How to use chemical method to explore the composition of vermiculite

“暖宝宝”是铁，蛭石，活性炭，无机盐，水等合成的混合物。其中蛭石是一种铁镁质铝硅酸盐矿物，成分为Mg0.5(H2O)4Mg3[AlSi3O10](OH)2，因加热时能迅速膨胀，弯曲呈水蛭（蚂蟥）状而得名。蛭石一般呈褐色、褐黄色或暗绿色，带油脂的玻璃光泽。约有80％的膨胀蛭石用于建筑工业，是良好的隔热、隔音材料。蛭石是当今世界首屈一指的超级保温材料。将蛭石经过一系列复杂的化学处理，提取出来的蛭石薄膜呈半透明。这种薄膜表层的保温性能极好，用来制作防火覆盖层、房顶防热、高温衬垫、熔炉或锅炉用的膨胀连接件，冰箱等家用电器、孵化器的防热层和电缆外包层等都很适宜。
那么，我们使用的“暖宝宝”的发热原理是怎样的呢？通过收集相关资料，对“暖宝宝”的反应原理和使用过后的产物进行探究和鉴定。

二、原理解析
“暖宝宝”是利用铁氧化反应放热来发热。实际上也就是根据铁在潮湿空气中发生吸氧腐蚀的原理。同时利用活性炭的强吸附性，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，在氯化钠的催化作用下较为迅速的发生反应生成氢氧化铁，放出热量。
铁在自然条件下的氧化反应速度是缓慢的，若能加快这种反应，如设法加大铁的表面积，使用水，食盐和活性炭形成原电池来促进反应，就可以得到发热袋所需的温度，成为发热袋的热源。
负极：Fe-2e-＝Fe2+
正极：O2 + 2H2O + 4e-＝4OH-
总反应：2Fe + O2 + 2H2O＝2Fe(OH)2
2Fe(OH)2 + 2H2O + 3O2＝4Fe(OH)3↓
2Fe(OH)3 ==== Fe2O3+3H2O


三、探究过程设计
1 实验用品
原电池反应槽、导线、灵敏电流表、铁片、碳棒、5%NaCl溶液、烧杯、试管、漏斗、滤纸、铁架台、胶头滴管、玻璃棒、pH试纸、药匙、酒精灯、铂丝、蒸发皿、暖宝宝用后的剩余混合物（黑褐色固体）、NaOH溶液、稀HCl、AgNO3溶液、H2O、KSCN溶液、澄清石灰水等。

2 实验步骤
①原理探究：
[操作]将铁片和碳棒用导线连接（在导线间接入灵敏电流表），平行插入盛有5%NaCl溶液的原电池反应槽中，观察实验现象。
[现象]电流表指针偏转，铁片上出现红褐色物质。
[结论]铁和碳可以形成原电池来加速铁的氧化反应，从而更快地释放出热量。

②产物探究
（1）取少量样品，加水溶解，有大量不溶物。过滤，得到无色透明滤液，将滤液分成四份。
[现象]第一份滤液中加入KSCN溶液，无明显现象。第二份加入AgNO3溶液，出现白色沉淀。第三份滴加NaOH溶液，无明显现象。第四份做焰色反应火焰为黄色。
[结论]说明样品可部分溶解，产物中含有NaCl,溶入水后的滤液中不含Fe3+,Al3+,Mg2+。
（2）另取少量样品，加入过量NaOH溶液，有大量不溶物。过滤，得到无色透明滤液。取少量滤液于试管中，滴加KSCN溶液，无明显现象。[结论]样品不与碱反应。
（3）另取少量样品，加入过量HCl溶液，过滤，得到金黄色澄清滤液。将滤
液分成两份。一份加入KSCN溶液，溶液立即变为血红色。
另一份滴加NaOH溶液，一开始无明显现象，用pH试纸调节溶液的pH值为7，使NaOH溶液将剩余的HCl溶液中和。继续滴加NaOH溶液，渐渐开始出现墨绿色沉淀，振荡，沉淀消失。继续滴加NaOH溶液至过量，沉淀部分消失，变为棕黄色。静置分层，上层为无色透明溶液，下层积聚着红褐色沉淀，过滤，将得到的固体加热，得红棕色固体，该固体不溶于水，溶于酸得棕黄色溶液，初步确定为Fe2O3。
[结论]墨绿色沉淀为红褐色氢氧化铁沉淀和白色氢氧化铝（可能也有氢氧化镁）沉淀的混合物，继续滴加NaOH溶液，氢氧化铝沉淀逐渐消失，最终剩余红褐色氢氧化铁沉淀。
（4）将滤渣收集起来，烘干，得黑色粉末，点燃，能够燃烧，产生的气体能使澄清石灰水变浑浊，初步确定其为碳粉。

③实验中的问题设计
（1）为什么暖宝宝在用之前和用之后的固体状态不一样呢？（用之前内有NaCl溶液，各物质未反应，故为糊状物；用之后都转化为固体，故相对较硬）
（2）为什么暖宝宝要使用双层包装？（外层是一个常规不透气的外袋，用来隔绝空气，使用时需要有氧气参与，故内层采用微孔透气膜制作的无纺布袋）
（3）为什么暖宝宝能发热，而且能保持如此之长的时间？（它是通过铁粉的缓慢氧化放热，再通过原电池原理加速氧化，使化学能转变为电能，然后利用蛭石来保持温度，故能常达12小时之久，而且整个过程温度基本恒定）

3 探究结论分析
通过观察到的实验现象，我们综合多种因素得出结论：暖宝宝的反应原理为利用原电池加快氧化反应速度，将化学能转变为热能。为了使温度能够持续更长，产品使用了矿物材料蛭石来保温。因为产品在使用前不能发生反应所以袋子材质要很特别，由原料层，明胶层和无纺布袋组成。无纺布袋是采用微孔透气膜制作的。它还得有一个常规不透气的外袋——明胶层。在使用时，去掉外袋，让内袋（无纺布袋）暴露在空气里，空气中的氧气通过透气膜进入里面。放热的时间和温度就是通过透气膜的透氧速率进行控制的。如果透氧太快，热量一下子就放掉了，而且还有可能烫伤皮肤。如果透氧太慢，就没有什么温度了。使用后为黑褐色固体，其中含碳粉、NaCl固体、Fe2O3固体以及含镁铝的盐类。