李晓明

摘要： 在“物质制备中的仪器和装置”实验复习课中，以“内”與“外”为核心视角，分析恒压滴液漏斗、干燥管、冷凝管、制备蒸馏中的接收装置、减压蒸馏与水蒸气蒸馏中的“玻璃管”的作用、实验操作以及制备装置的选择。指出教师在实验教学过程中，应该帮助学生构建一种视角，从它出发可以透过知识的表象抓住其内核，该视角即为核心视角。从该核心视角出发，能够根据实验的对象和目的，选择适当的仪器、装置以及进行相关的操作，有利于提高学生的思维能力和知识的迁移应用能力。

关键词： 核心视角； 实验教学； 物质制备； 仪器和装置

文章编号： 10056629（2018）9006606 中图分类号： G633.8 文献标识码： B

1 问题的提出

化学实验中会涉及实验的对象、目的、仪器、装置以及操作等知识，在实验教学过程中，教师如果对这些知识点只是孤立地进行教授，而缺少对不同知识共通点的提炼，这样尽管学生能够解决已经熟悉的各种具体问题，但在解决陌生问题时就会出现障碍。这是因为学生缺乏对实验本质的理解而导致知识应用能力的欠缺。所以，实验教学过程中，我们应该帮助学生构建一种视角，从该视角出发可以透过知识的表象抓住其内核，该视角即为“核心视角”。通过核心视角能够根据实验的对象和目的，选择适当的仪器、装置以及进行相关的操作。如在结晶的实验操作教学中，只要抓住溶解能力这个核心，就能够理解通过改变溶剂的量、改变温度、改变溶剂的性质、改变离子浓度等具体实验方法；在装置气密性检查时，只要抓住压强这个核心就能够理解具体的实验操作；只要从口径大小与精度的关系这个视角，学生就能够理解容量瓶、滴定管、移液管的构造原理。下面笔者尝试从核心视角开展“物质制备中的仪器和装置”进行实验复习，以期学生能够将知识凝炼为一个核心点，以提高学生的思维能力。

2 教学过程

2.1 恒压滴液漏斗

[问题1]在制备实验中，与普通滴液漏斗相比，用恒压滴液漏斗加入液体试剂有何优点？

[追问]根据以上实例分析在何种情况下，应采用恒压滴液漏斗？

[师生分析]根据恒压滴液漏斗区别于普通分（滴）液漏斗的构造特点： 有一恒压臂，这种结构能使漏斗中滴加液的液面压力始终等于反应瓶内的压力，不会因反应瓶内压力增大而加不进滴加液，这是大多数学生能够想到的答案即“使漏斗里的液体能顺利流下”。通过实例1的呈现进一步可知当反应装置内产生气体而导致内部压强过大时，若要使液体顺利滴下则需要使用恒压滴液漏斗。实例2的呈现，恒压滴液漏斗在滴液时并不需要使漏斗与外界相通，这就避免了外界空气中的H2O、 O2等进入漏斗中，防止其所盛装的液体遇H2O、 O2发生水解或氧化而变质。实例3的呈现，则是为了说明当所盛装的液体具有易挥发、刺激性液体时，为了防止其扩散到空气中造成污染应采用恒压滴液漏斗滴加。

[核心视角]我们在分析恒压滴液漏斗在物质制备中的应用时，恒压臂将装置内的气压统一，不和外界相通，这就避免了外界物质的进入和内部物质的逸出，即从“内”和“外“两个不同视角进行思考（如图4所示）。

[问题2]虚线框中的装置的作用？

[问题3]实例2中所涉及的制备装置还不完整，请指出，并说明理由。

[师生分析]图5装置所制备的MgBr2具有强吸水性，所以要避免外界的空气进入反应体系内，可知虚线框内的装置的作用是防止外界的水气进入，该装置中的仪器为球型干燥管。利用图2装置制取无水Cu（NO3）2，根据已知信息： SOCl2会剧烈水解并产生酸性气体（SOCl2+H2OSO2↑+2HCl↑），所以要避免外界的水气进入反应体系，就要在A、 B之间增加干燥装置，防止B中水蒸气进入A中。

[追问]该干燥装置可选择怎样的仪器和试剂？

[师生分析]中学阶段所涉及的干燥装置中有盛有浓硫酸的洗气瓶、盛有固体干燥剂的干燥管和带支管的U形管，为了使干燥装置和吸收尾气装置合二为一，使整个装置简洁，则可以选择以碱石灰为固体干燥剂的球型干燥管为干燥装置，如图6所示。

[核心视角]从“内”和“外”两个视角分析球型干燥管在制备实验中的应用，对外防止污染的物质逸出，对内防止外界中的水等物质进入，如图7所示。

2.3 冷凝管

[问题4]图5装置中的冷凝管的作用？

[追问1]在蒸馏装置中能否采用该种冷凝管？

[追问2]随着冷凝管中蒸气温度的升高，通入冷凝管中的冷却水的流速需要进行调整，是要调平缓还是要增快流速？

[问题5]图8中制备肉桂醛的装置中为何采用空气冷凝管？

[追问3]液体的沸点的高低如何决定所使用的冷凝管的长短粗细？

[师生分析]冷凝管的作用主要有两种，一种是使反应物的蒸气冷凝回流至反应装置中，一种是使产品或待分离物质的蒸气从体系中冷凝后实现分离。内管中的热蒸气与内外管之间的冷凝水通过玻璃材质进行热交换，当内外的温差过大时，则可能会使玻璃炸裂，所以当液体沸点>140℃需要采用空气冷凝管[1]。常见的冷凝管主要有直型、球型、蛇形三种类型，在内部构造方面，球型冷凝管与蛇形冷凝管的内管表面积要大于直型冷凝管，冷凝的效果更好，因此在某些加热反应制备有机物实验中，反应耗时较长且反应所需温度较高，为减少反应物挥发，通常使用冷凝效果较好的球型冷凝管或蛇形冷凝管对反应物进行冷凝回流[2]。直型既可冷凝回流也可用在蒸馏中的冷凝分离，而球型和蛇形则只能用作冷凝回流，若用在冷凝分离会有冷凝液残留在冷凝管中。蒸气的温度越低则越难冷凝，就要进行充分的热交换，所以液体沸点越低时需要冷凝管要长一些，内径也相应粗；反之，沸点越高，则蒸气越易冷凝，可用较短的冷凝管，内径也相应细。同理，液体沸点越低，冷却水的流速要快；液体沸点越高，冷却水的流速要适当减缓，否则太冷和太快的水流，可能导致冷凝管炸裂[3]。

[核心视角]使物质冷凝回流至反应器内部这是向“内”的视角，使物質从体系中分离出去这是向“外”的视角以及“内”的蒸气与“外”的冷却物质之间的热交换决定了所使用冷凝管的种类、长度与粗细、冷却水的流速快慢（如图9所示）。

[问题6]该装置何处存在错误？

[师生分析]图10中接液管通过橡胶塞与接收器相连接会使整个装置形成密闭体系，而内部不断产生蒸气，尽

管会有部分蒸气冷凝为液体，但装置内部的压强仍然在不断增大，这样会产生爆炸的危险。所以，

在常压蒸馏时不能形成密闭的体系。

[追问1]若接液管和接收器之间不密闭（图11中a），又会产生什么问题？如何解决？

[追问2]采用蒸馏装置将少量30% H2O2溶液浓缩至40%，需要在接液管的支管处连接一个设备，该设备的作用是什么？

[追问3]若接液管无支管（图11中d），为使装置不密闭，又该如何解决？

[师生分析]在采用蒸馏装置制备物质时，反应体系中有刺激性的气体时（实例6中会产生HBr等酸性气体），若接液管与接收瓶之间不用塞子连接，则会造成污染，这时需要将接液管与接收瓶之间用塞子连接（或采用标准磨口连接），这时就需要接液管带有支管以免形成封闭体系，同时在支管处连接尾气导管，将尾气导出后进行处理。在对H2O2溶液浓缩时，要考虑H2O2受热易分解，需要将蒸馏装置中的气压降低，降低其沸点，就需要在支管处连接一个抽气装置，以实现减小内部压强的目的。若接液管无支管且与接收瓶通过标准磨口相连接，为使装置不密闭，需使用具有支管的接收瓶（图11中e）。

[核心视角]反应装置（蒸馏装置）中内部不断有液体变为气体，使内部的压强逐渐增大，若体系密闭则压强增大到一定程度就会向外剧烈释放，即会发生爆炸，这是“内”的视角。而接液管无支管时，则让接收瓶有支管，这是训练学生思维的灵活性。当面对会产生的污染气体的非密闭体系时，则需要考虑将其引导到外部进行处理，当需要减压时，则要考虑在外界连接主动将气体向外抽离的一个装置即减压装置，这是“外”的视角。如图12所示。

2.5 减压蒸馏和水蒸气蒸馏中的“玻璃管”

实例7 一些物质在常压蒸馏时，未达沸点就已受热分解、氧化；或者对于高沸点的物质，因其沸点太高，而难以蒸馏。这种情况下可采用减压蒸馏（装置如图13所示）。

实例8 水蒸气蒸馏就是将水蒸气通入不溶或难溶于水但有一定挥发性的有机物中，使该有机物在低于100℃的温度下，与水共沸而随着水蒸气一起蒸馏出来（装置如图14所示）。

[问题7]图13中毛细管的作用是什么？玻璃管A的作用是什么？

[问题8]图14中玻璃管C的作用是什么？T形管的作用是什么？

[分析]减压蒸馏时，装置内部的压强小，外部的极少量的空气会通过毛细管进入液体，冒出连续的微小气泡，成为液体沸腾时的气化中心，防止暴沸，使蒸馏平稳地进行。如果蒸馏物易于氧化，可经毛细管导入惰性气体，防止氧化[4]。减压蒸馏装置中导管A作为安全瓶的一部分，可通过旋塞B与外界相通，在蒸馏结束或中途停顿时打开旋塞B使内外压力平衡，以免减压装置中的液体倒吸入蒸馏装置中。水蒸气蒸馏时，内部的压强高于外部压强，玻璃管C的作用是安全管，可用来调节体系内部的压力并可防止系统发生堵塞时出现危险。如果容器内压强太大，水可从玻璃管上升，以调节内压；如果系统发生堵塞，水便会从管的上口喷出，防止发生爆炸危险。T形管的作用是在蒸馏结束或中途停顿时打开旋塞D，使系统内外压强平衡，以免蒸馏的液体倒吸进入水蒸气发生器中。

[核心视角]同样是伸到液面下的玻璃管，但是由于“内”与“外”压强的不同，使得外界的气体和内部的液体分别朝相反的方向流动，从而导致不同的作用，气体进入内部时，防暴沸，液体向外流动时，调节压强。打开旋塞后，一个是外界气体进入装置内，一个是装置内的气体流出外部，但目的都是使“内”与“外”相联通，起到平衡压强的作用，如图15所示。

[问题9]图16中的b、 c装置各自有何优点？

[问题10]为结合图16中的b、 c装置的优点，可采用图17所示装置制备乙酸乙酯。反应一定时间后在分水器中会出现液体分层的现象，上下层分别是什么液体？

[追问1]在制备过程中需不时地打开分水器放出下层的水，什么目的？

[追问2]通过观察分水器中什么现象可说明反应已达平衡？

[分析]图16中b装置可以使反应物在反应容器中充分的反应以避免和产物一起被蒸出，产物始终还在反应体系中。而图16中c装置不仅能分批加入反应物、控制反应温度，还能将产物从反应体系中不断蒸出，促使反应不断向正反应方向移动，但是反应物也会被蒸出。采用图17装置既能使反应物充分地冷凝回流，又可通过将分水器中下层的水从下口放出，实现将产物水不断移出反应体系提高反应物转化率和产物产率的目的，当达到平衡时，分水器中水层的高度就不再发生变化。在制备苯甲酸甲酯时，根据沸点数据可知，若将产物水移出反应体系，则反应物甲醇也会被蒸出，所以此时宜采用图16中的b装置或图17装置。

[核心视角]将反应物留在反应装置内部，避免被蒸出造成损失，使反应物得到充分的反应，这是从“内”的视角来思考。将产物水不断移出反应体系以促使平衡不断正向移动，提高转化率和产率，这是从“外”的视角来考量，“内”与“外”的综合思考，成就了分水器的设计和使用，如图18所示。

3 结语

在实验教学中往往涉及到各种实验仪器、装置以及操作，如果在教学过程中采用简单告知的方式去教学，学生也只能用机械记忆的方式去学习，这样就不能真正去理解仪器的构造原理、装置中各种仪器的作用以及实验操作的目的。若在教学中我们能够找到一种核心视角，通过该视角不仅能够有助于学生理解一个知识点，还能够对一类知识点进行高度归纳，这样学生在遇到陌生的问题时就能够依托该视角进行迁移思考从而起到触类旁通的效果，其教学效率就会得到提升。

参考文献：

[1][3][4]于海涛， 林进. 化学分离提纯技术[M]. 北京： 化学工业出版社， 2012： 58～65.

[2]章建锋. 一道实验题引发对蒸馏装置的讨论[J]. 化学教学， 2014，（12）： 91.

[5]王祖浩主编. 普通高中课程标准实验教科书·化学2[M]. 南京： 江苏凤凰教育出版社， 2016： 72.