中學(xué)化學(xué)實(shí)驗(yàn)中的蒸氣冷凝方法列舉與評(píng)析

韓程明　王愫懿

(1江蘇省東海高級(jí)中學(xué)江蘇東海222300；2東海縣教育局教研室江蘇東海222300)

中學(xué)化學(xué)實(shí)驗(yàn)中的蒸氣冷凝方法列舉與評(píng)析

韓程明1王愫懿2

(1江蘇省東海高級(jí)中學(xué)江蘇東海222300；2東海縣教育局教研室江蘇東海222300)

摘要：列舉了中學(xué)化學(xué)實(shí)驗(yàn)中將氣體冷凝為液體或固體的各種冷卻方法,分別對(duì)冷卻劑是氣體、冷卻劑是液體的冷凝方法的裝置、原理及使用過(guò)程中的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行了評(píng)價(jià)與分析。對(duì)冷卻水在冷凝管中的流向問(wèn)題,提出了自己的觀點(diǎn)并進(jìn)行了分析與闡述。

關(guān)鍵詞：氣體冷卻實(shí)驗(yàn)；液體冷卻劑；氣體冷卻劑

中學(xué)化學(xué)課本中經(jīng)常有將氣體冷凝為液體或固體的實(shí)驗(yàn)，該類(lèi)實(shí)驗(yàn)的原理是：利用熱交換原理使氣體冷卻凝結(jié)為液體或固體。用冷卻劑將氣體冷凝的實(shí)驗(yàn)通常見(jiàn)于液態(tài)有機(jī)物的分離（蒸餾或分餾）、蒸餾水的制取、某些氣態(tài)物質(zhì)的分離、反應(yīng)物的回流利用等實(shí)驗(yàn)。

本文中，筆者將多年教學(xué)實(shí)踐中積累的經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行了歸納，并對(duì)氣體冷凝的各種化學(xué)實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行了評(píng)析，在此提出與同行們共同研究。

一、冷卻劑是液體的冷卻方法列舉與評(píng)析

用液態(tài)冷卻劑將較高溫度下的氣體轉(zhuǎn)化為液體，達(dá)到冷凝回流或冷凝后收集的目的，在中學(xué)化學(xué)是常用的一種實(shí)驗(yàn)操作方法。在中學(xué)化學(xué)常用的液態(tài)冷卻劑有：水、冰水、冰鹽水等。由于冷卻要求的不同，有的冷卻劑是放在燒杯中，有的冷卻劑是流動(dòng)在專(zhuān)用儀器——冷凝管中。

1.冷卻劑放在燒杯中的蒸氣冷凝收集裝置

（1）設(shè)計(jì)原理

如果要冷凝為液體的氣體的沸點(diǎn)比較高，且所要冷凝的氣體的量較少，可以用圖1、圖2、圖3、圖4這樣的裝置對(duì)氣體進(jìn)行冷凝。

圖1　

圖2　

圖3　

圖4　

例如：證明實(shí)驗(yàn)室二氧化硫催化氧化裝置中出來(lái)的混合氣體中除了有SO2、O2氣體外還有SO3氣體時(shí)，就可將混合氣通過(guò)圖3或圖4裝置，當(dāng)U型管或試管的底部出現(xiàn)固體時(shí)，就能證明SO3的存在。

又如：在證明石蠟催化裂化時(shí)能產(chǎn)生汽油的實(shí)驗(yàn)中，可將催化裝置中產(chǎn)生的氣體通過(guò)圖1或圖2裝置，當(dāng)U型管或試管的底部出現(xiàn)液體（可聞到汽油味）時(shí)，就能證明汽油的生成。

如用冰水作冷卻劑，燒杯中的溫度是0℃；如用冰鹽水作冷卻劑時(shí)，燒杯中的溫度低于零攝氏度（如氯化鈣與冰水組成的混合物，可使體系溫度降至-20℃左右［1］）。被冷凝氣體的沸點(diǎn)越低，所選用的冷卻劑的溫度應(yīng)該越低。

（2）對(duì)該類(lèi)裝置的分析評(píng)價(jià)

用U型管做氣體冷凝裝置時(shí)，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中產(chǎn)生液體或固體的量不能太多，否則會(huì)因?yàn)閁型管的堵塞而影響氣體的通過(guò)。用試管作氣體冷凝液裝置時(shí)，通入氣體時(shí)速率不易太快，否則會(huì)影響冷凝效果。

不論用U型管還是試管作氣體冷凝裝置，U型管、試管都要盡可能多的浸入冷卻劑中（如圖1～圖4所示），才能達(dá)到好的冷卻效果。

用圖1～圖4等裝置做氣體冷凝裝置時(shí)，不適宜連續(xù)性實(shí)驗(yàn)，也不適宜將大量的氣體冷凝為液體或固體，因?yàn)闊械睦鋮s劑的量是有限的，隨著實(shí)驗(yàn)的進(jìn)行冷卻劑的溫度會(huì)逐漸升高而降低冷凝效果。如果要連續(xù)性冷凝氣體得到大量的液體的話，可使用冷凝管。

2.使用冷凝管的蒸氣冷凝收集裝置

（1）冷凝管介紹

冷凝管常用于蒸餾水的制取或有機(jī)物的蒸餾分離、回流等裝置中，主要起冷凝收集液體或回流液態(tài)反應(yīng)物的作用。它是一種利用熱交換原理使氣體冷卻凝結(jié)為液體的玻璃儀器。冷凝管由內(nèi)、外玻璃管組合而成，在其外管的上下兩側(cè)分別有連接管接頭，用作進(jìn)水口和出水口。

冷凝管有直形（見(jiàn)圖5）、球形（見(jiàn)圖6）、蛇形三種。直形冷凝管用于蒸餾操作，冷凝沸點(diǎn)較高的液體；蛇形冷凝管用于有機(jī)制備中的回流，適用于沸點(diǎn)較低的液體；球形冷凝管用于有機(jī)制備中的回流，適用于各種沸點(diǎn)范圍的液體［2］。

（2）使用原理

圖5蒸餾裝置中的冷凝管在使用時(shí)應(yīng)將下端的a連接口通過(guò)橡膠管接上水龍頭，作進(jìn)水口，b連接口是冷卻水的出口；被冷凝蒸氣從支管口流出后經(jīng)內(nèi)管向下流動(dòng)時(shí)被水冷凝為液體，通過(guò)牛角管流入液體接受器中。

圖6中的冷凝管用橡皮塞連接在蒸餾瓶上，接通冷水后亦可使受熱而氣化的反應(yīng)物被冷凝后流回反應(yīng)器，用來(lái)提高原料的利用率。

無(wú)論是在圖5還是圖6中，蒸氣的冷凝發(fā)生在內(nèi)管的內(nèi)壁上，內(nèi)外管所圍出的空間則為冷卻劑流動(dòng)區(qū)，冷卻劑流動(dòng)時(shí)吸收蒸氣熱量并將熱量移走，冷凝管是一種熱量交換器。

圖5　

圖6　

（3）對(duì)冷凝管使用的分析與評(píng)價(jià)

直形冷凝器使用時(shí)，既可向下傾斜安裝（如圖5），又可直立使用（如圖6）；而球形或蛇形冷凝器只能直立使用（如圖6），否則因內(nèi)管積液或冷凝液形成斷續(xù)液柱而造成局部液封，致使冷凝液不能從下口流出。

冷卻劑在冷凝管中的流動(dòng)方向應(yīng)該與被冷卻的蒸氣在內(nèi)管中的流動(dòng)方向相反，這種冷卻方式被稱(chēng)為“逆流式冷卻”，冷卻效果好。

水是通常使用的冷卻劑。進(jìn)水口與自來(lái)水龍頭相連接，利用自來(lái)水管中的水壓差，形成了冷凝管中水的流動(dòng)，水的流動(dòng)速度要隨視被冷凝物質(zhì)的沸點(diǎn)高低而調(diào)整。

2006年江蘇省高考化學(xué)卷第4題、2006年上海市高考化學(xué)卷第26題、2008年江蘇省高考化學(xué)卷第15題中冷凝管的使用都是這種逆流式冷卻方式。

三、冷卻劑是氣體的冷凝方法列舉與評(píng)析

當(dāng)反應(yīng)裝置中有易揮發(fā)的液態(tài)物質(zhì)且反應(yīng)是放熱或需要加熱時(shí)，為了避免反應(yīng)物損耗和充分利用原料，要在發(fā)生裝置中設(shè)計(jì)冷凝回流裝置，使揮發(fā)的反應(yīng)物由受熱下的氣態(tài)冷凝為常態(tài)下的液態(tài)，從而回流收集于原反應(yīng)裝置。

（1）設(shè)計(jì)原理

化學(xué)實(shí)驗(yàn)中通常也用空氣冷凝管或長(zhǎng)玻璃導(dǎo)管作為蒸氣冷凝裝置。空氣冷凝管在中學(xué)階段沒(méi)有出現(xiàn)過(guò)，而常見(jiàn)的是長(zhǎng)玻璃導(dǎo)管作為冷凝裝置使用。

當(dāng)液態(tài)反應(yīng)物由于受熱而產(chǎn)生的蒸氣通過(guò)長(zhǎng)長(zhǎng)的玻璃導(dǎo)管時(shí)（如圖7、圖8所示），就被導(dǎo)管外部流動(dòng)的空氣冷凝為液體，然后回流到原反應(yīng)裝置中，這樣可以提高原料的利用率。

（2）對(duì)該類(lèi)裝置的分析評(píng)價(jià)

在用圖7裝置做制備溴苯的實(shí)驗(yàn)時(shí)，長(zhǎng)玻璃導(dǎo)管的a口連接其他儀器，在分析圖7裝置中長(zhǎng)導(dǎo)管的作用時(shí)，學(xué)生只注意其導(dǎo)氣作用而忽略冷凝作用。

在用圖8裝置做制備酚醛樹(shù)脂的實(shí)驗(yàn)時(shí)，由于長(zhǎng)玻璃導(dǎo)管的a口不連接其他儀器，在分析圖8裝置中長(zhǎng)玻璃導(dǎo)管的作用時(shí)，學(xué)生只注意其冷凝回流作用而忽略平衡試管內(nèi)外壓強(qiáng)的作用。

圖7　

圖8　

要特別注意的是：被長(zhǎng)玻璃導(dǎo)管冷凝回流的物質(zhì)的沸點(diǎn)不能太低或太高。沸點(diǎn)高的物質(zhì)（如濃硫酸、濃磷酸等），在反應(yīng)體系的溫度升高時(shí)是很難揮發(fā)的，所以沒(méi)有必要冷凝回流；沸點(diǎn)太低的物質(zhì)（如氨氣、甲醛等），在常溫很難轉(zhuǎn)化為液體，所以長(zhǎng)導(dǎo)管冷卻裝置無(wú)法對(duì)其冷凝回流。因而，長(zhǎng)玻璃導(dǎo)管冷凝回流的物質(zhì)一般常溫下是液體且沸點(diǎn)不高（如苯、甲苯、乙醇、乙酸、乙酸乙酯等）。

以上所述，是筆者對(duì)中學(xué)化學(xué)實(shí)驗(yàn)中的氣體冷卻方法列舉與評(píng)析，其中的某些觀點(diǎn)與說(shuō)法未必妥貼，在此提出與同行們共同商榷，敬請(qǐng)各位同仁批評(píng)指正。

參考文獻(xiàn)

［1］馮長(zhǎng)君,唐玄馨,夏慶海.化學(xué)實(shí)驗(yàn)研究新編［M］.徐州：中國(guó)礦業(yè)大學(xué)出版社,1993：153

［2］劉正賢.中學(xué)化學(xué)實(shí)驗(yàn)大全［M］.上海：上海教育出版社,1994：33,104

文章編號(hào)：1008-0546(2010)02-0069-02中圖分類(lèi)號(hào)：G633.8

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2010.02.0291