Индивидуальный проект по химии на тему: "Сухие грелки"

Государственное бюджетное профессиональное образовательное учреждение Новосибирской области

«Новосибирский химико-технологический колледж им. Д. И. Менделеева»

Исследовательская работа на тему

«СУХИЕ» ХИМИЧЕСКИЕ ГРЕЛКИ

Разработал:                                                         студентка группы 19.01.18

Кондратьева Анастасия

Руководитель:                                                    преподаватель химии высшей

квалификационной категории

Кореневская Н.Ю.

Новосибирск – 2019
СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ. 3

ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ. 5

1.1.      Виды грелок. 5

1.2. Способы изготовления химических грелок. 7

2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ. 10

ЗАКЛЮЧЕНИЕ. 13

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ. 14

ВВЕДЕНИЕ

В холодное время года у людей, чья деятельность связана с выполнением определенных заданий на улице, обязательно возникает желание согреться. Но не всегда для этого есть условия. Большинство специалистов, занимающихся охотоведением, спортивной и промысловой охотой, экотуризмом и зимней рыбалкой, неоднократно сталкивались в своей практике с эффектом окоченелых рук. Сутью эффекта является снижение чувствительности и потеря тонкой моторики. Проблему можно решить, используя грелки.

Во второй половине XIX века химическая наука достигла такого уровня развития, который сделал возможным создание новых, никогда ранее в природе не сосуществовавших веществ. Многие химические реакции идут с выделением теплоты, иногда значительной. Такие реакции называются экзотермическими. Примером такой реакции могут послужить химические грелки, созданные для нужд армии во время Первой мировой войны.

Особое распространение они получили в конце 1939 года, когда шли бои на Карельском перешейке. Усилиями нескольких институтов была разработана химическая грелка и в очень короткий срок выведена в массовое производство. Химическая грелка не требует наполнения горячей водой или подключения к источнику питания, чем и удобна. Она разогревалась самостоятельно за счёт процессов внутреннего катализа [1].

Упоминания о химических грелках есть и в мемуарной литературе. Например, в произведении Ю. Нагибина «Война с чёрного хода»: «…Химическая грелка, которую я налил водой перед тем, как покинуть госпиталь, жгла руку сквозь варежку, но тепло не передавалось телу. Я сунул грелку за пазуху. Она тут же прорвалась, из нее посыпался какой-то черный порошок. Маленький участок груди под грелкой быстро погорячел, и я почувствовал, как, ожившая, по нему просеменила вошь…».

 

Объект исследования: химические грелки.

Предмет исследования: термохимические реакции при получении химических грелок.

Цель: исследование состава и способов получение химических грелок.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

1.     Осуществить литературный поиск по теме исследования.

2.     Опытным путем доказать применяемость химических грелок на практике.

3.     На основании полученных теоретических и практических результатов исследований привести способы изготовления химический грелок.

Для решения поставленных задач были использованы следующие методы исследования: анализ теоретического материала, химический эксперимент, сравнительный анализ.

Работа состоит из теоретической и практической части. В теоретической части мы изучали, систематизировали и обобщали материал по данной теме исследования, в практической части проводили химический эксперимент по получению химической грелки.

ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

1.1.          Виды грелок

Грелка, также термофор − устройство для согревания части тела сухим теплом с целью обогрева и предупреждения переохлаждения, либо для местного теплолечения; грелкой может называться и небольшое устройство для обогрева комнаты [1].

Существует несколько видов различных грелок. Вот некоторые из них: термохимические грелки, солевые грелки, каталитические грелки, резиновые и электрические грелки. У каждой есть, безусловно, свои достоинства и недостатки.

Каталитические грелки − по форме они напоминают железный портсигар. В него заливают чистый бензин, который используют для заправки зажигалок. Работает каталитическая грелка по принципу зажигалок Zippo, самая важная деталь − каталитическая сетка, где происходит окисление (распад) бензина с выделением тепла. Использовать надо только бензин для зажигалок, иначе сетка загрязнится и греть не будет. Ну и перед использованием надо, чтобы грелка была градусов 15-20, а то она не заработает. Температуру такая грелка даёт 50-60 градусов на протяжении 6-8 часов. Когда бензин кончается, заливается новая порция и грелка продолжает работать.

Солевые грелки получили широкое распространение среди туристов в нашей стране благодаря своей универсальности: многоразовое применение, небольшие размеры и различная форма изготовления (например, в форме стелек). Представляют собой пакетик с солевым раствором внутри. Помнёшь такой пакетик, и, пока соль кристаллизуется, грелка даёт тепло. Перезарядка осуществляется проваркой этого пакета. Но у солевых грелок есть ряд серьёзных недостатков: непродолжительное время действия (от 20 до 60 минут в зависимости от размеров), восстановление исходных функций возможно только при наличии горячей воды.

Резиновые грелки недорогие, простые в использовании и, как мы с вами прекрасно понимаем, многоразовые. Но об универсальности использования и удобстве речи идти не может. Они большие по размеру, тяжёлые и наполняются кипятком, что не всегда доступно, если речь идет об экстремальных условиях.

Электрические грелки также имеют целый ряд достоинств: многоразовое использование, возможность регулировки мощности (что бывает очень необходимо), неограниченное время работы. Но питаются они от электричества, т. е. об автономности такого устройства речи не идёт. Если, конечно, вы не используете переносной аккумулятор.

Термохимические грелки типа Теплолюб и АИСТ 11 хорошо зарекомендовали себя среди рыбаков как на зимней, так и на осенней рыбалке. В связи с тем, что постоянный контакт с холодной водой приводит к переохлаждению, обморожению, рыбаки часто просто вынуждены согреваться изнутри алкоголем. Но алкоголь в ряде случаев приводит к неадекватному поведению. Термохимические грелки могут исключить из употребления горячительные напитки и позволят поддерживать комфортную температуру рук и живой приманки, например, мотыля.

Характеристики Автоновного источника тепла (АИСТ) 11: время работы − 11 часов, рабочая температура − 45-55 град. С, вес − 70 грамм, размеры упаковки − 130х170 мм. При остывании повторно размять мешочек.

Характеристики термохимической грелки Теплолюб: когда упаковка пакета вскрыта, внутрь начинает поступать кислород, запускается реакция, выделяющая постоянное тепло до +50 градусов. Грелка может работать без перерыва от 3 до 7 и более часов, не требует дополнительных источников для активации [2].

1.2. Способы изготовления химических грелок

1 способ: Одна из самых простых химических грелок содержит оксид кальция СаО (негашеную известь), который взаимодействует с водой с образованием гидроксида кальция:

СаО + Н₂О → Са(ОН)₂

Реакция сопровождается тепловыделением. Температура грелки может достигать 70-80°С.

2 способ: В химической грелке другого вида используют взаимодействие металлов (в виде стружки) и солей. Совершенно сухую смесь железной (Fе) стружки с солями меди (например, СuС1₂) можно хранить довольно долго, а при добавлении воды температура сразу же повышается почти до 100°С за счет реакции:

Fе + СuС1₂ → FеС1₂ + Сu

При этом грелка, в которой хлорид меди СиС1₂ превращается в хлорид железа FеС1₂, сохраняет тепло около 10 часов.

3 способ: Оборудование: алюминиевая проволока, медный купорос, поваренная соль, опилки, вода.

2А1 + 3СuSO₄ → А1₂(SO₄)₃ + 3Сu

Хлористый натрий добавляют для интенсификации процесса, ионы хлора ускоряют и облегчают реакцию с алюминием. На фоне этой реакции, вероятно, идет еще реакция алюминия с водой, типа

2А1 + 4Н₂O → 2А1(OН)₃ + 3Н₂

4 способ: Для изготовления химической грелки лучше использовать порошок хлорной меди и алюминиевые опилки. Смешивают 5-6 г хлорной меди с таким же по весу количеством алюминиевых опилок и к смеси добавляют 5-6 столовых ложек хорошо высушенных древесных опилок. Высыпают полученную смесь в полиэтиленовый мешочек. Грелка начинает действовать, когда в пакет наливают 30-40 мл воды. Хлорная медь, растворяясь в воде, реагирует с алюминием:

3СuС1₂+2А1 → 2А1С1₃+3Сu

Реакция сопровождается выделением теплоты. Древесные опилки играют роль ингибитора, чтобы реакция не шла слишком быстро.

5 способ: смесь марганцовокислого калия и железного порошка в стальном цилиндре. Придумали японцы во Вторую мировую. Весил около двухсот граммов. Стоило добавить немного воды, и эта смесь начинала разогреваться. Грелка работала до 20-30 часов, причем ее наружная температура не превышала 60°C, то есть не могла обжечь кожу. Одной такой грелки хватало на согревание взрослого человека.

6 способ: Плоский полипропиленовый пакет, в котором идет реакция окисления железной пыли кислородом воздуха с образованием ржавчины и выделением тепла. В состав смеси также входят вода, соль (работает как катализатор), активированный уголь (равномерно распределяет тепло), вермикулит (служит аккумулятором тепла) и целлюлоза (наполнитель). Грелка одноразовая, начинает работать после открывания герметичной упаковки (для обеспечения доступа кислорода) и способна давать тепло в течение нескольких часов.

7 способ: В реакционную смесь еще можно вводить щавелевую или лимонную кислоту (кристаллогидраты), что увеличивает выход тепла. Такие грелки позволяют получить температуру от 100 до 300°С. Для их запуска в реакционную смесь окиси кальция и кристаллогидрата щавелевой кислоты вводят небольшое количество воды, в процессе реакции с окисью кальция будет реагировать вода, выделяющаяся при нейтрализации.

СаО + Н₂O → Са(ОН)₂ + 10,6ккал

Са(ОН)₂ + Н₂С₂0₄*2Н₂O → СаС₂O₄ + 4Н₂O + 31ккал

8 способ БОЛЕЕ ЭФФЕКТИВНЫЙ состав химических грелок - это смесь железных опилок, перманганата калия, угля и песка. Уголь и песок служат наполнителями-замедлителями реакции. Тепло выделяется в результате добавления к указанной смеси воды.

Результирующей реакцией при добавлении воды к смеси будет:

4Fе + 2Н₂O + 3O₂ → 2(Fе₂O₃*Н₂O) + 390,4ккал

Подобная смесь, помещенная в корпус, позволяет поддерживать в течении 10-12 часов температуру 100°С. Индивидуальная грелка такого типа представляет собой прорезиненный мешочек, заполненный указанным составом с горловиной для заливки воды.

9 способ: А самая лучшая одноразовая химгрелка − это смесь железных и медных опилок с солью. Заливается водой и начинает греться.

2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

Из ранее рассмотренных способов приготовления химических грелок приведем один способ, который наглядно покажет механизм действия.

Методика проведения исследования:

Оборудование: 20 гр поваренной соли (NaCl), 40 гр медного купороса (CuSO₄*5H₂O), кусок алюминиевой проволоки или фольги и 30 гр древесных опилок.

Соль и медный купорос желательно измельчить до размера кристаллов не более 1 мм. В смесь соли и медного купороса необходимо добавить древесные опилки и тщательно перемешать. Алюминиевую проволоку согнуть спиралью и вложить в баночку или бутылочку (желательно стеклянную). Сверху засыпать приготовленную смесь, чтобы уровень был на 1 см ниже горлышка. Для приведения в рабочее состояние достаточно добавить в емкость 50 мл воды, которая запустит реакцию и поднимет температуру до 60°С за 3-4 минуты.

Опыт проводился в термостойком химическом стакане.

 

Чтобы понять принцип действия, обратимся к химизму данного процесса.

CuSO₄ + 2NaCl ↔ CuCl₂ + Na₂SO₄

Именно образование хлорной меди приводит к выделению части тепла, основное же тепло возникает при ее взаимодействии с алюминиевой проволокой.

2А1 + 3CuCl₂ → 2А1Cl₃ + 3Сu

Древесные опилки не принимают участия в химической реакции. Впитывая воду, они являются своеобразным замедлителем, что значительно продлевает время работы грелки. К тому же древесина обладает низкой теплопроводностью, что позволяет ей накапливать тепло и отдавать его постепенно. В закрытой емкости тепло удерживается до 2 часов. Наш образец стал остывать по истечению 24 минут.

По результатам эксперимента можно составить диаграмму (рис.8), на которой видна динамика изменения температуры в зависимости от времени работы химической грелки. Из диаграммы видно, что температура в начале реакции плавно увеличивалась, пока не достигла пика (максимальное значение 51°С), затем продержавшись 8 минут в одинаковом значении температуры, стала постепенно понижаться. Время работы химической грелки от начала разогрева до полого остывания составило 60 минут.

Рис. 8 Зависимость температуры от времени

Поскольку химический стакан представляет открытую систему, следовательно, остывание грелки происходит быстрее, чем в закрытой системе.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Исходя из поставленных задач, можно считать, что цель работы достигнута. Путем литературного поиска исследован состав и способы получения химических грелок различными способами.

На практике доказана работа химических грелок. Применение данной разработки приемлемо в экстремальных условиях. Такие грелки можно заготавливать заранее и брать с собой в дальние походы, где обогрев иным способом будет невозможен, например, в туристические походы в горы. А также как средства экстренной помощи, в случае чрезвычайной ситуации. Поскольку химическая грелка начинает работает от добавления 50 мл любой воды, это весьма увеличивает шансы на спасение в случае чрезвычайных ситуаций.

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

1.     Грелка

URL: https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%93%D1%80%D0%B5%D0%BB%D0%BA%D0%B0#%D0%A5%D0%B8%D0%BC%D0%B8%D1%87%D0%B5%D1%81%D0%BA%D0%B8%D0%B5_%D0%B3%D1%80%D0%B5%D0%BB%D0%BA%D0%B8

2.     Грелки для охотников, рыболовов и туристов

URL: http://www.vselp.ru/pages-view-127.html

3.     Школа выживания. Как самому изготовить химическую грелку?

URL: http://survival-equipment.ru/attainments/obespechenie-odezhdoj-i-snaryazheniem/63-chemical-water-bottle

4.     Химическая грелка

URL: http://milmed.spb.ru/index.php/collection/exhibitionofoneexhibit/791-

5.     Сумка для химической грелки на 1939-1940 год

URL: http://smolbattle.ru/threads/%D0%A1%D1%83%D0%BC%D0%BA%D0%B0-%D0%B4%D0%BB%D1%8F-%D1%85%D0%B8%D0%BC%D0%B8%D1%87%D0%B5%D1%81%D0%BA%D0%BE%D0%B9-%D0%B3%D1%80%D0%B5%D0%BB%D0%BA%D0%B8-%D0%BD%D0%B0-1939-1940-%D0%B3%D0%BE%D0%B4.33523/

Краткое описание документа:

Индивидуальный проект по химии для студентов 1 курса СПО. Работа является показателем практического применения химических процессов. В работе представлена историческая справка создания химических грелок, описывается состав и механизм действия сухой грелки с указанием химических реакци, лежащих в основе процесса. Также в работе проведен анализ процсса и выделены рекомендации по применению такх грелок в быту.