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跨学科实践活动7 揭秘“暖宝宝”
体验探究
1．A [铁粉是由铁元素组成的纯净物，属于单质，活性炭的主要成分是碳，属于混合物，A错误；暖宝宝中加入稀硫酸，铁和稀硫酸反应生成硫酸亚铁和氢气，会产生气泡，B正确；铁与氧气和水接触会发生锈蚀，铁生锈放热，则暖宝宝发热的原理主要是利用铁生锈放热，C正确；内袋使用透气材料的原因是使袋内的物质与氧气接触，D正确。]
2．C [铁的锈蚀是缓慢氧化，此反应过程中会放出热量，因此“暖宝宝”发热原理是Fe粉与H2O、O2反应，A正确；由图示信息可知，装置内的氧气的浓度逐渐降至较低浓度，因此Fe粉可用作食品脱氧剂，B正确；封装“暖宝宝”的外包装袋应选不透水、不透气的材料，这样才能保证“暖宝宝”不失效，C错误；“暖宝宝”中的铁粉是粉末状的，能快速放热，铁钉生锈需较长时间，说明反应物的状态是影响反应速率的因素之一，D正确。]
3．A [暖宝宝的发热原理主要是铁生锈的过程，是铁和氧气、水蒸气等发生化学反应的过程(缓慢氧化)，A错误；铁锈的主要成分是氧化铁，为红棕色固体，因此铁生锈过程能够观察到部分固体变为红棕色，B正确；酸性物质或盐类能够加快金属锈蚀，氯化钠属于盐，因此能促进反应，加快铁的锈蚀，C正确；粉末状的铁粉能更快发生锈蚀，是因为增大了铁与氧气、水蒸气的接触面积，有利于产品发热，D正确。]
4．C [该实验是测定空气中氧气的含量，该反应中有氧气参加反应，涉及压强的变化，实验前必须检查装置的气密性，故A说法正确；若测得空气中氧气含量偏低，可能是发热剂不足，不能将氧气全部消耗掉，故B说法正确；实验后从量筒中进入瓶中的水的体积为46 mL，即为消耗氧气的体积，则本次实验测得空气中氧气的体积分数为×100%＝20%，故C说法错误；若没有等装置冷却至室温再读数，剩余气体受热膨胀，进入瓶中的水的体积偏小，导致最终测定结果偏小，所以为了使结果准确，必须等温度计的读数恢复至实验前的温度后，才能记录量筒内剩余水的体积，故D说法正确。]
5．D [暖宝宝的发热是利用铁生锈放热，属于放热反应，A正确；根据图2可知，最终氧气浓度减小到 0，说明足量的暖宝宝原料能将氧气完全消耗，B正确；氧气被消耗，且不产生其他气体，装置内压强会减小，反应放热温度升高，气体体积膨胀，装置内压强会增大，根据图像，反应过程中压强几乎不变，证明因氧气消耗造成的压强减小量与温度升高造成的压强增大量相等，C正确；该反应消耗了空气中的氧气，空气中除了氧气外还有其他气体，冷却到室温，装置内的压强不会减小到 0，D错误。]
6．解析：(1)Fe3O4也可以被磁铁吸引，所以取一个磁铁靠近未使用的暖宝宝粉末中，发现有黑色固体被吸引，不能确定该物质一定含有铁粉。
(2)根据结论：“暖宝宝”中有铁粉，故铁粉用酒精灯点燃的现象为粉末剧烈燃烧，火星四射，放出大量热，生成黑色固体。根据结论：“暖宝宝”中有铁粉，结合现象：产生无色气泡，溶液变为浅绿色。已知铁与酸反应生成氢气和亚铁盐，亚铁盐呈浅绿色，所以实验步骤为取少量粉末，加入稀盐酸(或稀硫酸)；
铁丝在空气中不能燃烧，铁粉在空气中却可以燃烧，是因为铁粉与空气中氧气的接触面积更大。
(3)铁粉可以与空气中的水蒸气和氧气发生缓慢氧化反应生成铁锈，铁锈的主要成分是氧化铁，所以发热后的“暖宝宝”主要产物为Fe2O3。
(4)①使用后的“暖宝宝”中含有氧化铁，氧化铁与一氧化碳在高温的条件下反应生成铁和二氧化碳，化学方程式为Fe2O3＋3CO2Fe＋3CO2；
②由题图分析可知滤渣1中含有铁、铝和氧化镁，加入足量的稀硫酸，铁与硫酸反应生成硫酸亚铁和氢气，铝与硫酸反应生成硫酸铝和氢气，氧化镁与硫酸反应生成硫酸镁和水，所以滤液1中含有硫酸亚铁、硫酸铝、硫酸镁和剩余的硫酸，加入足量的锌，锌能与硫酸反应生成硫酸锌和氢气，与硫酸亚铁反应生成硫酸锌和铁，不与硫酸镁和硫酸铝反应，所以滤液2中含有硫酸锌、硫酸镁和硫酸铝，化学式为ZnSO4、MgSO4、Al2(SO4)3。
(5)由分析可知滤渣2中含有锌和铁，加入一定量的AgNO3溶液，锌和铁都能与硝酸银反应，且锌先与硝酸银发生反应生成硝酸锌和银，铁后与硝酸银反应生成硝酸亚铁和银；充分反应后过滤，将所得滤渣放入稀盐酸中有气泡产生，说明滤渣中一定含有铁，铁剩余，可能是锌过量，此时硝酸银被锌完全反应掉，滤渣为锌、铁和银的混合物，加酸能产生气泡，此时滤液中只含有硝酸锌；或锌适量，硝酸银和锌恰好完全反应，滤渣为铁和银的混合物，加酸能产生气泡，此时滤液中只含有硝酸锌；或锌少量，铁过量，硝酸银被铁完全反应掉，滤渣为铁和银，加酸能产生气泡，此时滤液中含有硝酸锌和硝酸亚铁。所以一定发生的反应为锌与硝酸银反应生成硝酸锌和银，滤液中一定含有硝酸锌。
答案：(1)Fe3O4也可以被磁铁吸引
(2)黑 稀盐酸(或稀硫酸) 铁粉与空气中氧气的接触面积更大
(3)Fe2O3
(4)①Fe2O3＋3CO2Fe＋3CO2
②ZnSO4、MgSO4、Al2(SO4)3
(5)Zn(NO3)2
7．解析：(1)操作一中用磁铁吸引暖贴中的粉末，有大量黑色物质被吸引，该物质是铁粉；取足量的铁粉加入稀盐酸，铁能和稀盐酸反应，生成氢气和氯化亚铁，所以能观察到有气泡生成，溶液由无色变为浅绿色；铁的活动性比铜强，能置换出铜盐溶液中的铜，所以加入硫酸铜溶液后，会有红色的铜单质生成，同时溶液由蓝色变为浅绿色。
(2)铁与空气中氧气反应后能生成四氧化三铁，而四氧化三铁具有磁性，也能被磁铁吸引，不能证明被吸引的就是铁单质。
(3)样品中有铁粉和活性炭，而活性炭粉在燃烧时也会发出火星四射的现象，根据结论不能证明铁粉存在，说明是燃烧活性炭粉末后也出现该现象，故操作是取活性炭粉，用棉花球包裹，置于酒精灯上点燃；现象：火星四射。
(4)根据以上实验和样品中的成分可知，暖贴的发热原理是铁粉与空气中的氧气和水蒸气发生作用，发生缓慢氧化，放出热量。
(5)向铁粉中直接加入少量水，并用手揉捏混合，并没有明显的发热，说明此时反应的效率不高，氧化速率较慢，放出的热量较少；原料中除铁粉外，还有蛭石、活性炭、氯化钠和水，其中蛭石是一种铁镁质铝硅酸盐，是保温材料，同时使铁粉蓬松，保持透气；活性炭具有很强的吸附能力，可以与氯化钠一起增大暖贴的发热速率。
(6)根据题意，无纺布袋用来装发热原料，透气性能较好，可以使空气与原料接触，所以可以控制无纺布袋微孔透气膜孔的大小，从而控制透氧的速率。
(7)暖贴可以在较短的时间内放出大量的热，所以在使用时注意不能氧化速率太快，防止放热过多导致烫伤；同时在使用前注意密封保存。
答案：(1)有气泡生成，溶液由无色变为浅绿色 有红色固体生成，溶液由蓝色变成浅绿色
(2)四氧化三铁也有磁性
(3)操作：取活性炭粉，用棉花球包裹，置于酒精灯上点燃；现象：火星四射
(4)铁粉(在氧气和水的作用下)发生缓慢氧化放热
(5)氧化速率慢，单位时间内放热太少 活性炭
(6)无纺布袋微孔透气膜孔的大小
(7)氧化速率也不能太快，单位时间内放热过多会导致烫伤，或在使用前注意密封保存
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揭秘“暖宝宝”
1．活动目标：探究暖宝宝中各成分的作用，加深对金属锈蚀原理的认识；动手制作暖宝宝并与市售产品对比，感受工艺技术对提升产品性能的重要意义；体验运用所学知识探究事物原理的乐趣，增强好奇心和求知欲。
2．实验探究：了解“暖宝宝”的几个构成部分的作用；了解发热物质的组成；设计实验探究发热原理。
3．制作作品：应用上述原理，从实际需求出发，小组合作动手制作简易暖宝宝，并设计检测手段检测自制的暖宝宝的制暖效果。通过多轮次的“设计—行动—反思”对简易暖宝宝进行试验和优化。
4．作品发布：小组展示、交流和评价制作的简易暖宝宝。反思和总结简易暖宝宝制作的经验，提炼解决作品制作类问题的思路与方法。
1．一种“贴身暖宝宝”贴的标签如图所示，下列说法错误的是( )
品名：××牌贴身暖宝宝
[成分]袋内物质：铁粉、水、活性炭、食盐等
内袋材料：微孔透气无纺布
外袋材料：不透气塑料
[用法]临使用前，打开外袋取出内袋，直接贴在衣服上，打开外袋后保持温暖12小时
A．铁粉和活性炭都属于单质
B．暖宝宝中加入稀硫酸会产生气泡
C．暖宝宝发热的原理主要是利用铁生锈放热
D．内袋使用透气材料的原因是使袋内的物质与氧气接触
2．铁生锈的原理能用于制作“暖宝宝”。某“暖宝宝”的成分为铁粉、蛭石(保温作用)和吸水性树脂、食盐、活性炭。探究小组利用如图装置进行探究，实验结果如图。下列说法错误的是( )
A．“暖宝宝”发热原理是Fe粉与H2O、O2反应
B．由O2浓度变化推测，Fe粉可用作食品脱氧剂
C．封装“暖宝宝”的外包装袋应选透水、透气的材料
D．“暖宝宝”能快速放热，铁钉生锈需较长时间，说明反应物状态是影响反应速率的因素之一
3．“暖宝宝”常用于贴近皮肤的取暖，它的发热剂中含有铁粉、氯化钠、炭粉，该产品使用时能快速发热。下列有关分析错误的是( )
A．炭粉逐渐燃烧放热
B．使用后粉末会变色
C．氯化钠能促进反应
D．粉末状产品有利于发热
4．暖宝宝贴中的发热剂是铁粉、水和食盐等，发热剂能代替红磷测定空气中氧气含量。实验开始前装置如图所示，集气瓶的容积为250 mL，瓶内有20 mL 水，量筒中有100 mL水。实验后从量筒中进入瓶中的水的体积为46 mL (铁粉锈蚀消耗的水忽略不计)。下列叙述错误的是( )
A．实验前一定要检查装置的气密性
B．若测得空气中氧气含量偏低，可能是发热剂不足
C．本次实验测得空气中氧气的体积分数为18.4%
D．必须等装置冷却至室温后，才能记录量筒内剩余水的体积
5．用图1所示装置对暖宝宝(主要成分有铁粉、水、活性炭、食盐等)的发热过程进行探究，传感器获得图2和图3所示的实验数据。下列说法错误的是( )
A．暖宝宝的发热是一种放热反应
B．由图2可知，足量暖宝宝原料发热过程能消耗掉瓶中全部氧气
C．图3表明，瓶内氧气减少造成的压强减小量与温度升高造成的压强增大量相等
D．装置冷却至室温，图3中的曲线会逐渐降低至0
6．某化学兴趣小组对于“暖宝宝”这一产品展开了项目式研究。
资料卡：①Fe3O4为磁铁矿的主要成分，可以被磁铁吸引；
②“暖宝宝”中除了主要成分外，还含有蛭石、吸水树脂、氯化钠、活性炭等辅助成分，其中蛭石是高效的保温材料，吸水树脂具有很强的吸水功能，活性炭能够加快反应速率；
③蛭石是一种自然界的矿石，其主要成分包含：硅酸盐、MgO、Fe2O3、Al2O3等。
任务一：探究“暖宝宝”的成分
(1)该小组取一个磁铁靠近未使用的暖宝宝粉末中，发现有黑色固体被吸引，于是得出结论：“暖宝宝”中含有铁粉，有同学认为该方案不合理，原因是_____________________________________________________________________
_____________________________________________________________________。
(2)为了证明“暖宝宝”中有铁粉，该小组又设计了如下实验，请完善表格：
序号 实验方案 现象 结论
Ⅰ 取少量粉末，用酒精灯点燃 粉末剧烈燃烧，火星四射放出大量热，生成______色固体 “暖宝宝”中有铁粉
Ⅱ 取少量粉末，加入________(填写一种试剂) 产生无色气泡，溶液变为浅绿色
铁丝在空气中不能燃烧，铁粉在空气中却可以燃烧的原因是_____________________________________________________________________。
任务二：探究“暖宝宝”的发热原理
(3)兴趣小组查阅资料得知，“暖宝宝”的原理为其中的铁粉可以与空气中的水蒸气和氧气发生缓慢氧化反应，发热后的“暖宝宝”主要产物为________(填化学式)。
任务三：“暖宝宝”的回收利用
(4)该小组利用发热后的“暖宝宝”开启一系列实验探究，将粉末进行相关处理后，进行了如下的物质转化过程：
①请写出过程Ⅰ的化学方程式__________________________________________
_____________________________________________________________________。
②分析滤液2中含有____________________(填化学式)。
(5)该小组又针对“滤渣2”开启探究：向滤渣2中加入一定量的AgNO3溶液，充分反应后过滤，将所得滤渣放入稀盐酸中有气泡产生，则滤液里一定含有________。
7．热能是人类生活中经常使用的能量。某化学实验探究小组查阅了常见市售暖宝宝的说明书，并进行如下的探究实验。
暖贴组成：
1．外包装袋：使用前隔绝空气，使原料不发生反应。
2．离型纸：贴在明胶上保护明胶，使明胶不会粘到外包装袋。
3．明胶：用来使暖宝宝粘贴在衣服上，能粘贴牢固却不污损衣物。
4．无纺布袋：采用微孔透气膜制作，用来装发热原料。特点是均匀不漏，透气性能较好。
5．原料：即发热材料，由多种成分组成：铁粉、蛭石、活性炭、氯化钠、水
【探究活动一】如何证明铁粉的存在？
查阅资料：
Ⅰ．四氧化三铁，化学式为Fe3O4，俗称氧化铁黑、磁铁、吸铁石、黑氧化铁，是一种具有磁性的黑色晶体。
Ⅱ．活性炭是一种黑色多孔的固体炭质，表面积大，具有很强的吸附性能，是用途极广的一种吸附剂。
Ⅲ．蛭石是一种铁镁质铝硅酸盐，是保温材料，同时使铁粉蓬松，保持透气。
进行实验：
(1)
实验操作 实验现象
操作一：用磁铁吸引“暖贴”中的粉末 有大量的黑色物质被吸引
操作二：将样品用棉花球包裹，置于酒精灯上点燃 火星四射
操作三：取足量分离出的粉末于试管中，分别加入少量稀盐酸和少量硫酸铜溶液 与稀盐酸反应_________________________ _____________________________________ 与硫酸铜溶液反应______________________ ______________________________________
反思评价：
(2)小明认为操作一不能证明铁粉的存在，原因是_____________________________________________________________________。
(3)小方课后又针对操作二做了对照实验，发现也不能证明铁粉存在，请写出小方的操作及现象__________________________________________________。
(4)结合以上实验，暖贴的发热原理是__________________________________。
【探究活动二】如何控制暖贴发热速率？
(5)小组同学取2勺铁粉于无纺布袋中，滴加少量清水，用手揉捏混合，发现并无明显发热情况，原因是______________________________________________。
原料中的________和氯化钠可以增大暖贴的发热速率。
实验反思：
(6)通过控制包装中的________，可以控制透氧的速率，不至于反应升温太快，还可以延长发热时间。
(7)从使用安全角度考虑，还应该注意什么问题
___________________________________________________________________。
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