韓程明　王愫懿

(1江蘇省東海高級中學江蘇東海222300；2東海縣教育局教研室江蘇東海222300)

中學化學實驗中的蒸氣冷凝方法列舉與評析

韓程明1王愫懿2

(1江蘇省東海高級中學江蘇東海222300；2東?？h教育局教研室江蘇東海222300)

摘要：列舉了中學化學實驗中將氣體冷凝為液體或固體的各種冷卻方法,分別對冷卻劑是氣體、冷卻劑是液體的冷凝方法的裝置、原理及使用過程中的優(yōu)缺點進行了評價與分析。對冷卻水在冷凝管中的流向問題,提出了自己的觀點并進行了分析與闡述。

關鍵詞：氣體冷卻實驗；液體冷卻劑；氣體冷卻劑

中學化學課本中經常有將氣體冷凝為液體或固體的實驗，該類實驗的原理是：利用熱交換原理使氣體冷卻凝結為液體或固體。用冷卻劑將氣體冷凝的實驗通常見于液態(tài)有機物的分離（蒸餾或分餾）、蒸餾水的制取、某些氣態(tài)物質的分離、反應物的回流利用等實驗。

本文中，筆者將多年教學實踐中積累的經驗進行了歸納，并對氣體冷凝的各種化學實驗裝置進行了評析，在此提出與同行們共同研究。

一、冷卻劑是液體的冷卻方法列舉與評析

用液態(tài)冷卻劑將較高溫度下的氣體轉化為液體，達到冷凝回流或冷凝后收集的目的，在中學化學是常用的一種實驗操作方法。在中學化學常用的液態(tài)冷卻劑有：水、冰水、冰鹽水等。由于冷卻要求的不同，有的冷卻劑是放在燒杯中，有的冷卻劑是流動在專用儀器——冷凝管中。

1.冷卻劑放在燒杯中的蒸氣冷凝收集裝置

（1）設計原理

如果要冷凝為液體的氣體的沸點比較高，且所要冷凝的氣體的量較少，可以用圖1、圖2、圖3、圖4這樣的裝置對氣體進行冷凝。

圖1　

圖2　

圖3　

圖4　

例如：證明實驗室二氧化硫催化氧化裝置中出來的混合氣體中除了有SO2、O2氣體外還有SO3氣體時，就可將混合氣通過圖3或圖4裝置，當U型管或試管的底部出現(xiàn)固體時，就能證明SO3的存在。

又如：在證明石蠟催化裂化時能產生汽油的實驗中，可將催化裝置中產生的氣體通過圖1或圖2裝置，當U型管或試管的底部出現(xiàn)液體（可聞到汽油味）時，就能證明汽油的生成。

如用冰水作冷卻劑，燒杯中的溫度是0℃；如用冰鹽水作冷卻劑時，燒杯中的溫度低于零攝氏度（如氯化鈣與冰水組成的混合物，可使體系溫度降至-20℃左右［1］）。被冷凝氣體的沸點越低，所選用的冷卻劑的溫度應該越低。

（2）對該類裝置的分析評價

用U型管做氣體冷凝裝置時，實驗過程中產生液體或固體的量不能太多，否則會因為U型管的堵塞而影響氣體的通過。用試管作氣體冷凝液裝置時，通入氣體時速率不易太快，否則會影響冷凝效果。

不論用U型管還是試管作氣體冷凝裝置，U型管、試管都要盡可能多的浸入冷卻劑中（如圖1～圖4所示），才能達到好的冷卻效果。

用圖1～圖4等裝置做氣體冷凝裝置時，不適宜連續(xù)性實驗，也不適宜將大量的氣體冷凝為液體或固體，因為燒杯中的冷卻劑的量是有限的，隨著實驗的進行冷卻劑的溫度會逐漸升高而降低冷凝效果。如果要連續(xù)性冷凝氣體得到大量的液體的話，可使用冷凝管。

2.使用冷凝管的蒸氣冷凝收集裝置

（1）冷凝管介紹

冷凝管常用于蒸餾水的制取或有機物的蒸餾分離、回流等裝置中，主要起冷凝收集液體或回流液態(tài)反應物的作用。它是一種利用熱交換原理使氣體冷卻凝結為液體的玻璃儀器。冷凝管由內、外玻璃管組合而成，在其外管的上下兩側分別有連接管接頭，用作進水口和出水口。

冷凝管有直形（見圖5）、球形（見圖6）、蛇形三種。直形冷凝管用于蒸餾操作，冷凝沸點較高的液體；蛇形冷凝管用于有機制備中的回流，適用于沸點較低的液體；球形冷凝管用于有機制備中的回流，適用于各種沸點范圍的液體［2］。

（2）使用原理

圖5蒸餾裝置中的冷凝管在使用時應將下端的a連接口通過橡膠管接上水龍頭，作進水口，b連接口是冷卻水的出口；被冷凝蒸氣從支管口流出后經內管向下流動時被水冷凝為液體，通過牛角管流入液體接受器中。

圖6中的冷凝管用橡皮塞連接在蒸餾瓶上，接通冷水后亦可使受熱而氣化的反應物被冷凝后流回反應器，用來提高原料的利用率。

無論是在圖5還是圖6中，蒸氣的冷凝發(fā)生在內管的內壁上，內外管所圍出的空間則為冷卻劑流動區(qū)，冷卻劑流動時吸收蒸氣熱量并將熱量移走，冷凝管是一種熱量交換器。

圖5　

圖6　

（3）對冷凝管使用的分析與評價

直形冷凝器使用時，既可向下傾斜安裝（如圖5），又可直立使用（如圖6）；而球形或蛇形冷凝器只能直立使用（如圖6），否則因內管積液或冷凝液形成斷續(xù)液柱而造成局部液封，致使冷凝液不能從下口流出。

冷卻劑在冷凝管中的流動方向應該與被冷卻的蒸氣在內管中的流動方向相反，這種冷卻方式被稱為“逆流式冷卻”，冷卻效果好。

水是通常使用的冷卻劑。進水口與自來水龍頭相連接，利用自來水管中的水壓差，形成了冷凝管中水的流動，水的流動速度要隨視被冷凝物質的沸點高低而調整。

2006年江蘇省高考化學卷第4題、2006年上海市高考化學卷第26題、2008年江蘇省高考化學卷第15題中冷凝管的使用都是這種逆流式冷卻方式。

三、冷卻劑是氣體的冷凝方法列舉與評析

當反應裝置中有易揮發(fā)的液態(tài)物質且反應是放熱或需要加熱時，為了避免反應物損耗和充分利用原料，要在發(fā)生裝置中設計冷凝回流裝置，使揮發(fā)的反應物由受熱下的氣態(tài)冷凝為常態(tài)下的液態(tài)，從而回流收集于原反應裝置。

（1）設計原理

化學實驗中通常也用空氣冷凝管或長玻璃導管作為蒸氣冷凝裝置?？諝饫淠茉谥袑W階段沒有出現(xiàn)過，而常見的是長玻璃導管作為冷凝裝置使用。

當液態(tài)反應物由于受熱而產生的蒸氣通過長長的玻璃導管時（如圖7、圖8所示），就被導管外部流動的空氣冷凝為液體，然后回流到原反應裝置中，這樣可以提高原料的利用率。

（2）對該類裝置的分析評價

在用圖7裝置做制備溴苯的實驗時，長玻璃導管的a口連接其他儀器，在分析圖7裝置中長導管的作用時，學生只注意其導氣作用而忽略冷凝作用。

在用圖8裝置做制備酚醛樹脂的實驗時，由于長玻璃導管的a口不連接其他儀器，在分析圖8裝置中長玻璃導管的作用時，學生只注意其冷凝回流作用而忽略平衡試管內外壓強的作用。

圖7　

圖8　

要特別注意的是：被長玻璃導管冷凝回流的物質的沸點不能太低或太高。沸點高的物質（如濃硫酸、濃磷酸等），在反應體系的溫度升高時是很難揮發(fā)的，所以沒有必要冷凝回流；沸點太低的物質（如氨氣、甲醛等），在常溫很難轉化為液體，所以長導管冷卻裝置無法對其冷凝回流。因而，長玻璃導管冷凝回流的物質一般常溫下是液體且沸點不高（如苯、甲苯、乙醇、乙酸、乙酸乙酯等）。

以上所述，是筆者對中學化學實驗中的氣體冷卻方法列舉與評析，其中的某些觀點與說法未必妥貼，在此提出與同行們共同商榷，敬請各位同仁批評指正。

參考文獻

［1］馮長君,唐玄馨,夏慶海.化學實驗研究新編［M］.徐州：中國礦業(yè)大學出版社,1993：153

［2］劉正賢.中學化學實驗大全［M］.上海：上海教育出版社,1994：33,104

文章編號：1008-0546(2010)02-0069-02中圖分類號：G633.8

文獻標識碼：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2010.02.0291