对冷凝管中水流方向及相关内容教学的思考

2019-09-09林海斌郏菊平梁凌志

化学教学 2019年7期

林海斌郏菊平梁凌志

摘要：通过分析实验目的与冷凝管的常见放置方式之间的因果关系，在借鉴热传导规律的基础上帮助学生认识冷凝水流向的内在实质——逆流操作提高冷凝效率。教学中可以增进对热交换器、吸收塔等工业生产设备的工作原理等教学内容的深入理解，还可以更新和加强对硝酸工业流程图中的热交换器、饱和食盐水电解槽的认识，并根据实验目的或实际需求创新设计热交换器、饱和食盐水电解槽，在问题解决中探究、创新。

关键词：冷凝水流向; 化学教学; 教学探究

文章编号： 10056629（2019）7009007中图分类号： G633.8文献标识码： B

1 冷凝水流向的外在表现与本质追求

1.1 冷凝水流向的外在表现——下进上出

冷凝管有空气冷凝管（相当于玻璃管）和液体冷凝管（通常用水作冷却液，又可分为直形、球形、螺旋形等）。中学化学教材中使用液体冷凝管的装置主要有蒸馏装置和有机合成装置[1～4]（见图1），教材中通常标示了冷凝水的進、出口，

（a）获得蒸馏水《化学1》第20页

（b）石油蒸馏《化学2》第61页

（c）苯的溴化《有机化学基础》第50页

（d）对氨基苯磺酸的制备《实验化学》第95页

极易从形式上总结出“下进上出”的一般结论。而对此结论的解释往往采用反证：反向进、出水实验——冷凝水不能充满冷凝管，于是得出冷凝水“下进上出”是为了使冷凝管中充满冷凝水。

但笔者将出水端的橡皮管“挂”在铁架台上（见图2），使出水端的最高点高于进水端，也能使冷凝管中充满冷凝水。由此可见，“下进上出”是为了使冷凝管中充满冷凝水的解释是不够全面的。

笔者还设计了一个“特殊冷凝管”（见图3），倘若按照“下进上出”的规则，显然可以使冷凝管里充满冷凝水，但随之而来的问题就是与图1（a）（b）中的冷凝水流向恰恰相反。由此可见，上述结论及其解释只是一种形式上的总结，缺乏科学的依据。

1.2 冷凝水流向的本质追求——效率优先

冷凝管的放置基本上分为“卧式”[见图1（a）（b）]和“立式”[见图1（c）（d）]2种基本形式。冷凝管的放置形式反映了实验希望被冷凝液体（热流体）在重力作用下具有较为明确的流动方向，决定了冷凝管的不同功能：“卧式”冷凝管有“冷凝作用”（冷却待冷凝的物质，减少挥发），“立式”冷凝管有“冷凝、回流作用”（使挥发的反应物重返反应池，提高转化率）。可见，实验的目的决定了冷凝管的放置形式，特有的放置形式决定了冷凝管的功能。

冷凝的本质是热传递。笔者认为，冷凝管中冷凝水的流向是由被冷凝物质的流动方向决定的，两者的流动方向“往往是逆向”的，这个规律指引着笔者从对比“顺流”“逆流”的热传递效率或效果的角度来寻找依据。为了便于向学生解释，笔者结合中学生的认知水平假设了“顺流”“逆流”情境中冷热流体温度变化特点及其可能的演化（见图4）。

（a）顺流沿程温度变化

（b）顺流沿程温度演化

（c）逆流沿程温度变化

（d）逆流沿程温度演化

在材料传热系数、导热面积相同的情况下，交换热量与温差成正比。由图4（a）（b）可知：顺流冷凝时，沿程前段具有较好的冷却效率，后段逐渐降低，并存在沿程后段反向传热（热流体被加热）的风险;由图4（c）（d）可知：逆流冷凝时，沿程全段具有比较接近的冷却效率，几乎不会出现反向传热的可能。

运用传热学基本原理进行理论分析[5]可知，冷热流体沿程温度变化并非图4中的直线而是如图5所示的曲线（忽略了冷热流体的相变，相变流体其温度保持不变），但其基本规律及其演化推论与图4中的假设是相吻合的。

冷、热流体在顺流和逆流两种不同流动方式下的工作参数对比研究表明，采用逆流交换方式，换热面积更小，冷却水用量更小，工作效率更高[6～8]。由此可见，顺流、逆流操作决定了不同的

（a）顺流

（b）逆流：（cm）热>（cm）冷

（c）逆流：（cm）热<（cm）冷

工作效率，逆流冷凝的真实原因是为了提高热交换效率，减小换热面积和冷凝水的用量。

2 冷凝水流向对教学内容理解的启示

中学教材中的逆流操作不仅仅在冷凝管中出现，还出现在利用热传导原理的热交换器和冷却塔、利用化学反应原理的吸收塔等设备与装置中。由此可见，正确理解冷凝水逆流操作的意义，对于深入认识热交换器、冷却塔、吸收塔的结构[9， 10]（见图6）并深刻理解逆流操作的功能大有裨益。

2.1 基于热传导的逆流操作——冷却塔与热交换器

合成氨工业中的冷却塔[图6（a）]将热流体（NH3、 N2、 H2的混合气）与冷流体（水）采用逆流操作冷却热流体以提高H2的转化率（N2+3H22NH3， ΔH<0）并为液化NH3作准备。

（a）合成氨流程（《化学与技术》第22页）

（b）炼铁高炉（《化学1》第72页）

（c）硫酸制备流程（《化学1》P91，《化学与技术》第33页）

（d）硝酸制备流程（《化学1》第101页）

硫酸工业制备中的热交换器[图6（c）]将热流体（SO2+O2SO3， ΔH<0）与冷流体（SO2与空气的混合气）采用逆流操作（用很高温度的反应后混合气加热较高温度的反应前混合气，用较低温度的反应后混合气加热更低温度的反应前混合气），既加热冷流体达到反应所需的温度以加快反应速率，又冷却热流体以提高转化率，且充分利用了化学反应中释放的热量。

2.2 基于化学反应的逆流操作——沸腾炉与吸收塔

炼铁高炉[图6（b）]、硫酸工业中的沸腾炉[图6（c）]将固体物料从高处投料，空气则从低处通入，利用固体本身的重力而下落、空气因气压而上升，使固体物料与气体在整个逆流操作过程中充分接触并都能发生反应（如用高浓度的氧气氧化低含量的铁矿石，用低浓度的氧气氧化高含量的铁矿石），从而提高原料的利用率。

硫酸工业[图6（c）]中的吸收塔将液体物料（浓硫酸）从高处投料，混合气从低处通入，利用液体物料本身的重力而下落，混合气体因气压高低而上升，使液体物料与混合气体在整个逆流操作过程中充分接触并都能发生反应（如用98%的浓硫酸吸收SO3含量较低的混合气，用浓度更高的硫酸吸收含SO3更高的混合气），从而得到高浓度的产品（纯硫酸或发烟硫酸）。硝酸工业[图6（d）]中的吸收塔也采用逆流操作，让水在整个沿程中充分吸收混合气中的NO2，从而获得高浓度的浓硝酸。

3 冷凝水流向对教学方式选择的启示

正如逆流操作在科学研究和生产生活中的广泛应用，逆流操作在中学化学教学中也有着非凡的作用。笔者结合中学化学教学中学习热交换器、饱和食盐水电解槽等知识的教学实践作简单介绍。

3.1 在矛盾冲突中重认问题——问题学习

冷凝管在本质上就是一种热交换器，中学教材中有3种不同的图式：图6（d）中的热交换器属于顺流型，而图7[11]中的热交换器、水冷却器属于逆流型，还有混合型[12]（图7、图8中的冷却器也属于此类）。根据上述导热效率的分析可知，导热效率最高的是逆流型，最低的是顺流型，混合型居中（混合型冷却器往往是为了减少冷却器体积而设计的）。

《高一年级第二学期》第57页）

因此图6（d）中的热交换器就有改进的必要，笔者让学生根据图6（d）的基本框架绘制逆流型的热交换器，得到图9中的3类结果。通过互评发现（c）为最优，兼顾了整体构图的系统性和管道连接的简洁性，反映了图6（d）中的问题正是由于关注了整体构图和管道连接的视觉效果，忽视了逆流操作效率优先的本质追求。

教学中的这一尝试不仅让学生发现教材图式中的问题所在，同时还让学生通过自己的双手创造比教材中更为合理的图式，从而深刻地体验在整体构图中关注系统性，在细节处理中关注简洁性，在原理问题上关注本质性，从而实现视觉效果

3.2 在细微比较中更新认识——探究学习

饱和食盐水电解槽是高中化学各个版本教材中出现频率最高的电解槽[13]，其中以阳离子交换膜电解槽为最多，但出现了一组细微差别的电解槽[图10（a）（b）[14， 15]]，姑且分别称之为液体逆流型、液体顺流型。

电解槽的电解效率取决于电流密度，在其他条件相同的情况下，增大电解质中Na+的迁移速率是提高电解效率的关键。在阳离子交换膜电解槽中，Na+迁移的推动力有电势差（使Na+从高电势的阳极池迁移到阴极池）及浓度差（使Na+从

（a）液体逆流型

[苏教版《化学与技术》（第2版）第30页]

（b）液体顺流型

[苏教版《化学反应原理》（第2版）第19页]

高浓度的反应池迁移到低浓度的反應池），由此可见，图10（a）中电势差与浓度差的作用方向始终保持一致性，而（b）的中下段就有可能会出现电势差与浓度差作用方向相反的情况。

关于电解槽中的离子迁移推动力问题，我们还可以从图11中的3个电解槽[16]中的液面差得到某些启示：图11中的3个电解槽有一个共同特征是阳极室的液面均高于阴极室，这实际上是为了创造第3种离子迁移的推动力——压强差（压力差），阻碍（减少）OH-进入阳极室。

（a）简易电解槽

（苏教版《化学与技术》第26页）

（b）石棉隔膜电解槽

（苏教版《化学与技术》第30页）

（c）阳离子交换膜电解槽示意图

由此可见，电解槽中追求的是电解效率——即离子有效迁移的推动力。而图10（b）中造成液体顺流的可能原因也是由于关注了左右对称的视觉美而忽视了电解效率的本质美。无独有偶，图10（a）（b）中Cl-的转移方向错误（方向画反了）也正说明了绘图者这种失误：形式掩盖实质。

3.3 在现实需求中创新设施——创新学习

高中化学教材通常用图12（a）所示的实验装置电解饱和食盐水，以帮助学生认识饱和食盐水的电解产物，理解其反应原理，同时实现了反应产物的有效分离，避免了产物（Cl2与H2， Cl2与NaOH）之间的相互反应。

（a）制Cl2

（b）制“84消毒液”

（c）制Fe（OH）2及改进

由图12（a）可知，H2、 Cl2的密度小于水，它们在水溶液中的运动方向是自下而上，其动力是水的浮力（即压强差或压力差）;而OH-的运动方向是从左到右，其动力是电势差和浓度差。因此，一般情况下，刚开始电解的时候，OH-很难跟Cl2相遇，这正是实验目的的需要——制备氯气。如果长时间进行电解，整个溶液中c（OH-）较高，此时阳极附近的OH-和Cl2相互反应的情况就难以避免了： Cl2+2OH-ClO-+Cl-+H2O，这一反应正可用来制备NaClO以生产“84消毒液”。

倘若让学生根据上述物质迁移方向和动力特征重新设计电解装置以制备“84消毒液”，则会产生大量类似于图12（b）的电解装置，该装置的优点是在遵循Cl2移动方向不可改变的自然规则前提下，改变OH-的移动方向（调整电极方向）使其与Cl2的移动方向形成逆流：在装置的底部，低浓度的OH-吸收高浓度的Cl2;在装置的中部，中等浓度的OH-吸收中等浓度的Cl2;在装置的顶部高浓度的OH-吸收低浓度的Cl2。从而使NaOH溶液将Cl2充分吸收，且维持上、中、下反应相对平稳。这样一个简单装置的设计给予学生的最大启示在于：结构与功能统一，功能为目的服务。

当调换电极材料（铁为阳极，石墨为阴极）时则会导致哪些现象？有何功用？会出现哪些新问题？如何解决？如果将NaCl溶液换成NaOH溶液又会带来哪些问题？倘若其他气体如H2经过溶液时会降低溶解氧，如何调整电解装置以制备Fe（OH）2？……沿着这样的教学思路又会让学生参与到的新的学习任务中，从而不断地在问题中探究，在探究中创新[图12（c）]。

4 冷凝水流向对教学理想追求的启示

化学课堂教学实践中同样存在相类似的问题，如教学目标的确定、教学内容的组织、教学思路的构建、教学方法的选择，都涉及到教师对具体问题的判断与选择（见图13）[17]，因此也常常成为教师难以抉择的关键点。

我们不妨抛开所有问题先来回答一个更为根本性的问题——教学的终极目标是什么？不同的教师肯定会有不同的回答。笔者认为，教学的终极目标是学生学业发展、教师专业发展和课程教学发展的统一。由此，我们就能够更好、更全面地理解因材施教中的“材”实际上应该包括：学生的特点、教师的特质、课程及教学规律的要求，我们也会因此而尊重学生、尊重自我、尊重课程与教材，从而在教学实践中学会判断与选择，扬长避短，不断进步。

中学化学教师都非常熟悉“结构决定性质，性质反映结构”“性质决定用途，用途反映性质”，中学生物教师也都非常熟悉“结构决定功能，功能反映结构”，然而在实际问题的认识和解决过程中我们往往很难想起相类似的一些话：“目标决定内容，内容决定形式”“形式为内容服务，内容为目标服务”。冷凝水流向问题可以提醒我们：目的决定形式，方向预示效率。这既是教学选择的评判标准，也是教学理想的实践路径。

参考文献：

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