對冷凝管中水流方向及相關內容教學的思考

林海斌 郟菊平 梁凌志

摘要： 通過分析實驗目的與冷凝管的常見放置方式之間的因果關系，在借鑒熱傳導規律的基礎上幫助學生認識冷凝水流向的內在實質——逆流操作提高冷凝效率。教學中可以增進對熱交換器、吸收塔等工業生產設備的工作原理等教學內容的深入理解，還可以更新和加強對硝酸工業流程圖中的熱交換器、飽和食鹽水電解槽的認識，并根據實驗目的或實際需求創新設計熱交換器、飽和食鹽水電解槽，在問題解決中探究、創新。

關鍵詞： 冷凝水流向; 化學教學; 教學探究

文章編號： 10056629（2019）7009007中圖分類號： G633.8文獻標識碼： B

1 冷凝水流向的外在表現與本質追求

1.1 冷凝水流向的外在表現——下進上出

冷凝管有空氣冷凝管（相當于玻璃管）和液體冷凝管（通常用水作冷卻液，又可分為直形、球形、螺旋形等）。中學化學教材中使用液體冷凝管的裝置主要有蒸餾裝置和有機合成裝置[1～4]（見圖1），教材中通常標示了冷凝水的進、出口，

（a） 獲得蒸餾水《化學1》第20頁

（b） 石油蒸餾《化學2》第61頁

（c） 苯的溴化《有機化學基礎》第50頁

（d） 對氨基苯磺酸的制備《實驗化學》第95頁

極易從形式上總結出“下進上出”的一般結論。而對此結論的解釋往往采用反證： 反向進、出水實驗——冷凝水不能充滿冷凝管，于是得出冷凝水“下進上出”是為了使冷凝管中充滿冷凝水。

但筆者將出水端的橡皮管“掛”在鐵架臺上（見圖2），使出水端的最高點高于進水端，也能使冷凝管中充滿冷凝水。由此可見，“下進上出”是為了使冷凝管中充滿冷凝水的解釋是不夠全面的。

筆者還設計了一個“特殊冷凝管”（見圖3），倘若按照“下進上出”的規則，顯然可以使冷凝管里充滿冷凝水，但隨之而來的問題就是與圖1（a）（b）中的冷凝水流向恰恰相反。由此可見，上述結論及其解釋只是一種形式上的總結，缺乏科學的依據。

1.2 冷凝水流向的本質追求——效率優先

冷凝管的放置基本上分為“臥式”[見圖1（a）（b）]和“立式”[見圖1（c）（d）]2種基本形式。冷凝管的放置形式反映了實驗希望被冷凝液體（熱流體）在重力作用下具有較為明確的流動方向，決定了冷凝管的不同功能：“臥式”冷凝管有“冷凝作用”（冷卻待冷凝的物質，減少揮發），“立式”冷凝管有“冷凝、回流作用”（使揮發的反應物重返反應池，提高轉化率）。可見，實驗的目的決定了冷凝管的放置形式，特有的放置形式決定了冷凝管的功能。

冷凝的本質是熱傳遞。筆者認為，冷凝管中冷凝水的流向是由被冷凝物質的流動方向決定的，兩者的流動方向“往往是逆向”的，這個規律指引著筆者從對比“順流”“逆流”的熱傳遞效率或效果的角度來尋找依據。為了便于向學生解釋，筆者結合中學生的認知水平假設了“順流”“逆流”情境中冷熱流體溫度變化特點及其可能的演化（見圖4）。

（a） 順流沿程溫度變化

（b） 順流沿程溫度演化

（c） 逆流沿程溫度變化

（d） 逆流沿程溫度演化

在材料傳熱系數、導熱面積相同的情況下，交換熱量與溫差成正比。由圖4（a）（b）可知： 順流冷凝時，沿程前段具有較好的冷卻效率，后段逐漸降低，并存在沿程后段反向傳熱（熱流體被加熱）的風險;由圖4（c）（d）可知： 逆流冷凝時，沿程全段具有比較接近的冷卻效率，幾乎不會出現反向傳熱的可能。

運用傳熱學基本原理進行理論分析[5]可知，冷熱流體沿程溫度變化并非圖4中的直線而是如圖5所示的曲線（忽略了冷熱流體的相變，相變流體其溫度保持不變），但其基本規律及其演化推論與圖4中的假設是相吻合的。

冷、熱流體在順流和逆流兩種不同流動方式下的工作參數對比研究表明，采用逆流交換方式，換熱面積更小，冷卻水用量更小，工作效率更高[6～8]。由此可見，順流、逆流操作決定了不同的

（a） 順流

（b） 逆流： （cm）熱>（cm）冷

（c） 逆流： （cm）熱<（cm）冷

工作效率，逆流冷凝的真實原因是為了提高熱交換效率，減小換熱面積和冷凝水的用量。

2 冷凝水流向對教學內容理解的啟示

中學教材中的逆流操作不僅僅在冷凝管中出現，還出現在利用熱傳導原理的熱交換器和冷卻塔、利用化學反應原理的吸收塔等設備與裝置中。由此可見，正確理解冷凝水逆流操作的意義，對于深入認識熱交換器、冷卻塔、吸收塔的結構[9， 10]（見圖6）并深刻理解逆流操作的功能大有裨益。

2.1 基于熱傳導的逆流操作——冷卻塔與熱交換器

合成氨工業中的冷卻塔[圖6（a）]將熱流體（NH3、 N2、 H2的混合氣）與冷流體（水）采用逆流操作冷卻熱流體以提高H2的轉化率（N2+3H22NH3， ΔH<0）并為液化NH3作準備。

（a） 合成氨流程（《化學與技術》第22頁）

（b） 煉鐵高爐（《化學1》第72頁）

（c） 硫酸制備流程（《化學1》P91，《化學與技術》第33頁）

（d） 硝酸制備流程（《化學1》第101頁）

硫酸工業制備中的熱交換器[圖6（c）]將熱流體（SO2+O2SO3， ΔH<0）與冷流體（SO2與空氣的混合氣）采用逆流操作（用很高溫度的反應后混合氣加熱較高溫度的反應前混合氣，用較低溫度的反應后混合氣加熱更低溫度的反應前混合氣），既加熱冷流體達到反應所需的溫度以加快反應速率，又冷卻熱流體以提高轉化率，且充分利用了化學反應中釋放的熱量。

2.2 基于化學反應的逆流操作——沸騰爐與吸收塔

煉鐵高爐[圖6（b）]、硫酸工業中的沸騰爐[圖6（c）]將固體物料從高處投料，空氣則從低處通入，利用固體本身的重力而下落、空氣因氣壓而上升，使固體物料與氣體在整個逆流操作過程中充分接觸并都能發生反應（如用高濃度的氧氣氧化低含量的鐵礦石，用低濃度的氧氣氧化高含量的鐵礦石），從而提高原料的利用率。

硫酸工業[圖6（c）]中的吸收塔將液體物料（濃硫酸）從高處投料，混合氣從低處通入，利用液體物料本身的重力而下落，混合氣體因氣壓高低而上升，使液體物料與混合氣體在整個逆流操作過程中充分接觸并都能發生反應（如用98%的濃硫酸吸收SO3含量較低的混合氣，用濃度更高的硫酸吸收含SO3更高的混合氣），從而得到高濃度的產品（純硫酸或發煙硫酸）。硝酸工業[圖6（d）]中的吸收塔也采用逆流操作，讓水在整個沿程中充分吸收混合氣中的NO2，從而獲得高濃度的濃硝酸。

3 冷凝水流向對教學方式選擇的啟示

正如逆流操作在科學研究和生產生活中的廣泛應用，逆流操作在中學化學教學中也有著非凡的作用。筆者結合中學化學教學中學習熱交換器、飽和食鹽水電解槽等知識的教學實踐作簡單介紹。

3.1 在矛盾沖突中重認問題——問題學習

冷凝管在本質上就是一種熱交換器，中學教材中有3種不同的圖式： 圖6（d）中的熱交換器屬于順流型，而圖7[11]中的熱交換器、水冷卻器屬于逆流型，還有混合型[12]（圖7、圖8中的冷卻器也屬于此類）。根據上述導熱效率的分析可知，導熱效率最高的是逆流型，最低的是順流型，混合型居中（混合型冷卻器往往是為了減少冷卻器體積而設計的）。

《高一年級第二學期》第57頁）

因此圖6（d）中的熱交換器就有改進的必要，筆者讓學生根據圖6（d）的基本框架繪制逆流型的熱交換器，得到圖9中的3類結果。通過互評發現（c）為最優，兼顧了整體構圖的系統性和管道連接的簡潔性，反映了圖6（d）中的問題正是由于關注了整體構圖和管道連接的視覺效果，忽視了逆流操作效率優先的本質追求。

教學中的這一嘗試不僅讓學生發現教材圖式中的問題所在，同時還讓學生通過自己的雙手創造比教材中更為合理的圖式，從而深刻地體驗在整體構圖中關注系統性，在細節處理中關注簡潔性，在原理問題上關注本質性，從而實現視覺效果

3.2 在細微比較中更新認識——探究學習

飽和食鹽水電解槽是高中化學各個版本教材中出現頻率最高的電解槽[13]，其中以陽離子交換膜電解槽為最多，但出現了一組細微差別的電解槽[圖10（a）（b）[14， 15]]，姑且分別稱之為液體逆流型、液體順流型。

電解槽的電解效率取決于電流密度，在其他條件相同的情況下，增大電解質中Na+的遷移速率是提高電解效率的關鍵。在陽離子交換膜電解槽中，Na+遷移的推動力有電勢差（使Na+從高電勢的陽極池遷移到陰極池）及濃度差（使Na+從

（a） 液體逆流型

[蘇教版《化學與技術》（第2版）第30頁]

（b） 液體順流型

[蘇教版《化學反應原理》（第2版）第19頁]

高濃度的反應池遷移到低濃度的反應池），由此可見，圖10（a）中電勢差與濃度差的作用方向始終保持一致性，而（b）的中下段就有可能會出現電勢差與濃度差作用方向相反的情況。

關于電解槽中的離子遷移推動力問題，我們還可以從圖11中的3個電解槽[16]中的液面差得到某些啟示： 圖11中的3個電解槽有一個共同特征是陽極室的液面均高于陰極室，這實際上是為了創造第3種離子遷移的推動力——壓強差（壓力差），阻礙（減少）OH-進入陽極室。

（a） 簡易電解槽

（蘇教版《化學與技術》第26頁）

（b） 石棉隔膜電解槽

（蘇教版《化學與技術》第30頁）

（c） 陽離子交換膜電解槽示意圖

由此可見，電解槽中追求的是電解效率——即離子有效遷移的推動力。而圖10（b）中造成液體順流的可能原因也是由于關注了左右對稱的視覺美而忽視了電解效率的本質美。無獨有偶，圖10（a）（b）中Cl-的轉移方向錯誤（方向畫反了）也正說明了繪圖者這種失誤： 形式掩蓋實質。

3.3 在現實需求中創新設施——創新學習

高中化學教材通常用圖12（a）所示的實驗裝置電解飽和食鹽水，以幫助學生認識飽和食鹽水的電解產物，理解其反應原理，同時實現了反應產物的有效分離，避免了產物（Cl2與H2， Cl2與NaOH）之間的相互反應。

（a） 制Cl2

（b） 制“84消毒液”

（c） 制Fe（OH）2及改進

由圖12（a）可知，H2、 Cl2的密度小于水，它們在水溶液中的運動方向是自下而上，其動力是水的浮力（即壓強差或壓力差）;而OH-的運動方向是從左到右，其動力是電勢差和濃度差。因此，一般情況下，剛開始電解的時候，OH-很難跟Cl2相遇，這正是實驗目的的需要——制備氯氣。如果長時間進行電解，整個溶液中c（OH-）較高，此時陽極附近的OH-和Cl2相互反應的情況就難以避免了： Cl2+2OH-ClO-+Cl-+H2O，這一反應正可用來制備NaClO以生產“84消毒液”。

倘若讓學生根據上述物質遷移方向和動力特征重新設計電解裝置以制備“84消毒液”，則會產生大量類似于圖12（b）的電解裝置，該裝置的優點是在遵循Cl2移動方向不可改變的自然規則前提下，改變OH-的移動方向（調整電極方向）使其與Cl2的移動方向形成逆流： 在裝置的底部，低濃度的OH-吸收高濃度的Cl2;在裝置的中部，中等濃度的OH-吸收中等濃度的Cl2;在裝置的頂部高濃度的OH-吸收低濃度的Cl2。從而使NaOH溶液將Cl2充分吸收，且維持上、中、下反應相對平穩。這樣一個簡單裝置的設計給予學生的最大啟示在于： 結構與功能統一，功能為目的服務。

當調換電極材料（鐵為陽極，石墨為陰極）時則會導致哪些現象？有何功用？會出現哪些新問題？如何解決？如果將NaCl溶液換成NaOH溶液又會帶來哪些問題？倘若其他氣體如H2經過溶液時會降低溶解氧，如何調整電解裝置以制備Fe（OH）2？……沿著這樣的教學思路又會讓學生參與到的新的學習任務中，從而不斷地在問題中探究，在探究中創新[圖12（c）]。

4 冷凝水流向對教學理想追求的啟示

化學課堂教學實踐中同樣存在相類似的問題，如教學目標的確定、教學內容的組織、教學思路的構建、教學方法的選擇，都涉及到教師對具體問題的判斷與選擇（見圖13）[17]，因此也常常成為教師難以抉擇的關鍵點。

我們不妨拋開所有問題先來回答一個更為根本性的問題——教學的終極目標是什么？不同的教師肯定會有不同的回答。筆者認為，教學的終極目標是學生學業發展、教師專業發展和課程教學發展的統一。由此，我們就能夠更好、更全面地理解因材施教中的“材”實際上應該包括： 學生的特點、教師的特質、課程及教學規律的要求，我們也會因此而尊重學生、尊重自我、尊重課程與教材，從而在教學實踐中學會判斷與選擇，揚長避短，不斷進步。

中學化學教師都非常熟悉“結構決定性質，性質反映結構”“性質決定用途，用途反映性質”，中學生物教師也都非常熟悉“結構決定功能，功能反映結構”，然而在實際問題的認識和解決過程中我們往往很難想起相類似的一些話：“目標決定內容，內容決定形式”“形式為內容服務，內容為目標服務”。冷凝水流向問題可以提醒我們： 目的決定形式，方向預示效率。這既是教學選擇的評判標準，也是教學理想的實踐路徑。

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