中学化学实验中常用的蒸气冷凝方法评析.doc

中学化学实验中常用的蒸气冷凝方法评析韩程明（江苏省东海高级中学摘 要 文章列举了中学化学实验中将气体冷凝为液体或固体的各种冷却方法，分别对冷却剂是气体、冷却剂是液体的冷凝方法的装置、原理及使用过程中的优缺点进行了评价与分析。对冷却水在冷凝管中的流向问题，提出了自己的观点并进行了分析与阐述。关键词 气体冷却实验 液体冷却剂 气体冷却剂 冷却剂流向 中学化学课本中经常有将气体冷凝为液体或固体的实验，该类实验的原理是：利用热交换原理使气体冷却凝结为液体或固体。用冷却剂将气体冷凝的实验通常见于液态有机物的分离（蒸馏或分馏）、蒸馏水的制取、某些气态物质的分离、反应物的回流利用等实验。本文中，笔者将多年教学实践中积累的经验进行了归纳，对气体冷凝的化学实验中有争议之处进行了评析，并阐明了自己的观点，在此与同行们共同研究。一、冷却剂是液体的冷却方法列举与评析用液态冷却剂将较高温度下的气体转化为液体，达到冷凝回流或冷凝后收集的目的，在中学化学是常用的一种实验操作方法。在中学化学常用的液态冷却剂有：水、冰水、冰盐水等。由于冷却要求的不同，有的冷却剂是放在烧杯中，有的冷却剂是流动在专用仪器冷凝管中。1冷却剂放在烧杯中的蒸汽冷凝收集装置（1）设计原理如果要冷凝为液体的气体的沸点比较高，且所要冷凝的气体的量较少，可以用图1、图2、图3、图4这样的装置对气体进行冷凝。例如：证明实验室二氧化硫催化氧化装置中出来的混合气体中除了有SO2、O2气体外还有SO3气体时，就可将混合气通过图3或图4装置，当U型管或试管的底部出现固体时，就能证明SO3的存在。又如：在证明石蜡催化裂化时能产生汽油的实验中，可将催化装置中产生的气体通过图1或图2装置，当U型管或试管的底部出现液体（可闻到汽油味）时，就能证明汽油的生成。如用冰水作冷却剂，烧杯中的温度是0；如用冰盐水作冷却剂时，烧杯中的温度低于零摄氏度（如氯化钙与冰水组成的混合物，可使体系温度降至-20左右 1 ）。被冷凝气体的沸点越低，所选用的冷却剂的温度应该越低。（2）对该类装置的分析评价用U型管做气体冷凝装置时，实验过程中产生液体或固体的量不能太多，否则会因为U型管的堵塞而影响气体的通过。用试管作气体冷凝液装置时，通入气体时速率不易太快，否则会影响冷凝效果。不论用U型管还是试管作气体冷凝装置，U型管、试管都要尽可能多的浸入冷却剂中（如图1图4所示），才能达到好的冷却效果。用图1图4等装置做气体冷凝装置时，不适宜连续性实验，也不适宜将大量的气体冷凝为液体或固体，因为烧杯中的冷却剂的量是有限的，随着实验的进行冷却剂的温度会逐渐升高而降低冷凝效果。如果要连续性冷凝气体得到大量的液体的话，可使用冷凝管。2使用冷凝管的蒸汽冷凝收集装置（1）冷凝管介绍冷凝管常用于蒸馏水的制取或有机物的蒸馏分离、回流等装置中，主要起冷凝收集液体或回流液态反应物的作用。它是一种利用热交换原理使气体冷却凝结为液体的玻璃仪器。冷凝管由内外玻璃管组合而成，在其外管的上下两侧分别有连接管接头，用作进水口和出水口。冷凝管有直形（见图5）、球形（见图6）、蛇形三种，直形冷凝管用于蒸馏操作，冷凝沸点较高的液体。蛇形冷凝管用于有机制备中的回流，适用于沸点较低的液体。球形冷凝管用于有机制备中的回流，适用于各种沸点范围的液体 2 。（2）使用原理图5蒸馏装置中的冷凝管在使用时应将下端的a连接口通过橡胶管接上水龙头，作进水口，b连接口是冷却水的出口；被冷凝蒸气从支管口流出后经内管向下流动时被水冷凝为液体，通过牛角管流入液体接受器中。图6中的冷凝管用橡皮塞连接在蒸馏瓶上，接通冷水后亦可使受热而气化的反应物被冷凝后流回反应器，用来提高原料的利用率。无论是在图5还是图6中，蒸气的冷凝发生在内管的内壁上，内外管所围出的空间则为冷却剂流动区，冷却剂流动时吸收蒸气热量并将热量移走，冷凝管是一种热量交换器。（3）对冷凝管使用的分析与评价直形冷凝器使用时，既可向下倾斜安装(如图5)，又可直立使用（如图6）；而球形或蛇形冷凝器只能直立使用（如图6），否则因内管积液或冷凝液形成断续液柱而造成局部液封，致使冷凝液不能从下口流出。冷却剂在冷凝管中的流动方向应该与被冷却的蒸汽在内管中的流动方向相反，这种冷却方式被称为“逆流式冷却”，冷却效果好。水是通常使用的冷却剂。进水口与自来水龙头相连接，利用自来水管中的水压差，形成了冷凝管中水的流动，水的流动速度要随视被冷凝物质的沸点高低而调整。二、关于冷凝管中冷却水流向的质疑与探究冷凝管中“冷却水流向”问题，是中学化学蒸馏实验中的一个知识点，不仅在各种考试经常涉及，也是学生经常问及的一个问题，由于不同的资料与书籍中对冷却水的流向的阐述不太统一，因而有必要给出一个统一合理的答案与解释。对图5实验装置中冷却水的流向是没有争议的，所有的资料与解释都是一致的：冷却水从a口进入（低进）b口流出（高出），恰与蒸汽的流动方向相反，这样的对流方式有利于蒸汽的冷却。对图6实验装置中冷却水的流向却出现了两种不同的观点。观点一：冷却水从a口进入b口流出（见图6）。理由之一，这种方式可以使冷却水充满冷凝管，冷却效果好，反之则冷却水不能充满冷凝管，冷却效果不好；理由之二，这种方式优点是a口处冷却水受热上升，有利于冷却水的流动传热。观点二：冷却水从b口进入a口流出（见图6）。理由是这种流动方式是“逆流式冷却”，冷却效果好。笔者赞同第二种观点冷却水从b口进入a口流出（见图6）。笔者做了多次实验表明：冷却水如果从b口（上口）进入a口（下口）流出是可以充满整个冷凝管的，并不存在冷凝管不充满水这种问题；再者，冷却水在冷凝管中是在外压下流动的，并不存在冷却水受热上升回流的问题。所以观点一的两个理由都不成立。如果冷却水从b口进入a流出，则符合“逆流式冷却”原理，从反应器中出来的蒸汽在冷凝管中逐渐受到冷却，而且冷却温度愈来愈低，在b口处的温度达到最低，可以阻止被冷凝气体的外泄，所以冷却水从b口进入a口流出的冷却效果要比冷却水从a口进入b口流出的冷却效果好。三、冷却剂是气体的冷凝方法列举与评析当反应装置中有易挥发的液态物质且反应是放热或需要加热时，为了避免反应物损耗和充分利用原料，要在发生装置中设计冷凝回流装置，使挥发的反应物由受热下的气态冷凝为常态下的液态，从而回流收集于原反应装置。（1）设计原理化学实验中通常也用空气冷凝管或长玻璃导管作为蒸汽冷凝装置。空气冷凝管在中学阶段没有出现过，而常见的是长玻璃导管作为冷凝装置使用。当液态反应物由于受热而产生的蒸汽通过长长的玻璃导管时（如图7、图8所示），就被导管外部流动的空气冷凝为液体，然后回流到原反应装置中，这样可以提高原料的利用率。（2）对该类装置的分析评价在用图7装置做制备溴苯的实验时，长玻璃导管的a口连接其他仪器，在分析图7装置中长导管的作用时，学生只注意其导气作用而忽略冷凝作用。在用图8装置做制备酚醛树脂的实验时，由于长玻璃导管的a口不连接其他仪器，在分析图8装置中长玻璃导管的作用时，学生只注意其冷凝回流作用而忽略平衡试管内外压强的作用。要特别注意的是：被长玻璃导管冷凝回流的物质的沸点不能太低或太高。沸点高的物质（如浓硫酸、浓磷酸等），在反应体系的温度升高时是很难挥发的，所以没有必要冷凝回流；沸点太低的物质（如氨气、甲醛等），在常温很难转化为液体，所以长导管冷却装置无法对其冷凝回流。因而，长玻璃导管冷凝回流的物质一般常温下是液体且沸点不高（如苯、甲苯、乙醇、乙酸、