林海斌 郟菊平 梁凌志

摘要： 通過(guò)分析實(shí)驗(yàn)?zāi)康呐c冷凝管的常見(jiàn)放置方式之間的因果關(guān)系，在借鑒熱傳導(dǎo)規(guī)律的基礎(chǔ)上幫助學(xué)生認(rèn)識(shí)冷凝水流向的內(nèi)在實(shí)質(zhì)——逆流操作提高冷凝效率。教學(xué)中可以增進(jìn)對(duì)熱交換器、吸收塔等工業(yè)生產(chǎn)設(shè)備的工作原理等教學(xué)內(nèi)容的深入理解，還可以更新和加強(qiáng)對(duì)硝酸工業(yè)流程圖中的熱交換器、飽和食鹽水電解槽的認(rèn)識(shí)，并根據(jù)實(shí)驗(yàn)?zāi)康幕驅(qū)嶋H需求創(chuàng)新設(shè)計(jì)熱交換器、飽和食鹽水電解槽，在問(wèn)題解決中探究、創(chuàng)新。

關(guān)鍵詞： 冷凝水流向; 化學(xué)教學(xué); 教學(xué)探究

文章編號(hào)： 10056629（2019）7009007中圖分類號(hào)： G633.8文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： B

1 冷凝水流向的外在表現(xiàn)與本質(zhì)追求

1.1 冷凝水流向的外在表現(xiàn)——下進(jìn)上出

冷凝管有空氣冷凝管（相當(dāng)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(xué)化學(xué)教材中使用液體冷凝管的裝置主要有蒸餾裝置和有機(jī)合成裝置[1～4]（見(jiàn)圖1），教材中通常標(biāo)示了冷凝水的進(jìn)、出口，

（a） 獲得蒸餾水《化學(xué)1》第20頁(yè)

（b） 石油蒸餾《化學(xué)2》第61頁(yè)

（c） 苯的溴化《有機(jī)化學(xué)基礎(chǔ)》第50頁(yè)

（d） 對(duì)氨基苯磺酸的制備《實(shí)驗(yàn)化學(xué)》第95頁(yè)

極易從形式上總結(jié)出“下進(jìn)上出”的一般結(jié)論。而對(duì)此結(jié)論的解釋往往采用反證： 反向進(jìn)、出水實(shí)驗(yàn)——冷凝水不能充滿冷凝管，于是得出冷凝水“下進(jìn)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(tái)上（見(jiàn)圖2），使出水端的最高點(diǎn)高于進(jìn)水端，也能使冷凝管中充滿冷凝水。由此可見(jiàn)，“下進(jìn)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(shè)計(jì)了一個(gè)“特殊冷凝管”（見(jiàn)圖3），倘若按照“下進(jìn)上出”的規(guī)則，顯然可以使冷凝管里充滿冷凝水，但隨之而來(lái)的問(wèn)題就是與圖1（a）（b）中的冷凝水流向恰恰相反。由此可見(jiàn)，上述結(jié)論及其解釋只是一種形式上的總結(jié)，缺乏科學(xué)的依據(jù)。

1.2 冷凝水流向的本質(zhì)追求——效率優(yōu)先

冷凝管的放置基本上分為“臥式”[見(jiàn)圖1（a）（b）]和“立式”[見(jiàn)圖1（c）（d）]2種基本形式。冷凝管的放置形式反映了實(shí)驗(yàn)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(dòng)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(zhì)，減少揮發(fā)），“立式”冷凝管有“冷凝、回流作用”（使揮發(fā)的反應(yīng)物重返反應(yīng)池，提高轉(zhuǎn)化率）?？梢?jiàn)，實(shí)驗(yàn)的目的決定了冷凝管的放置形式，特有的放置形式?jīng)Q定了冷凝管的功能。

冷凝的本質(zhì)是熱傳遞。筆者認(rèn)為，冷凝管中冷凝水的流向是由被冷凝物質(zhì)的流動(dòng)方向決定的，兩者的流動(dòng)方向“往往是逆向”的，這個(gè)規(guī)律指引著筆者從對(duì)比“順流”“逆流”的熱傳遞效率或效果的角度來(lái)尋找依據(jù)。為了便于向?qū)W生解釋，筆者結(jié)合中學(xué)生的認(rèn)知水平假設(shè)了“順流”“逆流”情境中冷熱流體溫度變化特點(diǎn)及其可能的演化（見(jiàn)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(shù)、導(dǎo)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(shí)，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(fēng)險(xiǎn);由圖4（c）（d）可知： 逆流冷凝時(shí)，沿程全段具有比較接近的冷卻效率，幾乎不會(huì)出現(xiàn)反向傳熱的可能。

運(yùn)用傳熱學(xué)基本原理進(jìn)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(guī)律及其演化推論與圖4中的假設(shè)是相吻合的。

冷、熱流體在順流和逆流兩種不同流動(dòng)方式下的工作參數(shù)對(duì)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(jiàn)，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(shí)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?qū)虒W(xué)內(nèi)容理解的啟示

中學(xué)教材中的逆流操作不僅僅在冷凝管中出現(xiàn)，還出現(xiàn)在利用熱傳導(dǎo)原理的熱交換器和冷卻塔、利用化學(xué)反應(yīng)原理的吸收塔等設(shè)備與裝置中。由此可見(jiàn)，正確理解冷凝水逆流操作的意義，對(duì)于深入認(rèn)識(shí)熱交換器、冷卻塔、吸收塔的結(jié)構(gòu)[9， 10]（見(jiàn)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(dǎo)的逆流操作——冷卻塔與熱交換器

合成氨工業(yè)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(zhuǎn)化率（N2+3H22NH3， ΔH<0）并為液化NH3作準(zhǔn)備。

（a） 合成氨流程（《化學(xué)與技術(shù)》第22頁(yè)）

（b） 煉鐵高爐（《化學(xué)1》第72頁(yè)）

（c） 硫酸制備流程（《化學(xué)1》P91，《化學(xué)與技術(shù)》第33頁(yè)）

（d） 硝酸制備流程（《化學(xué)1》第101頁(yè)）

硫酸工業(yè)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(yīng)后混合氣加熱較高溫度的反應(yīng)前混合氣，用較低溫度的反應(yīng)后混合氣加熱更低溫度的反應(yīng)前混合氣），既加熱冷流體達(dá)到反應(yīng)所需的溫度以加快反應(yīng)速率，又冷卻熱流體以提高轉(zhuǎn)化率，且充分利用了化學(xué)反應(yīng)中釋放的熱量。

2.2 基于化學(xué)反應(yīng)的逆流操作——沸騰爐與吸收塔

煉鐵高爐[圖6（b）]、硫酸工業(yè)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(gè)逆流操作過(guò)程中充分接觸并都能發(fā)生反應(yīng)（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(yè)[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(gè)逆流操作過(guò)程中充分接觸并都能發(fā)生反應(yīng)（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(chǎn)品（純硫酸或發(fā)煙硫酸）。硝酸工業(yè)[圖6（d）]中的吸收塔也采用逆流操作，讓水在整個(gè)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?qū)虒W(xué)方式選擇的啟示

正如逆流操作在科學(xué)研究和生產(chǎn)生活中的廣泛應(yīng)用，逆流操作在中學(xué)化學(xué)教學(xué)中也有著非凡的作用。筆者結(jié)合中學(xué)化學(xué)教學(xué)中學(xué)習(xí)熱交換器、飽和食鹽水電解槽等知識(shí)的教學(xué)實(shí)踐作簡(jiǎn)單介紹。

3.1 在矛盾沖突中重認(rèn)問(wèn)題——問(wèn)題學(xué)習(xí)

冷凝管在本質(zhì)上就是一種熱交換器，中學(xué)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(jù)上述導(dǎo)熱效率的分析可知，導(dǎo)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(shè)計(jì)的）。

《高一年級(jí)第二學(xué)期》第57頁(yè)）

因此圖6（d）中的熱交換器就有改進(jìn)的必要，筆者讓學(xué)生根據(jù)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(jié)果。通過(guò)互評(píng)發(fā)現(xiàn)（c）為最優(yōu)，兼顧了整體構(gòu)圖的系統(tǒng)性和管道連接的簡(jiǎn)潔性，反映了圖6（d）中的問(wèn)題正是由于關(guān)注了整體構(gòu)圖和管道連接的視覺(jué)效果，忽視了逆流操作效率優(yōu)先的本質(zhì)追求。

教學(xué)中的這一嘗試不僅讓學(xué)生發(fā)現(xiàn)教材圖式中的問(wèn)題所在，同時(shí)還讓學(xué)生通過(guò)自己的雙手創(chuàng)造比教材中更為合理的圖式，從而深刻地體驗(yàn)在整體構(gòu)圖中關(guān)注系統(tǒng)性，在細(xì)節(jié)處理中關(guān)注簡(jiǎn)潔性，在原理問(wèn)題上關(guān)注本質(zhì)性，從而實(shí)現(xiàn)視覺(jué)效果

3.2 在細(xì)微比較中更新認(rèn)識(shí)——探究學(xué)習(xí)

飽和食鹽水電解槽是高中化學(xué)各個(gè)版本教材中出現(xiàn)頻率最高的電解槽[13]，其中以陽(yáng)離子交換膜電解槽為最多，但出現(xiàn)了一組細(xì)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(zhì)中Na+的遷移速率是提高電解效率的關(guān)鍵。在陽(yáng)離子交換膜電解槽中，Na+遷移的推動(dòng)力有電勢(shì)差（使Na+從高電勢(shì)的陽(yáng)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(xué)與技術(shù)》（第2版）第30頁(yè)]

（b） 液體順流型

[蘇教版《化學(xué)反應(yīng)原理》（第2版）第19頁(yè)]

高濃度的反應(yīng)池遷移到低濃度的反應(yīng)池），由此可見(jiàn)，圖10（a）中電勢(shì)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(huì)出現(xiàn)電勢(shì)差與濃度差作用方向相反的情況。

關(guān)于電解槽中的離子遷移推動(dòng)力問(wèn)題，我們還可以從圖11中的3個(gè)電解槽[16]中的液面差得到某些啟示： 圖11中的3個(gè)電解槽有一個(gè)共同特征是陽(yáng)極室的液面均高于陰極室，這實(shí)際上是為了創(chuàng)造第3種離子遷移的推動(dòng)力——壓強(qiáng)差（壓力差），阻礙（減少）OH-進(jìn)入陽(yáng)極室。

（a） 簡(jiǎn)易電解槽

（蘇教版《化學(xué)與技術(shù)》第26頁(yè)）

（b） 石棉隔膜電解槽

（蘇教版《化學(xué)與技術(shù)》第30頁(yè)）

（c） 陽(yáng)離子交換膜電解槽示意圖

由此可見(jiàn)，電解槽中追求的是電解效率——即離子有效遷移的推動(dòng)力。而圖10（b）中造成液體順流的可能原因也是由于關(guān)注了左右對(duì)稱的視覺(jué)美而忽視了電解效率的本質(zhì)美。無(wú)獨(dú)有偶，圖10（a）（b）中Cl-的轉(zhuǎn)移方向錯(cuò)誤（方向畫反了）也正說(shuō)明了繪圖者這種失誤： 形式掩蓋實(shí)質(zhì)。

3.3 在現(xiàn)實(shí)需求中創(chuàng)新設(shè)施——?jiǎng)?chuàng)新學(xué)習(xí)

高中化學(xué)教材通常用圖12（a）所示的實(shí)驗(yàn)裝置電解飽和食鹽水，以幫助學(xué)生認(rèn)識(shí)飽和食鹽水的電解產(chǎn)物，理解其反應(yīng)原理，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了反應(yīng)產(chǎn)物的有效分離，避免了產(chǎn)物（Cl2與H2， Cl2與NaOH）之間的相互反應(yīng)。

（a） 制Cl2

（b） 制“84消毒液”

（c） 制Fe（OH）2及改進(jìn)

由圖12（a）可知，H2、 Cl2的密度小于水，它們?cè)谒芤褐械倪\(yùn)動(dòng)方向是自下而上，其動(dòng)力是水的浮力（即壓強(qiáng)差或壓力差）;而OH-的運(yùn)動(dòng)方向是從左到右，其動(dòng)力是電勢(shì)差和濃度差。因此，一般情況下，剛開(kāi)始電解的時(shí)候，OH-很難跟Cl2相遇，這正是實(shí)驗(yàn)?zāi)康牡男枰苽渎葰?。如果長(zhǎng)時(shí)間進(jìn)行電解，整個(gè)溶液中c（OH-）較高，此時(shí)陽(yáng)極附近的OH-和Cl2相互反應(yīng)的情況就難以避免了： Cl2+2OH-ClO-+Cl-+H2O，這一反應(yīng)正可用來(lái)制備NaClO以生產(chǎn)“84消毒液”。

倘若讓學(xué)生根據(jù)上述物質(zhì)遷移方向和動(dòng)力特征重新設(shè)計(jì)電解裝置以制備“84消毒液”，則會(huì)產(chǎn)生大量類似于圖12（b）的電解裝置，該裝置的優(yōu)點(diǎn)是在遵循Cl2移動(dòng)方向不可改變的自然規(guī)則前提下，改變OH-的移動(dòng)方向（調(diào)整電極方向）使其與Cl2的移動(dòng)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(yīng)相對(duì)平穩(wěn)。這樣一個(gè)簡(jiǎn)單裝置的設(shè)計(jì)給予學(xué)生的最大啟示在于： 結(jié)構(gòu)與功能統(tǒng)一，功能為目的服務(wù)。

當(dāng)調(diào)換電極材料（鐵為陽(yáng)極，石墨為陰極）時(shí)則會(huì)導(dǎo)致哪些現(xiàn)象？有何功用？會(huì)出現(xiàn)哪些新問(wèn)題？如何解決？如果將NaCl溶液換成NaOH溶液又會(huì)帶來(lái)哪些問(wèn)題？倘若其他氣體如H2經(jīng)過(guò)溶液時(shí)會(huì)降低溶解氧，如何調(diào)整電解裝置以制備Fe（OH）2？……沿著這樣的教學(xué)思路又會(huì)讓學(xué)生參與到的新的學(xué)習(xí)任務(wù)中，從而不斷地在問(wèn)題中探究，在探究中創(chuàng)新[圖12（c）]。

4 冷凝水流向?qū)虒W(xué)理想追求的啟示

化學(xué)課堂教學(xué)實(shí)踐中同樣存在相類似的問(wèn)題，如教學(xué)目標(biāo)的確定、教學(xué)內(nèi)容的組織、教學(xué)思路的構(gòu)建、教學(xué)方法的選擇，都涉及到教師對(duì)具體問(wèn)題的判斷與選擇（見(jiàn)圖13）[17]，因此也常常成為教師難以抉擇的關(guān)鍵點(diǎn)。

我們不妨拋開(kāi)所有問(wèn)題先來(lái)回答一個(gè)更為根本性的問(wèn)題——教學(xué)的終極目標(biāo)是什么？不同的教師肯定會(huì)有不同的回答。筆者認(rèn)為，教學(xué)的終極目標(biāo)是學(xué)生學(xué)業(yè)發(fā)展、教師專業(yè)發(fā)展和課程教學(xué)發(fā)展的統(tǒng)一。由此，我們就能夠更好、更全面地理解因材施教中的“材”實(shí)際上應(yīng)該包括： 學(xué)生的特點(diǎn)、教師的特質(zhì)、課程及教學(xué)規(guī)律的要求，我們也會(huì)因此而尊重學(xué)生、尊重自我、尊重課程與教材，從而在教學(xué)實(shí)踐中學(xué)會(huì)判斷與選擇，揚(yáng)長(zhǎng)避短，不斷進(jìn)步。

中學(xué)化學(xué)教師都非常熟悉“結(jié)構(gòu)決定性質(zhì)，性質(zhì)反映結(jié)構(gòu)”“性質(zhì)決定用途，用途反映性質(zhì)”，中學(xué)生物教師也都非常熟悉“結(jié)構(gòu)決定功能，功能反映結(jié)構(gòu)”，然而在實(shí)際問(wèn)題的認(rèn)識(shí)和解決過(guò)程中我們往往很難想起相類似的一些話：“目標(biāo)決定內(nèi)容，內(nèi)容決定形式”“形式為內(nèi)容服務(wù)，內(nèi)容為目標(biāo)服務(wù)”。冷凝水流向問(wèn)題可以提醒我們： 目的決定形式，方向預(yù)示效率。這既是教學(xué)選擇的評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)，也是教學(xué)理想的實(shí)踐路徑。

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