“核心視角”下的化學(xué)實驗教學(xué)

李曉明

摘要： 在“物質(zhì)制備中的儀器和裝置”實驗復(fù)習(xí)課中，以“內(nèi)”與“外”為核心視角，分析恒壓滴液漏斗、干燥管、冷凝管、制備蒸餾中的接收裝置、減壓蒸餾與水蒸氣蒸餾中的“玻璃管”的作用、實驗操作以及制備裝置的選擇。指出教師在實驗教學(xué)過程中，應(yīng)該幫助學(xué)生構(gòu)建一種視角，從它出發(fā)可以透過知識的表象抓住其內(nèi)核，該視角即為核心視角。從該核心視角出發(fā)，能夠根據(jù)實驗的對象和目的，選擇適當(dāng)?shù)膬x器、裝置以及進行相關(guān)的操作，有利于提高學(xué)生的思維能力和知識的遷移應(yīng)用能力。

關(guān)鍵詞： 核心視角； 實驗教學(xué)； 物質(zhì)制備； 儀器和裝置

文章編號： 10056629（2018）9006606 中圖分類號： G633.8 文獻標(biāo)識碼： B

1 問題的提出

化學(xué)實驗中會涉及實驗的對象、目的、儀器、裝置以及操作等知識，在實驗教學(xué)過程中，教師如果對這些知識點只是孤立地進行教授，而缺少對不同知識共通點的提煉，這樣盡管學(xué)生能夠解決已經(jīng)熟悉的各種具體問題，但在解決陌生問題時就會出現(xiàn)障礙。這是因為學(xué)生缺乏對實驗本質(zhì)的理解而導(dǎo)致知識應(yīng)用能力的欠缺。所以，實驗教學(xué)過程中，我們應(yīng)該幫助學(xué)生構(gòu)建一種視角，從該視角出發(fā)可以透過知識的表象抓住其內(nèi)核，該視角即為“核心視角”。通過核心視角能夠根據(jù)實驗的對象和目的，選擇適當(dāng)?shù)膬x器、裝置以及進行相關(guān)的操作。如在結(jié)晶的實驗操作教學(xué)中，只要抓住溶解能力這個核心，就能夠理解通過改變?nèi)軇┑牧俊⒏淖儨囟取⒏淖內(nèi)軇┑男再|(zhì)、改變離子濃度等具體實驗方法；在裝置氣密性檢查時，只要抓住壓強這個核心就能夠理解具體的實驗操作；只要從口徑大小與精度的關(guān)系這個視角，學(xué)生就能夠理解容量瓶、滴定管、移液管的構(gòu)造原理。下面筆者嘗試從核心視角開展“物質(zhì)制備中的儀器和裝置”進行實驗復(fù)習(xí)，以期學(xué)生能夠?qū)⒅R凝煉為一個核心點，以提高學(xué)生的思維能力。

2 教學(xué)過程

2.1 恒壓滴液漏斗

[問題1]在制備實驗中，與普通滴液漏斗相比，用恒壓滴液漏斗加入液體試劑有何優(yōu)點？

[追問]根據(jù)以上實例分析在何種情況下，應(yīng)采用恒壓滴液漏斗？

[師生分析]根據(jù)恒壓滴液漏斗區(qū)別于普通分（滴）液漏斗的構(gòu)造特點： 有一恒壓臂，這種結(jié)構(gòu)能使漏斗中滴加液的液面壓力始終等于反應(yīng)瓶內(nèi)的壓力，不會因反應(yīng)瓶內(nèi)壓力增大而加不進滴加液，這是大多數(shù)學(xué)生能夠想到的答案即“使漏斗里的液體能順利流下”。通過實例1的呈現(xiàn)進一步可知當(dāng)反應(yīng)裝置內(nèi)產(chǎn)生氣體而導(dǎo)致內(nèi)部壓強過大時，若要使液體順利滴下則需要使用恒壓滴液漏斗。實例2的呈現(xiàn)，恒壓滴液漏斗在滴液時并不需要使漏斗與外界相通，這就避免了外界空氣中的H2O、 O2等進入漏斗中，防止其所盛裝的液體遇H2O、 O2發(fā)生水解或氧化而變質(zhì)。實例3的呈現(xiàn)，則是為了說明當(dāng)所盛裝的液體具有易揮發(fā)、刺激性液體時，為了防止其擴散到空氣中造成污染應(yīng)采用恒壓滴液漏斗滴加。

[核心視角]我們在分析恒壓滴液漏斗在物質(zhì)制備中的應(yīng)用時，恒壓臂將裝置內(nèi)的氣壓統(tǒng)一，不和外界相通，這就避免了外界物質(zhì)的進入和內(nèi)部物質(zhì)的逸出，即從“內(nèi)”和“外“兩個不同視角進行思考（如圖4所示）。

[問題2]虛線框中的裝置的作用？

[問題3]實例2中所涉及的制備裝置還不完整，請指出，并說明理由。

[師生分析]圖5裝置所制備的MgBr2具有強吸水性，所以要避免外界的空氣進入反應(yīng)體系內(nèi)，可知虛線框內(nèi)的裝置的作用是防止外界的水氣進入，該裝置中的儀器為球型干燥管。利用圖2裝置制取無水Cu（NO3）2，根據(jù)已知信息： SOCl2會劇烈水解并產(chǎn)生酸性氣體（SOCl2+H2OSO2↑+2HCl↑），所以要避免外界的水氣進入反應(yīng)體系，就要在A、 B之間增加干燥裝置，防止B中水蒸氣進入A中。

[追問]該干燥裝置可選擇怎樣的儀器和試劑？

[師生分析]中學(xué)階段所涉及的干燥裝置中有盛有濃硫酸的洗氣瓶、盛有固體干燥劑的干燥管和帶支管的U形管，為了使干燥裝置和吸收尾氣裝置合二為一，使整個裝置簡潔，則可以選擇以堿石灰為固體干燥劑的球型干燥管為干燥裝置，如圖6所示。

[核心視角]從“內(nèi)”和“外”兩個視角分析球型干燥管在制備實驗中的應(yīng)用，對外防止污染的物質(zhì)逸出，對內(nèi)防止外界中的水等物質(zhì)進入，如圖7所示。

2.3 冷凝管

[問題4]圖5裝置中的冷凝管的作用？

[追問1]在蒸餾裝置中能否采用該種冷凝管？

[追問2]隨著冷凝管中蒸氣溫度的升高，通入冷凝管中的冷卻水的流速需要進行調(diào)整，是要調(diào)平緩還是要增快流速？

[問題5]圖8中制備肉桂醛的裝置中為何采用空氣冷凝管？

[追問3]液體的沸點的高低如何決定所使用的冷凝管的長短粗細？

[師生分析]冷凝管的作用主要有兩種，一種是使反應(yīng)物的蒸氣冷凝回流至反應(yīng)裝置中，一種是使產(chǎn)品或待分離物質(zhì)的蒸氣從體系中冷凝后實現(xiàn)分離。內(nèi)管中的熱蒸氣與內(nèi)外管之間的冷凝水通過玻璃材質(zhì)進行熱交換，當(dāng)內(nèi)外的溫差過大時，則可能會使玻璃炸裂，所以當(dāng)液體沸點>140℃需要采用空氣冷凝管[1]。常見的冷凝管主要有直型、球型、蛇形三種類型，在內(nèi)部構(gòu)造方面，球型冷凝管與蛇形冷凝管的內(nèi)管表面積要大于直型冷凝管，冷凝的效果更好，因此在某些加熱反應(yīng)制備有機物實驗中，反應(yīng)耗時較長且反應(yīng)所需溫度較高，為減少反應(yīng)物揮發(fā)，通常使用冷凝效果較好的球型冷凝管或蛇形冷凝管對反應(yīng)物進行冷凝回流[2]。直型既可冷凝回流也可用在蒸餾中的冷凝分離，而球型和蛇形則只能用作冷凝回流，若用在冷凝分離會有冷凝液殘留在冷凝管中。蒸氣的溫度越低則越難冷凝，就要進行充分的熱交換，所以液體沸點越低時需要冷凝管要長一些，內(nèi)徑也相應(yīng)粗；反之，沸點越高，則蒸氣越易冷凝，可用較短的冷凝管，內(nèi)徑也相應(yīng)細。同理，液體沸點越低，冷卻水的流速要快；液體沸點越高，冷卻水的流速要適當(dāng)減緩，否則太冷和太快的水流，可能導(dǎo)致冷凝管炸裂[3]。

[核心視角]使物質(zhì)冷凝回流至反應(yīng)器內(nèi)部這是向“內(nèi)”的視角，使物質(zhì)從體系中分離出去這是向“外”的視角以及“內(nèi)”的蒸氣與“外”的冷卻物質(zhì)之間的熱交換決定了所使用冷凝管的種類、長度與粗細、冷卻水的流速快慢（如圖9所示）。

[問題6]該裝置何處存在錯誤？

[師生分析]圖10中接液管通過橡膠塞與接收器相連接會使整個裝置形成密閉體系，而內(nèi)部不斷產(chǎn)生蒸氣，盡

管會有部分蒸氣冷凝為液體，但裝置內(nèi)部的壓強仍然在不斷增大，這樣會產(chǎn)生爆炸的危險。所以，

在常壓蒸餾時不能形成密閉的體系。

[追問1]若接液管和接收器之間不密閉（圖11中a），又會產(chǎn)生什么問題？如何解決？

[追問2]采用蒸餾裝置將少量30% H2O2溶液濃縮至40%，需要在接液管的支管處連接一個設(shè)備，該設(shè)備的作用是什么？

[追問3]若接液管無支管（圖11中d），為使裝置不密閉，又該如何解決？

[師生分析]在采用蒸餾裝置制備物質(zhì)時，反應(yīng)體系中有刺激性的氣體時（實例6中會產(chǎn)生HBr等酸性氣體），若接液管與接收瓶之間不用塞子連接，則會造成污染，這時需要將接液管與接收瓶之間用塞子連接（或采用標(biāo)準(zhǔn)磨口連接），這時就需要接液管帶有支管以免形成封閉體系，同時在支管處連接尾氣導(dǎo)管，將尾氣導(dǎo)出后進行處理。在對H2O2溶液濃縮時，要考慮H2O2受熱易分解，需要將蒸餾裝置中的氣壓降低，降低其沸點，就需要在支管處連接一個抽氣裝置，以實現(xiàn)減小內(nèi)部壓強的目的。若接液管無支管且與接收瓶通過標(biāo)準(zhǔn)磨口相連接，為使裝置不密閉，需使用具有支管的接收瓶（圖11中e）。

[核心視角]反應(yīng)裝置（蒸餾裝置）中內(nèi)部不斷有液體變?yōu)闅怏w，使內(nèi)部的壓強逐漸增大，若體系密閉則壓強增大到一定程度就會向外劇烈釋放，即會發(fā)生爆炸，這是“內(nèi)”的視角。而接液管無支管時，則讓接收瓶有支管，這是訓(xùn)練學(xué)生思維的靈活性。當(dāng)面對會產(chǎn)生的污染氣體的非密閉體系時，則需要考慮將其引導(dǎo)到外部進行處理，當(dāng)需要減壓時，則要考慮在外界連接主動將氣體向外抽離的一個裝置即減壓裝置，這是“外”的視角。如圖12所示。

2.5 減壓蒸餾和水蒸氣蒸餾中的“玻璃管”

實例7 一些物質(zhì)在常壓蒸餾時，未達沸點就已受熱分解、氧化；或者對于高沸點的物質(zhì)，因其沸點太高，而難以蒸餾。這種情況下可采用減壓蒸餾（裝置如圖13所示）。

實例8 水蒸氣蒸餾就是將水蒸氣通入不溶或難溶于水但有一定揮發(fā)性的有機物中，使該有機物在低于100℃的溫度下，與水共沸而隨著水蒸氣一起蒸餾出來（裝置如圖14所示）。

[問題7]圖13中毛細管的作用是什么？玻璃管A的作用是什么？

[問題8]圖14中玻璃管C的作用是什么？T形管的作用是什么？

[分析]減壓蒸餾時，裝置內(nèi)部的壓強小，外部的極少量的空氣會通過毛細管進入液體，冒出連續(xù)的微小氣泡，成為液體沸騰時的氣化中心，防止暴沸，使蒸餾平穩(wěn)地進行。如果蒸餾物易于氧化，可經(jīng)毛細管導(dǎo)入惰性氣體，防止氧化[4]。減壓蒸餾裝置中導(dǎo)管A作為安全瓶的一部分，可通過旋塞B與外界相通，在蒸餾結(jié)束或中途停頓時打開旋塞B使內(nèi)外壓力平衡，以免減壓裝置中的液體倒吸入蒸餾裝置中。水蒸氣蒸餾時，內(nèi)部的壓強高于外部壓強，玻璃管C的作用是安全管，可用來調(diào)節(jié)體系內(nèi)部的壓力并可防止系統(tǒng)發(fā)生堵塞時出現(xiàn)危險。如果容器內(nèi)壓強太大，水可從玻璃管上升，以調(diào)節(jié)內(nèi)壓；如果系統(tǒng)發(fā)生堵塞，水便會從管的上口噴出，防止發(fā)生爆炸危險。T形管的作用是在蒸餾結(jié)束或中途停頓時打開旋塞D，使系統(tǒng)內(nèi)外壓強平衡，以免蒸餾的液體倒吸進入水蒸氣發(fā)生器中。

[核心視角]同樣是伸到液面下的玻璃管，但是由于“內(nèi)”與“外”壓強的不同，使得外界的氣體和內(nèi)部的液體分別朝相反的方向流動，從而導(dǎo)致不同的作用，氣體進入內(nèi)部時，防暴沸，液體向外流動時，調(diào)節(jié)壓強。打開旋塞后，一個是外界氣體進入裝置內(nèi)，一個是裝置內(nèi)的氣體流出外部，但目的都是使“內(nèi)”與“外”相聯(lián)通，起到平衡壓強的作用，如圖15所示。

[問題9]圖16中的b、 c裝置各自有何優(yōu)點？

[問題10]為結(jié)合圖16中的b、 c裝置的優(yōu)點，可采用圖17所示裝置制備乙酸乙酯。反應(yīng)一定時間后在分水器中會出現(xiàn)液體分層的現(xiàn)象，上下層分別是什么液體？

[追問1]在制備過程中需不時地打開分水器放出下層的水，什么目的？

[追問2]通過觀察分水器中什么現(xiàn)象可說明反應(yīng)已達平衡？

[分析]圖16中b裝置可以使反應(yīng)物在反應(yīng)容器中充分的反應(yīng)以避免和產(chǎn)物一起被蒸出，產(chǎn)物始終還在反應(yīng)體系中。而圖16中c裝置不僅能分批加入反應(yīng)物、控制反應(yīng)溫度，還能將產(chǎn)物從反應(yīng)體系中不斷蒸出，促使反應(yīng)不斷向正反應(yīng)方向移動，但是反應(yīng)物也會被蒸出。采用圖17裝置既能使反應(yīng)物充分地冷凝回流，又可通過將分水器中下層的水從下口放出，實現(xiàn)將產(chǎn)物水不斷移出反應(yīng)體系提高反應(yīng)物轉(zhuǎn)化率和產(chǎn)物產(chǎn)率的目的，當(dāng)達到平衡時，分水器中水層的高度就不再發(fā)生變化。在制備苯甲酸甲酯時，根據(jù)沸點數(shù)據(jù)可知，若將產(chǎn)物水移出反應(yīng)體系，則反應(yīng)物甲醇也會被蒸出，所以此時宜采用圖16中的b裝置或圖17裝置。

[核心視角]將反應(yīng)物留在反應(yīng)裝置內(nèi)部，避免被蒸出造成損失，使反應(yīng)物得到充分的反應(yīng)，這是從“內(nèi)”的視角來思考。將產(chǎn)物水不斷移出反應(yīng)體系以促使平衡不斷正向移動，提高轉(zhuǎn)化率和產(chǎn)率，這是從“外”的視角來考量，“內(nèi)”與“外”的綜合思考，成就了分水器的設(shè)計和使用，如圖18所示。

3 結(jié)語

在實驗教學(xué)中往往涉及到各種實驗儀器、裝置以及操作，如果在教學(xué)過程中采用簡單告知的方式去教學(xué)，學(xué)生也只能用機械記憶的方式去學(xué)習(xí)，這樣就不能真正去理解儀器的構(gòu)造原理、裝置中各種儀器的作用以及實驗操作的目的。若在教學(xué)中我們能夠找到一種核心視角，通過該視角不僅能夠有助于學(xué)生理解一個知識點，還能夠?qū)σ活愔R點進行高度歸納，這樣學(xué)生在遇到陌生的問題時就能夠依托該視角進行遷移思考從而起到觸類旁通的效果，其教學(xué)效率就會得到提升。

參考文獻：

[1][3][4]于海濤， 林進. 化學(xué)分離提純技術(shù)[M]. 北京： 化學(xué)工業(yè)出版社， 2012： 58～65.

[2]章建鋒. 一道實驗題引發(fā)對蒸餾裝置的討論[J]. 化學(xué)教學(xué)， 2014，（12）： 91.

[5]王祖浩主編. 普通高中課程標(biāo)準(zhǔn)實驗教科書·化學(xué)2[M]. 南京： 江蘇鳳凰教育出版社， 2016： 72.