一段時間后，會形成上下分布的溫度梯度[1]，這個現(xiàn)象如果采用溫度計很難進行研究和表征。在科學實驗教學中，類似的現(xiàn)象和過程還有很多，貌似司空見慣，細究下來往往出人意料，而且蘊含深刻的科學道理。在上述飽和食鹽水的例子中，溫度梯度就是由表面水蒸發(fā)吸熱與食鹽結晶放熱共同作用，以及重力導致的鹽濃度上下分布不均勻造成的，將這種現(xiàn)象呈現(xiàn)出來所采用的方法，就是非接觸式的全景式熱成像技術。

熱成像也稱為紅外成像，是一種利用物體輻射的紅外線進行成像的技術方法[2]。溫度在絕對零度之上的所有物體都會輻射熱量，熱輻射的波長比可見光的波長更長，人類肉眼無法直接看到物質(zhì)的熱運動和熱現(xiàn)象。紅外熱成像技術利用紅外探測器和光學成像物鏡接收被測目標的紅外輻射，將溫度分布反映到紅外探測器的光敏元件上，從而獲得紅外熱像圖。這種熱像圖與物體表面的熱分布場相對應，物體局部溫度越高，發(fā)射的紅外輻射能就越強。紅外熱成像儀可在熱圖像或熱視頻上進行溫度計算，具有精確的非接觸式溫度測量能力，這與日常使用的、必須緊密接觸被測物體的溫度計及溫度傳感器不同。紅外熱成像儀在工程領域[3-5]和醫(yī)療領域[6-8]應用較多，在實驗室工作和教學中也有零星報道[9-10]，但是由于熱成像儀價格昂貴、操作復雜，其在實驗教學中的大規(guī)模普及應用受到限制。

隨著數(shù)碼科技和微系統(tǒng)技術的快速進步，目前已經(jīng)出現(xiàn)了與智能手機配套的熱成像儀產(chǎn)品，例如美國菲力爾公司的FLIR One系列手機熱成像儀[11]，并且已有將該產(chǎn)品用于實驗室安檢方面的報道[12]。紅外熱成像儀價格迅速下降，當前國內(nèi)最新型號的FLIR One Pro手機熱成像儀的市場零售價格約為3500元人民幣，國際上已降到200美元以下，與普通的實驗教學儀器價格相當，完全可以作為普通實驗教學設備引入。本文擬通過幾個教學案例，驗證手機熱成像儀在化學實驗教學中的應用潛力。

2 教學案例設計

以下3個教學案例，分別涉及晶體結晶過程、溶液組成和揮發(fā)速率以及微顆粒的化學反應。

2.1 過飽和乙酸鈉溶液的結晶放熱過程

過飽和乙酸鈉溶液的結晶放熱過程是經(jīng)典的化學演示實驗項目，俗稱“熱冰實驗”[13-14]。該實驗主要演示晶體結晶過程，用于展現(xiàn)有悖于生活常識的“瞬間凝結為熱冰”現(xiàn)象，說明焓變與熵變對變化過程的影響。過飽和乙酸鈉是暖手寶的主要材料，結晶過程會釋放大量的熱，以往實驗主要通過實驗者的觸感來了解和體會，本實驗擬用熱成像儀實時記錄結晶過程中的熱運動情況。

實驗步驟：將50 g的無水乙酸鈉和30 mL蒸餾水在f9 cm的蒸發(fā)皿中加熱，直至乙酸鈉完全溶解。在室溫下冷卻，用FLIR熱成像儀拍攝過飽和乙酸鈉溶液冷卻過程。

2.2 氯化鉀溶液的揮發(fā)吸熱過程

溶液理論的兩個重要的實驗基礎是拉烏爾定律和亨利定律[15]，前者主要描述溶質(zhì)濃度對溶劑蒸氣壓的影響，后者描述溶質(zhì)蒸氣壓對溶質(zhì)溶解度的影響。在實驗教學中，對溶液性質(zhì)的研究主要是通過測定氣液平衡的-相圖進行，很少涉及-相圖的測定，因為溶劑分壓的控制與測量是比較精密復雜的實驗技術，一般教學實驗室很難達到。因此，拉烏爾定律作為溶液理論的基礎，目前尚未見到簡單易行且教學效果明顯的實驗驗證手段。本實驗擬通過熱成像儀對溶液揮發(fā)過程的降溫效應進行可視化觀察。

實驗步驟：分別準備蒸餾水（溶液1）、KCl溶液（溶液2，用水和飽和KCl溶液等體積混合）以及飽和KCl溶液（溶液3）。用3根液相進樣器分別精確吸取1、2、3號溶液各20mL，然后同時注射到定性濾紙的不同位置上，用FLIR熱成像儀拍攝其蒸發(fā)過程。

2.3 金屬微顆粒在空氣中的陰燃

2.3.1 實驗內(nèi)容

金屬微顆粒是指微米尺寸以下的金屬顆粒物，具有很高的化學反應活性和催化活性[16-17]，能夠在空氣中被引燃，某些場合大量金屬微顆粒聚集會引發(fā)粉塵爆炸等惡性事故[18]。金屬微顆粒在空氣中的陰燃是重大危險性事故的初始階段，但是由于單個金屬微顆粒體積小，釋放熱量也非常微小，常規(guī)觀察手段往往無法觀測鑒別由此導致的溫度變化。本實驗擬通過熱成像儀對鐵、鈷、銅3種金屬的微顆粒在空氣中自發(fā)陰燃過程進行跟蹤拍攝。

2.3.2 實驗步驟

（1）草酸亞鐵制備。在2個燒杯中分別加入14.0 g硫酸亞鐵銨/80 mL水和4.5 g草酸/20 mL水，將燒杯放入溫水浴中加熱、攪拌，使固體完全溶解，趁熱將兩溶液混合，攪拌直至冷卻至室溫。減壓過濾，用水及乙醇依次洗滌沉淀，所得黃色粉末干燥后備用。

（2）草酸鈷制備。向9 g六水合硝酸鈷加入60 mL水和1滴1∶1硫酸溶液，攪拌溶解，得到A溶液。向4 g草酸加入70 mL水，攪拌溶解，并滴加1∶1氨水使pH在4~5之間，得到B溶液。將A溶液加熱到約60 ℃，在不斷攪拌下逐滴（每分鐘約3 mL）加入B溶液，所得產(chǎn)物在60 ℃靜置30 min。傾泌去上層清液，用60 ℃蒸餾水30 mL洗滌沉淀，靜置后泌去上層清液，重復2次。減壓過濾。所得沉淀依次用10 mL的60 ℃蒸餾水洗滌2次，用7 mL無水乙醇洗滌2次，最后用7 mL丙酮洗滌后抽干。所得粉紅色沉淀在60 ℃烘干30 min，冷卻后置于干燥器中備用。

（3）草酸銅制備。在兩個燒杯中分別加入9 g五水合硫酸銅/80 mL水和4.5 g草酸/20 mL水，將燒杯放入溫水浴中加熱、攪拌，使固體完全溶解，趁熱將兩溶液混合，攪拌直至冷卻至室溫。靜置后泌去上層清液，所得沉淀分別用50 mL蒸餾水洗滌2次，用50 mL無水乙醇洗滌2次，最后用50 mL丙酮洗滌1次，用離心分離（4000 rpm）得到淺藍色粉末，干燥后備用。

（4）金屬鐵微顆粒制備與陰燃。將草酸亞鐵與石墨粉按1∶3（質(zhì)量比）的比例混合均勻。取總質(zhì)量約1 g的混合物加熱至400 ℃，保溫10 min使草酸亞鐵完全分解，然后自然冷卻至室溫，整個過程均置于流動氮氣氛保護之下。將冷卻至室溫的黑色固體粉末快速撒在石棉網(wǎng)上，用FLIR熱成像儀拍攝金屬鐵微顆粒的陰燃過程。

對金屬鈷與金屬銅微顆粒陰燃過程的觀察方法與此類似，金屬銅微顆粒制備過程中不需要使用石墨粉。

3 實驗結果與討論

3.1 過飽和乙酸鈉溶液的結晶放熱過程

晶體的結晶是放熱過程，但是在此之前，這一常識性認識并沒有一種目視直觀的方法可以展示出來。在學生實驗中注重觀察晶體生長的過程、形態(tài)、數(shù)量等，而對于“熱”這種無形的變化則往往無能為力，即便使用溫度測量儀器，也無法對一根結晶枝條的溫度進行測量，很多時候學生只能通過觸感來了解結晶過程的熱量釋放。

紅外熱成像技術能夠很好地解決這個問題。圖1中1#—5#圖片是過飽和乙酸鈉結晶過程的紅外熱圖像，6#圖片是乙酸鈉結晶后的可見光照片。紅外熱圖像用不同顏色標示溫度，圖1左側給出了本次實驗所用的溫度顏色標尺。根據(jù)溫度色標可以看出，當過飽和溶液的溫度降低至室溫附近時（藍灰色背景），在容器壁的不同位置開始出現(xiàn)暗紅色塊狀物，并且向溶液中延伸出暗紅色的枝條，同時通過目視觀察確認這些團塊和枝條正是乙酸鈉的結晶體。伴隨枝條生長不斷延伸的暗紅色，表明結晶體及周邊溶液的溫度明顯升高，顯示出結晶過程的放熱效應。圖1中6#圖片顯示乙酸鈉固體是白色透明的針狀結晶，也就是說在可見光目視觀察下，乙酸鈉的結晶過程始終只是單調(diào)的黑白圖像，而在熱圖像中，這個結晶過程呈現(xiàn)出多種色彩，且不斷變化，非常直觀地表現(xiàn)出結晶放熱的特點，尤其是能夠顯示出每一根晶體枝條生長過程中始終伴隨的熱效應，這是一般的目視觀察、溫度測量或量熱法測量無法做到的。

圖1 過飽和乙酸鈉結晶過程的熱圖像序列及結晶體照片

3.2 氯化鉀溶液的揮發(fā)吸熱過程

在肉眼觀察之下，許多不同的事物及其變化過程的差異是無法清晰分辨的，比如把一滴水和一滴鹽水滴在紙上，肉眼是看不到什么差別的。實驗中將純水（溶液1）、不飽和KCl溶液（溶液2）和飽和KCl溶液（溶液3）各20mL同時滴到濾紙上，目視觀察只能看到3塊模糊的水斑，根本不可能區(qū)分這3種不同的溶液。但是在紅外相機的鏡頭下，一切都變得神奇起來。圖2是滴加液體后不同時間濾紙的熱像圖。可以看到，濾紙和液體的初始溫度都處于室溫附近（12.6 ℃左右）。一段時間后，3個液斑在紅外熱圖像上開始顯現(xiàn)出由紅?黃?綠?藍的顏色變化。根據(jù)圖2右側的色溫標尺，說明這3個液斑的溫度都逐步降低，其中純水的溫度降幅最大、降溫速率最快，而飽和KCl溶液的溫度降幅最小、降溫速率最慢。液斑溫度降低是由液體蒸發(fā)吸熱過程導致的，在這3個溶液中，都只有溶劑水是揮發(fā)性的，溶質(zhì)KCl不存在蒸發(fā)吸熱效應，因此3個液斑降溫幅度與速率的差異，實際上反映了溶質(zhì)數(shù)量對溶劑蒸氣壓的影響，溶質(zhì)含量越高，溶劑上方的蒸氣壓越低，溶劑蒸發(fā)速率越慢，液面溫度降幅越小。這個現(xiàn)象與拉烏爾定律或亨利定律有關，但一般實驗驗證這兩個定律需要通過精細的壓力測量才能完成，對實驗者的專業(yè)能力要求也比較高。本實驗通過熱成像儀觀察溶液的液面溫度變化，比較直觀地反映了溶液濃度與溶劑揮發(fā)數(shù)量的關系。

下：溶液1；右上：溶液2；左上：溶液3

3.3 金屬微顆粒在空氣中的陰燃

納米科技是化學的重要發(fā)展方向之一。物質(zhì)顆粒的尺寸越小，表面積越大，則化學反應活性也越大。金屬微顆粒一般是指微米尺度以下的金屬顆粒，具有非常大的反應性，甚至在空氣中能夠自發(fā)氧化和陰燃，有時會引起金屬粉塵爆炸等惡性事故。但對其反應活性的直接觀察一直沒有很有效的手段，常規(guī)的溫度測量方法也很難對單個金屬微顆粒進行探測，紅外熱成像技術很好地解決了這個問題。

圖3為金屬鐵微顆粒接觸空氣后自燃過程的熱圖像?？梢钥闯?，燃燒放熱非常劇烈，整個微顆粒團塊在紅外鏡頭下變成一團亮黃色，而此時在肉眼觀察中卻沒有任何明顯的火焰或顏色變化，因為黑色鐵粉與棕色氧化鐵的顏色區(qū)分度較小。

對于鐵、鈷等比較活潑的金屬，微顆粒團塊的陰燃放熱過多，會造成熱圖像上形成大片的高溫亮色區(qū)域，湮沒了個別微顆粒陰燃過程的細節(jié)。為了解決這個問題，實驗中可以把草酸鹽預先分散在石墨粉中，再進行熱分解，這樣就可以得到比較分散的金屬微顆粒，便于觀察陰燃過程的細節(jié)。圖4是制備得到的分散在石墨粉中的金屬鐵（上）和金屬鈷（下）微顆粒陰燃過程的熱圖像。可以看到，分散的金屬微顆粒陰燃過程中放熱較少，不會與其他微顆粒陰燃放熱的熱圖像疊加，因此可以非常清晰地觀察到一個微顆粒的紅外熱像由室溫變?yōu)辄S色、紅色（亮淺紅色）、再退回淺黃色（或橙色）的過程。表明在接觸空氣后，金屬鐵和金屬鈷微顆粒自發(fā)陰燃，溫度逐步升高，直至達到約200 ℃，然后反應結束，溫度再逐步降低。由于金屬微顆粒尺度非常小，即使有近200 ℃的溫度升幅，但是用溫度計或溫度傳感器對單一顆粒的溫度進行測量也是難以完成的。

圖3 金屬鐵微顆粒團塊陰燃過程的熱圖像序列

熱成像儀不僅對微小物體的溫度變化非常敏感，而且可以實時反映微小物體的微小溫度變化，從而反映微弱的化學反應熱效應。銅是一種不太活潑的金屬，室溫下大塊的銅并不會與空氣自發(fā)反應，但是如果把金屬銅分散為細小顆粒，由于表面能的增加，金屬的表面化學活性大大增強，有可能導致自發(fā)氧化反應。圖5是金屬銅微顆粒在空氣中陰燃的熱圖像，可以看到，微小的銅顆粒在空氣中能夠自發(fā)地發(fā)生氧化反應，放出微小的熱量，盡管只有幾個攝氏度的溫度升幅，但在熱圖像中依然能夠清晰地捕捉到銅顆粒陰燃過程中溫度由上升到下降的全過程。這種極其微小的化學反應熱效應，除了紅外熱成像技術外，很少有其他技術手段能夠實時快速地呈現(xiàn)出來。

圖4 分散在石墨粉中的金屬鐵微顆粒和金屬鈷微顆粒陰燃過程的熱圖像序列

圖5 金屬銅微顆粒陰燃過程的熱圖像序列

4 結語

科學研究工作中一直依靠有效的成像技術將一些不可見的事物變成肉眼可見，從而引導科學進步，例如借助顯微鏡和望遠鏡等儀器可以觀察細小的或遠距離的物體。一張圖像勝過千言萬語，學生借助于手機熱成像儀就能夠對不可見的熱運動和熱現(xiàn)象進行直接觀察。本實驗項目證明，F(xiàn)LIR One手機熱成像配件的靈敏度和精確性完全可以滿足化學實驗教學工作要求，且價格低廉，使用簡便，可以引入到大學實驗教學中。對熱現(xiàn)象的直接觀察可以大大加深學生對物理化學變化過程的理解，而且無論是教師還是學生，對于這種新的觀察角度下實驗結果的不確定性，都會產(chǎn)生進一步探究的興趣和動力。由學生反饋來看，對不可見世界的直接觀察與分析極大地豐富了他們的實驗體驗。

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Application of thermal imaging technology in chemistry experiment teaching

WU Meifen, WANG Xiaogang, XU Xinhua

(School of Chemical Science and Engineering, Tongji University, Shanghai 200092, China)

The intelligent phone thermal imaging instrument is applied in the chemistry experiment teaching. FLIR One Pro thermal imager can directly observe the thermal movement and thermal phenomena of some physical and chemical processes such as crystallization, evaporation and smoldering of metal particles, etc. The experimental results have proved that the performance of this kind of instrument can meet the needs of chemical experiment teaching, and students can directly observe the naked eye phenomenon by a mobile phone.

thermal imaging; smartphone accessories; chemistry experiment teaching

O64；O6-3

A

1002-4956(2019)12-0165-05

10.16791/j.cnki.sjg.2019.12.039

2019-04-04作者簡介:吳梅芬（1970—），女，上海，博士，高級工程師，主要從事物理化學實驗教學與管理。E-mail: wumf@#edu.cn

許新華（1967?），男，浙江黃巖，博士，副教授，主要從事物理化學及物理化學實驗的教學研究工作。E-mail: xxh01@#edu.cn