環(huán)保性氯水溶制裝置實(shí)體系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和特征

韓獨(dú)石

（白銀市普通高中通用技術(shù)課程韓獨(dú)石工作室，甘肅 白銀 730799）

實(shí)驗(yàn)裝置是將各種不同的常用材料及構(gòu)件用具體的技術(shù)思想和方法，以一定的結(jié)構(gòu)形態(tài)組裝成能體現(xiàn)一般技術(shù)所含流程、系統(tǒng)、控制等功能的實(shí)物作品。為解決實(shí)驗(yàn)中的問(wèn)題而設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)裝置時(shí)，用的是技術(shù)思想和方法；反過(guò)來(lái)，一個(gè)設(shè)計(jì)科學(xué)、便于操作、有使用價(jià)值的具體實(shí)驗(yàn)裝置，它必然處處體現(xiàn)出一般或抽象技術(shù)思想的豐富內(nèi)涵。

以筆者指導(dǎo)馬喜軍 （本工作室確立的青年骨干教師培養(yǎng)對(duì)象）運(yùn)用技術(shù)思想和方法設(shè)計(jì)制作的環(huán)保性氯水溶制裝置（見(jiàn)圖1）為案例，將國(guó)家課程校本化，通過(guò)觀察具體實(shí)驗(yàn)裝置，了解系統(tǒng)科學(xué)常識(shí)，分析認(rèn)識(shí)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，從而抽象出系統(tǒng)的特征的目的，是為了加深對(duì)通用技術(shù)教材《技術(shù)與設(shè)計(jì)2》第三單元“系統(tǒng)與設(shè)計(jì)”內(nèi)容的學(xué)習(xí)理解和和培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力。因?yàn)檫@種將化學(xué)實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新與技術(shù)思想方法相融合，既提高化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果，又推動(dòng)通用技術(shù)實(shí)踐活動(dòng)探索實(shí)施的舉措，非常有利于培養(yǎng)學(xué)生的綜合能力，可有效提高學(xué)生的科學(xué)和技術(shù)素養(yǎng)。

圖1 環(huán)保性氯水制備裝置

1 環(huán)保性氯水溶制裝置系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

環(huán)保性氯水溶制裝置由氯氣制取、氯水溶制、尾氣吸收三部分組成，部分與部分之間相互聯(lián)系、相互作用，并且服務(wù)于無(wú)污染制備氯水這一整體的目的，所以，從系統(tǒng)科學(xué)的角度看，在技術(shù)和設(shè)計(jì)領(lǐng)域內(nèi)，它是一個(gè)較為簡(jiǎn)單的系統(tǒng)工程。系統(tǒng)有自然系統(tǒng)和人造系統(tǒng)之分，還有實(shí)體系統(tǒng)和抽象系統(tǒng)之別，該環(huán)保性氯水溶制裝置系統(tǒng)是人為設(shè)計(jì)制作的實(shí)物，應(yīng)歸類(lèi)為人造系統(tǒng)所屬的實(shí)體系統(tǒng)。氯氣制取、氯水溶制、尾氣吸收三個(gè)部分（亦稱(chēng)要素）從其結(jié)構(gòu)和功能看，每一部分又是一個(gè)子系統(tǒng)，三個(gè)子系統(tǒng)構(gòu)成環(huán)保性氯水溶制裝置這一系統(tǒng)整體。在環(huán)保性氯水溶制裝置系統(tǒng)整體中，氯水溶制子系統(tǒng)是最為重要的一個(gè)部分，但溶制氯水所需氯氣由氯氣制取子系統(tǒng)提供、溶制氯水時(shí)溶解剩余的尾氣由尾氣吸收子系統(tǒng)中和吸收，所以沒(méi)有氯氣制取和尾氣吸收兩個(gè)系統(tǒng)部分的配合，沒(méi)有三個(gè)子系統(tǒng)的相互聯(lián)系與作用，系統(tǒng)整體功能是絕對(duì)實(shí)現(xiàn)不了的；可見(jiàn)三個(gè)系統(tǒng)部分（子系統(tǒng)）缺一不可。

進(jìn)一步仔細(xì)觀察和研究，還不難發(fā)現(xiàn)：氯氣制取、氯水溶制、尾氣吸收三個(gè)部分既是環(huán)保性氯水溶制裝置系統(tǒng)整體中的子系統(tǒng)，他們各自又是一個(gè)獨(dú)立的系統(tǒng)：氯氣制取系統(tǒng)包含反應(yīng)、供酸、控溫和排氣四個(gè)子系統(tǒng)；氯水溶制系統(tǒng)包含氯氣輸入、氯氣溶解和尾氣輸出三個(gè)子系統(tǒng)；尾氣吸收系統(tǒng)包含尾氣輸入、尾氣中和反應(yīng)和尾氣檢驗(yàn)吸收三個(gè)子系統(tǒng)。

2 環(huán)保性氯水溶制裝置系統(tǒng)的特征

2.1 整體性

就功能而言，雖然氯氣制取、氯水溶制、尾氣吸收三個(gè)子系統(tǒng)具有各自的特殊功能，但這三個(gè)子系統(tǒng)中任何一個(gè)子系統(tǒng)都無(wú)法單獨(dú)達(dá)到無(wú)污染制備氯水的目的，只有按照一定的實(shí)驗(yàn)方式和步驟，各個(gè)子系統(tǒng)共同協(xié)作，再配合有效控制措施，才能實(shí)現(xiàn)溶制氯水快、試劑用量少和綠色環(huán)保等預(yù)期目標(biāo)，從而達(dá)到無(wú)污染總目的。所以，“一般來(lái)說(shuō)，系統(tǒng)的整體功能大于組成系統(tǒng)的各部分的功能之和”[1]。

2.2 相關(guān)性

相關(guān)性是指組成系統(tǒng)的各要素之間或系統(tǒng)整體與部分之間的相互作用、相互聯(lián)系。例如，環(huán)保性氯水溶制裝置系統(tǒng)整體能順利完成氯氣制取、氯水溶制、尾氣吸收等一系列實(shí)驗(yàn)任務(wù)，而且當(dāng)氯水溶制部分采取了加快溶解氯氣措施后，所需氯氣的量可以由尾氣吸收部分的余氣吸收瓶?jī)?nèi)的余氣導(dǎo)入管管口冒出氣泡的大小來(lái)判斷 （①氣泡大時(shí)，余氣吸收瓶?jī)?nèi)氫氧化鈉吸收液面冒出的未吸收完的尾氣泡沫較多，較大量尾氣泡沫進(jìn)入余氣吸收檢驗(yàn)瓶后，會(huì)導(dǎo)致棉團(tuán)內(nèi)的氫氧化鈉液失效，進(jìn)而引起尾氣溢出吸收檢驗(yàn)瓶散發(fā)到空氣中的可能；②氣泡小時(shí)，看不見(jiàn)余氣吸收瓶?jī)?nèi)氫氧化鈉吸收液面冒出的未吸收完的尾氣泡沫，會(huì)影響氯水制備速度）：需要控制氯氣產(chǎn)生量（供應(yīng)）時(shí)，將氯氣制取部分的的酒精燈火焰稍稍移開(kāi)燒瓶底部使反應(yīng)物稍微降溫，以降低反應(yīng)速度而減少產(chǎn)（供）氣量；需要加大氯氣產(chǎn)生量（供應(yīng)）時(shí)，將氯氣制取部分的的酒精燈火焰稍稍移近燒瓶底部給反應(yīng)物稍微加一點(diǎn)熱，或?qū)⒎忠郝┒穬?nèi)的鹽酸向燒瓶?jī)?nèi)滴加幾滴，以提高反應(yīng)速度而增加產(chǎn)（供）氣量。這種由觀察尾氣吸收部分尾氣余量的大小，來(lái)判斷氯水溶制部分所需氯氣量的大小，再由氯氣所需量的大小去操控氯氣制取部分的化學(xué)反應(yīng)快慢程度，達(dá)到所需氯氣產(chǎn)生量（供應(yīng)）恰到好處的有機(jī)配合過(guò)程，說(shuō)明系統(tǒng)的各要素之間或系統(tǒng)整體與部分之間的相互作用、相互聯(lián)系是不可或缺的。以上系統(tǒng)整體與部分、部分與部分之間的相互影響又相互制約的關(guān)系充分反映了系統(tǒng)所具有的相關(guān)性。

2.3 目的性

任何系統(tǒng)都具有某種目的，都要實(shí)現(xiàn)一定的功能，這是區(qū)別不同系統(tǒng)的標(biāo)志。系統(tǒng)的目的一般通過(guò)更具體的目標(biāo)來(lái)實(shí)現(xiàn)。例如，環(huán)保性氯水溶制裝置系統(tǒng)的目的是無(wú)污染制備氯水。為了達(dá)到無(wú)污染目的，設(shè)計(jì)這一系統(tǒng)時(shí)設(shè)置了綠色環(huán)保目標(biāo)——尾氣不能逸散到空氣中，綠色環(huán)保目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)不能建立在不考慮反應(yīng)制取氯氣和吸收尾氣所需化學(xué)試劑消耗量的基礎(chǔ)上，因此，這一系統(tǒng)不能不增加節(jié)省試劑目標(biāo)。而節(jié)省試劑目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)又能將氯氣的產(chǎn)生量控制得過(guò)小造成延長(zhǎng)實(shí)驗(yàn)時(shí)間，所以，系統(tǒng)還應(yīng)加上節(jié)省時(shí)間這一目標(biāo)。要實(shí)現(xiàn)多個(gè)目標(biāo)將會(huì)大大增加系統(tǒng)設(shè)計(jì)的難度，這時(shí)一定要從整體協(xié)調(diào)的角度出發(fā)尋求平衡，以獲得整體上的最佳效果。本環(huán)保性氯水溶制裝置系統(tǒng)在設(shè)計(jì)時(shí)，經(jīng)分析和試驗(yàn)后增加了四處控制裝置，通過(guò)尾氣吸收部分的余氣吸收檢驗(yàn)瓶?jī)?nèi)浸泡有飽和氫氧化鈉溶液（內(nèi)加酚酞）的紅色棉花團(tuán)變色與否為信號(hào)，采用控溫（移動(dòng)酒精燈）、控量（滴加濃鹽酸）或控氣流流向（交換開(kāi)、關(guān)控制夾一和控制夾二）措施，巧妙達(dá)到了溶制氯水快、試劑用量少和綠色環(huán)保三個(gè)預(yù)期目標(biāo)，解決了實(shí)驗(yàn)室制備氯水時(shí)氯氣泄漏問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)了無(wú)污染目的。

2.4 動(dòng)態(tài)性

環(huán)保性氯水溶制裝置的運(yùn)行過(guò)程體現(xiàn)了系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性。該系統(tǒng)無(wú)論其整體或某一部分，都處在不斷變化的動(dòng)態(tài)之中。例如，氯氣制取部分的化學(xué)反應(yīng)一旦開(kāi)始，生成的氯氣不得不通過(guò)氯氣輸入管先后進(jìn)入氯水溶制部分的兩個(gè)清水瓶中被部分溶解，溶剩的氯氣冒出液面后則通過(guò)余氣導(dǎo)入管又進(jìn)入尾氣吸收部分的兩級(jí)吸收瓶中，與吸收液中的氫氧化鈉發(fā)生中和反應(yīng)，形成短暫的動(dòng)態(tài)平衡；隨著氯水濃度的逐漸增加，溶剩的氯氣則增加，而吸收液中的氫氧化鈉卻慢慢減少，尾氣將要逸散到空氣中時(shí)，則要采取控溫措施使氯氣發(fā)生量減少，促成產(chǎn)氣、溶氣和吸收氣的多種化學(xué)反應(yīng)的速度達(dá)到新的動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)……由此驗(yàn)證了“任何系統(tǒng)都是一個(gè)動(dòng)態(tài)的系統(tǒng)，處在運(yùn)動(dòng)變化和發(fā)展之中”[1]的結(jié)論，這也符合任何事物都是不斷變化的規(guī)律。運(yùn)用系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)觀點(diǎn)，有助于使我們不僅看到系統(tǒng)的現(xiàn)狀，而且看到系統(tǒng)的變化和發(fā)展，從而預(yù)測(cè)系統(tǒng)的將來(lái)，掌握系統(tǒng)的發(fā)展規(guī)律。

2.5 環(huán)境適應(yīng)性

系統(tǒng)必須適應(yīng)外部環(huán)境的變化。一般說(shuō)來(lái)一個(gè)系統(tǒng)與其所處的環(huán)境之間通常都有物質(zhì)、能量和信息的交換，外界環(huán)境的變化會(huì)引起系統(tǒng)特性的改變，并相應(yīng)地引起系統(tǒng)功能和系統(tǒng)內(nèi)各部分相互關(guān)系的變化。本環(huán)保性氯水溶制裝置系統(tǒng)在運(yùn)作狀態(tài)中，物質(zhì)、能量和信息的交換尤為突出：三個(gè)部分中產(chǎn)氣、溶氣和吸收氣的三種化學(xué)反應(yīng)，使物質(zhì)和能量不斷發(fā)生著變化；調(diào)整系統(tǒng)的三部分中三種化學(xué)反應(yīng)不斷趨于平衡，就是以紅色棉花團(tuán)變色程度為信號(hào)而操控產(chǎn)生氯氣量來(lái)實(shí)現(xiàn)的。

環(huán)保性氯水溶制裝置所具有的以上五個(gè)特性，是一般系統(tǒng)必須具備的特征，所以，這一實(shí)驗(yàn)裝置是一個(gè)實(shí)體型系統(tǒng)。

［1］顧建軍，等.技術(shù)與設(shè)計(jì) 2[M].2 版.江蘇教育出版社，2009，5.

［2］田武奎，陳平.通用技術(shù)基礎(chǔ)[M].東南大學(xué)出版社，2011，6.