探究一次性医用输液加温器的成分
2012年11月份因为反复发烧、感冒来我到社区医院输液,可能由于天气比较冷输液没多长时间我就感觉到手臂发凉,而且感觉胳膊疼痛,我向医生说明了情况,医生给我拿了个绿色的小圆筒,并把输液器的输液导管缠绕在小圆筒的凹槽里,不一会我的胳膊的疼痛症状就缓解了,我很好奇就拿在手里摸了一下,结果发现小圆筒正在发热。我马上就想到这个小圆筒肯定是利用了化学反应缓慢放热,于是我就问医生这个小圆筒叫什么,他告诉我这是现在应用很广的医用输液加温器,然后他就问我怎么会对这个小玩意感兴趣,我告诉他我是一名化学教师,想研究一下这个加温器的成分是什么,他一听也来了兴趣说“好啊,等你研究好了告诉我一下,我也想知道他的原理,这样吧你把这个用过的拿走然后我再送你个新的让你来研究。”于是我拿着输液加温器来到学校先向我的师傅葛老师请教了一下它的可能的工作原理,葛老师说应该是铁粉和活性炭还有一些无机盐构成了原电池。说着我们把两个加温器的上盖打开对比了一下,果然如葛老师所说新的加温器主要是黑色粉末混合物,而使用过的加温器则掺杂了不少的红棕色的固体。
这学年我带的是高一的课,此时正好刚学完“铁及其化合物的性质”,我想何不将关于输液加温器的成分及其工作原理设计成一次探究活动呢,既可以巩固知识,又可以提高学生的学习兴趣。于是我把这一个未使用的和一个使用过的输液加温器以及从实验室借来的相关的实验用品带到班里并向学生说明了我的用意,学生一听马上表现出了浓厚的兴趣,我把两个加温器中的混合物倒在四张滤纸上(分成两大组,分别是未使用的和使用过的加温器的混合物),让同学们相互传着观察,并让他们猜其中可能的成分。同学们很积极也很认真地观察,并很快的发现了未使用的加温器的成分主要为一些黑色粉末,而使用过的加温器的主要成分则除了黑色粉末则存在大量的红棕色的固体。很快就有同学猜出加温器中的成分含有铁粉。我一看效果不错,就开始引导他们利用刚刚学习的“铁及其化合物的性质”来设计实验检验铁粉。
首先我提出:“我们怎么证明未使用过的黑色粉末中含有铁粉?”问题一出来,同学们就七嘴八舌的说开了:“可以用磁铁吸!”“可以让它与稀硫酸反应,看溶液的颜色……”于是我将同学们想到的方法一一写到了黑板上,并请了一名同学到前面按照上述方法进行试验操作。果然如同学们所猜想的那样磁铁上吸引了不少黑色的粉末,我让他取了一些粉末于试管中并滴加了过量的稀硫酸,可以看到试管中立即就产生了大量的气泡,待反应停止可以观察到溶液的颜色为浅绿色。接着我又提出问题:“溶液为浅绿色也不一定就含有Fe2+,怎么用化学试剂来证明溶液中一定含有Fe2+呢?”同样的很快就有同学想到了用氯水和KSCN溶液来检验。我又请了另一名同学上来做实验,他先向刚才的浅绿色溶液中滴加KSCN溶液,没有明显现象,再滴加氯水溶液立即变为血红色。同学们看到猜想得到了验证都表现的很兴奋,就连平时不太听课的同学也伸长了脖子看实验。
看到同学们的踊跃表现我决定继续引导同学们探究输液加温器中的其他成分,于是我自己取了适量的黑色粉末于试管中并向其中滴加了过量的稀硫酸,同时让同学们注意观察现象,同学们很快发现了问题——当反应进行到一定时间就停止了,而试管中仍然有大量的黑色粉末。于是我又提出了一个问题:“试管中剩余的不能与稀硫酸反应的黑色粉末可能是什么?”同样的问题一出来,同学们又七嘴八舌的说开了:“可能是碳粉,可能是MnO2……”我一听有了想要的答案就让同学们分组讨论设计实验证明此黑色粉末的可能成分。几分钟过去了,有的小组已经有了答案,于是我让他们派个代表告诉我讨论的结果。同学们很踊跃,纷纷举手说出了自己的意见——“可以将试管中剩余的黑色粉末过滤出来,分成两份,看其中一份能否燃烧,是否产生能使澄清石灰水变浑浊的气体,另一份则置于试管中并向该试管中滴加适量的H202,看是否产生能使带火星的木头复燃的气体。” “如果此黑色粉末为碳粉,我们并不好收集产生的CO2,我们该怎么操作来检验产生的CO2呢?”“将澄清石灰水涂在一只小烧杯的内壁,然后将小烧杯罩在燃烧匙的上方。”“可是酒精燃烧产物也是CO2,你怎么就确定CO2是碳粉燃烧产生的呢?””那就不在酒精灯上检验呗。”“那怎么办呢?”“不知道……”由于同学们的水平有限,我为同学们提供了个方案——在一个洁净的集气瓶中加入适量的澄清石灰水,让碳粉在其中燃烧,并用玻璃瓶盖上,看澄清石灰水是否变浑浊。方案设计好了,我就请两名同学同时来进行这组对比试验。结果黑色粉末能燃烧产生了可以使澄清石灰水变浑浊的气体,而另一组并没有产生可以使带火星的木头复燃的气体。于是同学们很确定地告诉我输液加温器中除了铁粉还有碳粉。
实验做到这里就有同学向我提出了问题:“铁粉和碳粉不是不能反应吗?为什么还要把它们混在一起装在加温器中?”其他同学也附和着“是呀,是呀……”我一看同学们充满了好奇,就对他们说:“这一部分知识要到下学期学习过原电池才能解决,可是同学们既然如此好奇我就简单的介绍一下吧。一次性输液加温器是利用铁氧化反应放热来发热。实际上也就是铁在潮湿空气中发生吸氧腐蚀。同时活性炭的具有很强吸附性的,在活性炭的疏松结构中储有水蒸气,水蒸气液化成水滴,流出与空气和铁粉接触,铁在自然条件下的氧化反应速度是缓慢,而铁粉、活性炭和食盐相接触就可以形成原电池。原电池一个重要的作用就是可以加快氧化还原反应的速率,这样铁粉就可以较为迅速的发生反应生成氢氧化铁,放出热量,得到加温器所需的温度,成为加温器的热源。”这时又有同学提出想知道化学反应方程式,于是我在黑板上写下了三个化学反应方程式:
2Fe + O2 + 2H2O=2Fe(OH)2 2Fe(OH)2 + 4H2O + O2=4Fe(OH)3 2Fe(OH)3 Fe2O3+3H2O
很多同学都拿出了笔记本把方程式抄了下来。看着同学们的学习热情如此高涨我想趁热打铁,又提出了个问题:“在刚才我所介绍的原理中我提到了在此原电池需要食盐也就是NaCl,我们又如何证明属于加温器中含有Cl-呢?”“用AgNO3溶液来检验,看是否产生不溶于稀硝酸的白色沉淀!”由于时间关系这个实验是我演示的,我取了少量的黑色粉末于试管中,向试管中滴加蒸馏水,可以观察到有大量的不溶于水的物质,接着我进行了过滤操作,向得到的滤液中滴加AgNO3溶液,立即产生了不溶于稀硝酸的白色沉淀。看到此现象同学们很兴奋,“产生了白色沉淀,加温器中含有Cl-!”
不知不觉,下课铃声打响了,同学们仍然处于兴奋的状态,全然没有平时上课时的沉闷气氛,很多同学都说;“老师,你应该多搞些这样的活动,不仅好玩,而且可以学到知识,回去我就可以向家人及同学炫耀我知道输液加温器的成分及原理。”听到同学们的这番话我也很有高兴,没想到自己的一次无心的发现竟然能够得到如此的收获。
在之后的教学中我一旦有什么和生活上联系很紧密的知识就搬到课堂上来,以此来提高学生学习化学的兴趣,收到的效果还是很不错的,我也会将这种教学方式一直坚持下去。