化学发热材料的奇妙应用
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
生石灰
醋酸钠溶液
铁粉等
温度（100g材料）
可达到100℃左右，升温快速，热量大，易灼伤皮肤
50℃左右，升温快速，热量较低
50℃左右，升温快速，热量较低
持续时间
3min后温度有所下降，总体保温40min左右
35min左右
12h~20h
价格
1kg 0.38元
1kg晶体50元
1包约100g左右，成本只需0.15元
能否循环使用
不能
能
不能
是否方便携带
发热会膨胀，体积较大，不太方便
较方便
方便
使用方法是否简单
简单
较麻烦
方便
主要用途
加热食品、水；取暖等
医学热敷；取暖等
医学热敷；取暖等
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。
北方发明了一种防寒鞋。它在鞋的前鞋膛内设有生热腔，在生热腔内装有生热袋，在鞋后跟部有进气孔，进气孔内侧有活塞、气腔、气囊。随穿着者的脚起脚落，使空气进入鞋腔内使生热袋发热，温度基本控制在25℃~38℃之间，累积可持续85小时~100小时。使用过后，可随时将鞋内的生热袋取出，更换新的生热袋，即可继续使用。如果需要更高一点温度，可在后热袋上用缝纫针扎若干个小孔便可达到目的。
还有一种自发热耳包，包括耳包梁和左右两侧装有贴耳垫的耳包壳体，其特点是壳体外侧装有气窗孔的气窗门，壳体对应地开有气孔，通过开合推拉钢丝控制气窗门使两气孔开关从而调节空气量，壳体向耳侧方向依次装有衬里、自发热袋、贴耳垫和远红外线布垫，并由卡簧和压圈固定。这种耳贴具有可连续长时间提供热量的优点，适用于寒冷地区从事室外作业及冰上雪上体育活动。
防寒鞋和发热耳包是利用了铁粉发生缓慢氧化反应放出热量的原理制成的。
（2）食品加热
近来，一种带自热自冷装置的新型金属易拉罐诞生了。当开动启用开关，即发热（制冷）加热（冷却）容器中食品。同时，食品容器密封腔产生膨胀压力，腔内气腔排气减压，数分钟后，即可享受热食品（冷饮品）。不论何时何地，不论气候条件如何，哪怕冰天雪地、长途旅游均可按需要任选食用。这是利用了生石灰与水反应放热的原理。
在冬天外出工作、上学，从家里自带午饭，装在利用这个原理制成的饭盒中，每次使用只需更换发热剂，即可随时享用热腾腾的饭菜了。
（3）不用电的电器
现在，有种不用电的熨斗，熨斗内装有生石灰，灌水30秒后，熨斗温度可达100℃左右，可使用10分钟，更换发热体后可再次使用。
五、前景展望
现在市面上的各种发热材料，有的使用起来并不环保。如CaO的制取需高温煅烧石灰石，在此过程中需消耗掉大量的煤，不仅会产生有毒气体，污染空气，还会生成大量的CO2，令地球的温室效应进一步恶化。如果可利用太阳能把石灰石分解CaCO3太阳能CaO+CO2↑，把CO2制成干冰，而且把CaO用作发热材料，实现环保制造CaO以及对盛放CaO的用具进行合理设计后，CaO可更大量普遍地应用在平民百姓的生活中，而不会污染环境。
“暖手蛋”中的醋酸钠溶液结晶时发热后，35分钟后就变冷，回家后要煮热，下次才可用。使用起来不太方便，而且使用燃料不利于环保，如果把“暖手蛋”的外包装改成空气夹层，就可延长发热时间，再利用太阳能热水浸泡“暖手蛋”令其变回液体，以便重复使用。那就实现了把太阳能以热能的形态储存起来，什么时候想用都行，而且每次带上四五个在身边，非常实用。
目前，市场上的一些医疗用的一次性热敷袋的价格是每个20元左右，对于普通百姓而言较为昂贵，未能在生活中普遍使用，发热耳包和防寒鞋，也未能普及。所以对各种热敷、暖水袋的制作技术与配方需进一步研究及降低成本，使其真正做到用之于民。
另外，我们大胆地设想，在手套、衣服、围巾、鞋垫、被褥、坐垫、玩具甚至汽车座椅上使用化学发热材料，外出时可以随时随地用化学发热材料给病人热药，给婴儿热奶，冬天运输热带鱼时用于保持水温，防止汽车水箱结冰……相信不久的将来，化学发热材料会更大量更普遍地出现在人们的生活中，也许只需摁一个按钮，就给你的生活带来一份温暖、一份呵护。
（作者学校：花都区邝维煜中学 指导老师：陈雪薇）
点评：
早期应用于军事领域的化学发热材料已逐渐渗透到医疗保健和人们的日常生活之中。花都区邝维煜纪念中学课题小组的同学通过对几种常用化学发热剂反应原理的研究以及应用介绍，帮助人们增加了对化学发热材料的认识。
研究小组的同学在查阅资料过程中，拓展了自己的知识面，学会了如何收集、整理、分析和利用信息；在探究发热剂发热原理的实验中，学会了如何设计实验方案、如何记录实验现象及如何进行实验分析，提高了动手实验的能力；在选取研究内容过程中，学会了关注身边的化学现象和化学问题，进一步认识到了化学、社会与生活之间的密切联系，切身感受了化学对改善人类生活和促进社会发展所起到的重要作用，激发了同学们学习化学的兴趣，也增强了学好化学的自信心。（孙力克）
来源:52zhizuo/thread-1598-1-1.html
