1. ОТДЕЛ ОБРАЗОВАНИЯ, СПОРТА И ТУРИЗМА КЛЕЦКОГО
РАЙИСПОЛКОМА
ГОСУДАРСТВЕННОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ОБРАЗОВАНИЯ
«КЛЕЦКАЯ СРЕДНЯЯ ШКОЛА № 1»
СЕКЦИЯ ХИМИИ
ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКАЯ РАБОТА
«Химические грелки»
(«Опасности замёрзнуть мы говорим: «НЕТ!»)
Выполнил:
Букато Кирилл Александрович
учащийся 8 «А» класса
ГУО «Клецкая средняя школа № 1»
Руководитель
Сельванович Майя Владимировна
222531, г. Клецк, ул. Победы, 99
Клецк, 2016 г.
1
2. ВВЕДЕНИЕ
2
ОГЛАВЛЕНИЕ
Введение……………………………………………………………………………………..
1
2
Глава 1. Использование химических грелок …………………………………………….. 4
1.1. Сферы применения…………………………………………………………………….. 4
1.2 Преимущества химических грелок ……………………………………………………
1.3. Почему следует использовать химическую грелку?...............................................
5
5
Глава 2. Исследование способов получения химических грелок. Экспериментальная
часть……………………………………………… 6
2.1. Подготовка к выполнению опытов экспериментальной части… 6
2.1.1.Организация экспериментальной части научно-исследовательской
деятельности ………………………………………………………………………………... 6
2.1.2. Эксперимент № 1…………………………………………………………………….. 7
2.1.3. Эксперимент № 2…………………………………………………………………….. 7
2.1.4. Эксперимент № 3…………………………………………………………………….. 7
2.2. Перспективы исследования……………………………………………………………. 9
Заключение………………………………………………………………………………….. 10
Список использованных источников……………………………………………………… 11
Приложение…………………………………………………………………………………. 12
3. Что это и для чего нужна химическая грелка? Применяется для согревания
человека на холоде. Может быть размещена во внутренних карманах одежды, в
рукавицах. При использовании такой грелки нет необходимости одевать под верхнюю
одежду толстые теплые вещи, сковывающие движения. Химическая грелка пригодятся и
детям, и взрослым, это абсолютно необходимая вещь для всех, кто не хочет мириться с
холодом и ценит тепло и комфорт в любых условиях.
Актуальность темы исследования обусловлена наличием на потребительском
рынке грелок, однако часто они одноразовые и требуют материальных затрат. Часто,
находясь в походе или на зимней рыбалке, возникала мысль о создании химической
грелки.
Поэтому предметом исследования были выбраны способы получения химических
грелок.
Общий замысел: организация лаборатории для получения химических грелок.
Объект исследования: химическая грелка. В соответствии с темой работы мы
ставим следующую цель и, соответственно, задачи.
ЦЕЛЬ проекта: изучить возможность получения химических грелок в
лабораторных условиях и выявить наиболее эффективные: удобные для использования и
способные долго удерживать высокую температуру.
ЗАДАЧИ проекта:
1. Исследовать пути получения химических грелок разных видов.
2. Определить грелку с более высокой температурой.
3. Определить время функционирования каждой грелки.
4. Выбрать наиболее эффективную грелку.
Методы исследования: изучение научной литературы, наблюдение, синтез,
растворение.
Ожидаемые результаты проекта: получение химических грелок, выявление наиболее
эффективной грелки.
Теоретическая значимость исследования заключается в углублении и расширении
знаний по данному вопросу, практическая значимость – в формировании возможности
получить разные виды химических грелок.
ГЛАВА 1. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ХИМИЧЕСКИХ ГРЕЛОК
3
4. Известно несколько видов "обыкновенных химических грелок". Устройство их
очень простое: обычно это два пакета (маленький и большой) из водонепроницаемого и
химически стойкого материала (пленки, ткани). Внутри маленького пакета - вещество или
смесь веществ. Чтобы грелка начала работать, сюда надо добавить немного воды и
перемешать содержимое пакета. Потом маленький пакет закрывают, вставляют в большой
и еще раз тщательно закупоривают; теперь грелкой можно пользоваться. Кроме пакетов
можно использовать желательно пластиковые и плоские бутылки, для которых можно
изготовить чехол.
1.1. Сферы применения
Химические грелки, имеющие нестандартные размеры и массу, активно
используются в различных сферах деятельности человека. Например, в медицине
крупногабаритные химические грелки можно применять для подогрева хирургического и
смотрового инструментария, а также для поддержания температурного режима в
контейнерах, где хранятся медицинские препараты, что необходимо для перевозки
медикаментов наземными или воздушными видами транспортом в холодное время года.
Также нестандартные химические грелки используют с целью защиты
медицинского оборудования от промерзания в полевых условиях в холодное время года.
Такие грелки используются и в других сферах: птицеводство (для выведения птенцов),
экспериментальная физика, ветеринария (с целью защиты животных от переохлаждений),
для индивидуальной защиты органов человека от переохлаждений в процессе
малоподвижных работ в холодное время года, для подогрева красителей, защиты
аппаратуры (фото- и видео) и т.д.
Нестандартную химическую грелку также можно использовать с целью лечения
некоторых заболеваний и патологий:
ревматизм;
остеохондроз;
судорожный синдром;
бронхиальная астма;
миозит;
гайморит;
радикулит.
4
5. Химическую грелку можно применять в различных сферах деятельности.
Благодаря выработке комфортного сухого тепла, она защищает людей от холода, причем
пригодиться она может как ребенку на зимних прогулках, так и взрослому человеку:
автомобилисту, человеку, занимающемуся строительством, альпинизмом, туризмом,
охотой или рыбалкой. Учитывая условия зимней рыбалки и охоты тело, нуждается в
дополнительном обогреве. Поэтому, всё более и более популярными становятся так
называемые «химические грелки». Они эффективно согреют Вас в любом месте, не
нуждаясь в горючем или электроэнергии.
1.2. Преимущества химических грелок
Главным преимуществом химических грелок является их компактность. Благодаря
небольшим размерам легко можно носить их с собой, поместив в карман брюк, куртки
или рюкзака. Это идеальное средство для обогрева ног или рук, а также для профилактики
обморожения и переохлаждения тела.
Химическая грелка очень удобна и проста в применении, безопасна в
использовании, но при этом – надёжная и эффективная. Она регулярно используется
многими рыболовами и охотниками не только для ног, но и рук. Для этого её следует
поместить в варежки или в карманы куртки. Те, кто ездит зимой на рыбалку, наверняка
сталкивались с такой проблемой, как мерзнущие руки. Особенно досадно это бывает при
активном клеве, когда приходится повозиться, извлекая мормышку или крючок из рыбьей
пасти. Влажные руки обдувает морозный ветерок, но необходимо менять насадку,
распутывать узелок на леске, менять приманку и т.д. К тому же, химические грелки могут
использоваться даже детьми, поскольку при правильном применении они совершенно
безопасны для здоровья.
1.3. Почему следует использовать химическую грелку?
Она обеспечивает необходимое утепление даже в самый лютый мороз.
Химическая грелка способна согревать всегда и везде, в независимости от наличия
горючего, электроэнергии и прочих факторов.
Химическая грелка оказывает лечебное воздействие, которое достигается путём
направления тепла на определённый орган или часть тела.
Химическая грелка позволяет легко поддерживать общее тепло, если её поместить
рядом с телом (например – под одеяло).
Исходя из этого, сомнений в том, нужно ли изготавливать химическую грелку не
возникает – это очевидно. Химическая грелка сможет эффективно согреть на рыбалке или
охоте!
Химическая грелка спасёт поясницу от ноющих болей! Да-да, Вы все правильно
поняли: химическая грелка теплом снимает болезненные спазмы!
Все на остановках мерзнут, а Вы – с химической грелкой: Вам тепло и комфортно!
В офисе не топят, все болеют, а Вы – с химической грелкой и Вы – здоровы!
Вперед к новым свершениям!
Вы будете покорять горные спуски сколько пожелаете! Химическая грелка – и
ручки уже теплые, спинка не болит, грелка заботится о мышцах, пока Вы выбираете
следующую цель покорения!
5
6. В любой дальней поездке вы знаете, что вам не грозит опасность замерзнуть, в
случае непредвиденных обстоятельств.
Грелка – лучше тысячи шерстяных носков, постоянных укутываний спины
шарфами и громоздкими пледами и даже десяти пар перчаток!
ГЛАВА 2. ИССЛЕДОВАНИЕ СПОСОБОВ ПОЛУЧЕНИЯ ХИМИЧЕСКИХ
ГРЕЛОК. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ
В конце 20-х годов для обогрева бойцов Красной Армии была рекомендована
"железная" грелка - в мешочек из прорезиненной ткани помимо железных опилок
помещали перманганат калия и наполнители - уголь и песок. После добавления воды на
поверхности грелки в течение 10-20 часов поддерживается температура 100 градусов
Цельсия.
Набор реактивов школьной лаборатории натолкнул на идею создания
химических грелок, содержащих другой состав исходных веществ.
Была выдвинута следующая гипотеза:
для получения возможности изготовления химической грелки необходимо
провести ряд экзотермических реакций.
2.1. Подготовка к выполнению опытов экспериментальной части
Качественная работа в лаборатории предполагает аккуратность, чёткость
поставленных задач, а также грамотно организованное рабочее место.
2.1.1. Организация экспериментальной части научно-исследовательской
деятельности
Для проведения исследований были подготовлены наборы реактивов, фарфоровые
чашки, термометр для измерения температуры.
Используются окислительно-восстановительные реакции, реакции соединения.
Взвешивание исходных веществ производилось на электронных весах.
6
7. 2.1.2. Эксперимент № 1
Одна из самых простых химических грелок содержит оксид кальция CaO
(негашеную известь), который взаимодействует с водой с образованием гидроксида
кальция:
CaO + H2O = Ca(OH)2.
Реакция сопровождается тепловыделением. Температура грелки может достигать
70-80 о
С. Однако, такая грелка не очень удобна в пользовании. Как обнаружилось, оксид
кальция быстро впитывает влагу из воздуха, и вполне возможно, что при добавлении воды
экзотермическая реакция не пройдёт, т.е. оксид кальция должен быть всегда сухим.
Вывод: реакция гашения негашёной извести может быть использована для
изготовления химической грелки при условии соблюдения правил хранения оксида
кальция в сухом месте без доступа влажного воздуха.
2.1.3. Эксперимент № 2
В химической грелке другого вида используем взаимодействие металлов (в виде
стружки или фольги с гранулами) и солей. Совершенно сухую смесь алюминиевой (Al)
стружки с солями меди (например, CuCl2) можно хранить довольно долго, а при
добавлении воды температура сразу же повышается почти до 100 оС за счет реакции:
2Al +3 CuCl 2 = 2Al Cl 3 + 3Cu.
При этом грелка, в которой хлорид меди CuCl2 превращается в хлорид алюминия 2Al Cl 3,
сохраняет тепло около 6-8 часов.
Вывод: реакция хлорида меди с алюминием даёт много тепла и достаточно долго
удерживается тепло, однако количество хлорида меди ограничено и мы продолжим поиск
наиболее эффективного набора химических реагентов для создания химической грелки.
2.1.4. Эксперимент № 3
Для изготовления следующей химической грелки требуются простейшие
реактивы:
медный купорос мелко размолотый 40 грамм ( 3 чайные ложки);
соль поваренная 20 грамм (2 чайные ложки);
опилки древесные мелкие 30 грамм ( 5 столовых ложек);
проволока алюминевая 10 сантиметров диаметр 0.3 согнутая в спираль или алюминиевая
фольга с гранулами;
вода 50-60 мл.
Всё укладываем в сосуд, перемешиваем, заливаем водой и радуемся теплу.
Опилки не принимают никакого участия в химической реакции. Они просто
впитывают воду, чем замедляют течение реакции во времени. К тому же древесина
обладает достаточно низкой теплопроводностью: она как бы аккумулирует выделяющееся
7
8. тепло и затем постоянно отдает его. В плотно закрытой посуде тепло сохраняется, по
меньшей мере, два часа.
Нам понадобится емкость из стекла или пластика объемом 200-300 г,
выдерживающего температуру 50-70° и выше. Алюминиевую проволоку сворачиваем
спиралью и помещаем в ёмкость, а также обнаружилось, что алюминиевая фольга с
гранулами прекрасно заменяют проволоку. Затем смешиваем соль, купорос, опилки и
засыпаем приготовленную смесь так, чтобы уровень засыпки был на пару сантиметров
ниже горлышка. Грелка готова.
Для приведения ее в действие в посуду необходимо влить 50-80 мл воды. Через
пару минут температура поднимется до 50-60°, может достигать 100 о С. В закрытой
емкости тепло сохраняется около 2-3 часов. Трех-четырех таких грелок вполне хватит на
короткий зимний день.
Мы предпочитаем в качестве посуды для грелок использовать плоские флаконы из-
под шампуней, потому что, во-первых, они гораздо легче стеклянных баночек, во-вторых,
плоскую емкость удобнее расположить в кармане, и, в-третьих, из-за малой их стоимости.
Как вы уже поняли, конструкция является одноразовой, но, учитывая мизерные затраты на
ее изготовление, она себя оправдывает.
Рассмотрим процессы, происходящие внутри химической грелки. Алюминий не
реагирует с раствором сульфата меди, поскольку его поверхность защищена прочной
оксидной пленкой. Хлорид-ионы способствуют разрушению этой оксидной пленки, в
результате чего алюминий начинает одновременно взаимодействовать с катионами меди и
молекулами воды:
2Al + 6H2O => 2Al(OH)3 + 3H2 3Cu2+ + 2Al => 3Cu + 2Al3+
Проведем эксперимент. Возьмём по объёму 15 см3 медного купороса и 30 см3
поваренной соли. Добавим воды, чтобы общий объем смеси составил примерно 80 см3.
Перемешаем вещества до растворения солей. Раствор станет зеленым в результате
образования комплексного иона [CuCl4]2-:
CuSO4 + 4NaCl <=> Na2[CuCl4] + Na2SO4
Теперь отфильтруем через фильтровальную бумагу. Соберём фильтрат в стакане и
опустим в него алюминиевую пластинку. Через несколько секунд на поверхности
алюминия начнут выделяться пузырьки водорода, немного позже появится красная
губчатая медь. Со временем реакция ускорится, раствор нагреется. Алюминиевая
пластинка будет быстро разрушаться. Мы использовали кусок алюминия, который
растворился за несколько минут, оставив темный мутный раствор и красный осадок меди.
Продолжим рассмотривать процессы, протекающие в химической грелке:
CuSO4*5H2O+4NaCl→Na2[CuCl4]+Na2SO4+5H2O
упрощённо
CuSO4+2NaCl→CuCl2+Na2SO4
CuSO4 + 2NaCl = Na2SO4+ CuCl2 + Q (тепловая энергия)
8
9. В результате взаимодействия медного купороса и поваренной соли образовались
сульфат натрия и хлорид меди. Эта реакция является экзотермической, то есть с
выделением тепла.
Хлорид меди немедленно вступает в реакцию с алюминием.
2Аl + 3CuCl2 = 2АlСl3 + 3Cu + Q
Эта реакция тоже экзотермическая. Суммарное количество тепла превышает 120 000
калорий. В общем, согреть руки на морозе вполне хватит.
Таблица
№
эксперимента
Химический
состав(г)
Температура
нагревания
(о
С)
Длительность
удерживания
тепла(часов)
Оценка
эффективности
(%)
№ 1 СаО, Н2О 70-80 2-3 60
№ 2 Аl, СuCl2 90-100 6-8 90
№ 3 Аl, СuSO4 ,
NaCl
60-100 3-4 100
Средн. 80 5 83
Вывод: Наиболее эффективной по поддержанию температурного режима и
использованию наиболее доступных реактивов является химическая грелка, выполненная
в эксперименте № 3 с использованием сульфата меди, хлорида меди и алюминиевой
фольги и гранул. Данный состав использовался для наполнения флакона из-под моющих
средств.
2.1. Перспективы исследования
В составе химических грелок можно использовать ацетат натрия. Возможно, в
дальнейшем можно продолжить исследования в указанном направлении.
Ацетат натрия CH3COONa, - натриевая соль уксусной кислоты, производится и
широко применяется в промышленных масштабах.
Ацетат натрия используется в быту как составная химических грелок, применяется
как составная часть смеси <горячего льда> (англ. <hot ice> ), при кристаллизации ацетата
натрия выделяется тепло - это экзотермический процесс). При нагреве тригидрата ацетата
натрия (имеющего точку плавления в 58 о
C) до 100 о
C (обычно ёмкость с ним кладут в
кипящую воду), он расплавляется и переходит в водный раствор ацетата натрия. При
охлаждении этого раствора ацетата натрия, он образует перенасыщенный раствор ацетата
натрия в воде. Этот раствор прекрасно переохлаждается до комнатной температуры без
образования твёрдой фазы, затем нажатием на металлический диск в ёмкости образуется
центр кристаллизации, который, вырастая, заставляет перенасыщенный раствор
переходить назад в твердую фазу тригидрата ацетата натрия. Этот процесс происходит
при значительном выделении тепла (экзотермическая реакция) при этом процессе
выделяется около 264-289 кДж/кг.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
9
10. Наверное, всё же не зря мы изготовили химическую грелку.
ВЫВОДЫ:
1. Реакция гашения негашёной извести может быть использована для
изготовления химической грелки при условии соблюдения правил хранения
оксида кальция в сухом месте без доступа влажного воздуха.
2. Реакция хлорида меди с алюминием даёт много тепла и достаточно долго
удерживается тепло, однако количество хлорида меди ограничено и мы
продолжим поиск наиболее эффективного набора химических реагентов для
создания химической грелки.
3. Наиболее эффективной по поддержанию температурного режима и
использованию наиболее доступных реактивов является химическая грелка,
выполненная в эксперименте № 3 с использованием сульфата меди, хлорида
меди и алюминиевой фольги и гранул. Данный состав использовался для
наполнения флакона из-под моющих средств.
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ
10
11. 1. Добровольский, В.В. Химия земли / В.В. Добровольский. – Москва:
«Просвещение», 1980. – 176 с.
2. Леенсон, И.А. Занимательная химия. 1 часть. / И.А. Леенсон. – Москва:
Издательский дом «Дрофа», 1996. – 176 с.
3. Лидин, Р.А. Химические свойства неорганических веществ / Р.А. Леенсон,
В.А. Молочко, Л.Л. Андреева. – Москва: «КолосС», 2003. – 480 с.
4. Мычко, Д.И.Сеген, Е.А.Инновационные образовательные стратегии на уроках
химии / Д.И. Мычко. – Минск: «Адукацыя i выхаванне», 2014. – 296 с.
5. Охлобыстин, О.Ю. Жизнь и смерть химических идей / О.Ю.
Охлобыстин. – Москва: «Наука», 1989. – 192 с.
6. Свиридов, В.В. Неорганический синтез / В.В. Свиридов, Г.А. Попкович, Е.И.
Василевская. – Минск: «Універсітэцкае», 2000. – 224 с.
8. Химическая энциклопедия. Том 5. – Москва: «Большая российская
энциклопедия», 1999. – 784 с.
9. Химия. Перевод с немецкого канд. хим. наук В. А. Молочко, С.В.
Крынкиной. – Москва: «Химия», 1989. – 648 с.
11
