環(huán)保性氯水溶制裝置實體系統(tǒng)的結構和特征

韓獨石

（白銀市普通高中通用技術課程韓獨石工作室，甘肅 白銀 730799）

實驗裝置是將各種不同的常用材料及構件用具體的技術思想和方法，以一定的結構形態(tài)組裝成能體現(xiàn)一般技術所含流程、系統(tǒng)、控制等功能的實物作品。為解決實驗中的問題而設計實驗裝置時，用的是技術思想和方法；反過來，一個設計科學、便于操作、有使用價值的具體實驗裝置，它必然處處體現(xiàn)出一般或抽象技術思想的豐富內涵。

以筆者指導馬喜軍 （本工作室確立的青年骨干教師培養(yǎng)對象）運用技術思想和方法設計制作的環(huán)保性氯水溶制裝置（見圖1）為案例，將國家課程校本化，通過觀察具體實驗裝置，了解系統(tǒng)科學常識，分析認識系統(tǒng)結構，從而抽象出系統(tǒng)的特征的目的，是為了加深對通用技術教材《技術與設計2》第三單元“系統(tǒng)與設計”內容的學習理解和和培養(yǎng)學生的創(chuàng)新能力。因為這種將化學實驗創(chuàng)新與技術思想方法相融合，既提高化學實驗教學效果，又推動通用技術實踐活動探索實施的舉措，非常有利于培養(yǎng)學生的綜合能力，可有效提高學生的科學和技術素養(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)的結構

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，并且服務于無污染制備氯水這一整體的目的，所以，從系統(tǒng)科學的角度看，在技術和設計領域內，它是一個較為簡單的系統(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)是人為設計制作的實物，應歸類為人造系統(tǒng)所屬的實體系統(tǒng)。氯氣制取、氯水溶制、尾氣吸收三個部分（亦稱要素）從其結構和功能看，每一部分又是一個子系統(tǒng)，三個子系統(tǒng)構成環(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、溶制氯水時溶解剩余的尾氣由尾氣吸收子系統(tǒng)中和吸收，所以沒有氯氣制取和尾氣吸收兩個系統(tǒng)部分的配合，沒有三個子系統(tǒng)的相互聯(lián)系與作用，系統(tǒng)整體功能是絕對實現(xiàn)不了的；可見三個系統(tǒng)部分（子系統(tǒng)）缺一不可。

進一步仔細觀察和研究，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)，他們各自又是一個獨立的系統(tǒng)：氯氣制取系統(tǒng)包含反應、供酸、控溫和排氣四個子系統(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子系統(tǒng)；尾氣吸收系統(tǒng)包含尾氣輸入、尾氣中和反應和尾氣檢驗吸收三個子系統(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、尾氣吸收三個子系統(tǒng)具有各自的特殊功能，但這三個子系統(tǒng)中任何一個子系統(tǒng)都無法單獨達到無污染制備氯水的目的，只有按照一定的實驗方式和步驟，各個子系統(tǒng)共同協(xié)作，再配合有效控制措施，才能實現(xiàn)溶制氯水快、試劑用量少和綠色環(huán)保等預期目標，從而達到無污染總目的。所以，“一般來說，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 相關性

相關性是指組成系統(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驗任務，而且當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內的余氣導入管管口冒出氣泡的大小來判斷 （①氣泡大時，余氣吸收瓶內氫氧化鈉吸收液面冒出的未吸收完的尾氣泡沫較多，較大量尾氣泡沫進入余氣吸收檢驗瓶后，會導致棉團內的氫氧化鈉液失效，進而引起尾氣溢出吸收檢驗瓶散發(fā)到空氣中的可能；②氣泡小時，看不見余氣吸收瓶內氫氧化鈉吸收液面冒出的未吸收完的尾氣泡沫，會影響氯水制備速度）：需要控制氯氣產(chǎn)生量（供應）時，將氯氣制取部分的的酒精燈火焰稍稍移開燒瓶底部使反應物稍微降溫，以降低反應速度而減少產(chǎn)（供）氣量；需要加大氯氣產(chǎn)生量（供應）時，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物稍微加一點熱，或將分液漏斗內的鹽酸向燒瓶內滴加幾滴，以提高反應速度而增加產(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反應快慢程度，達到所需氯氣產(chǎn)生量（供應）恰到好處的有機配合過程，說明系統(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系充分反映了系統(tǒng)所具有的相關性。

2.3 目的性

任何系統(tǒng)都具有某種目的，都要實現(xiàn)一定的功能，這是區(qū)別不同系統(tǒng)的標志。系統(tǒng)的目的一般通過更具體的目標來實現(xiàn)。例如，環(huán)保性氯水溶制裝置系統(tǒng)的目的是無污染制備氯水。為了達到無污染目的，設計這一系統(tǒng)時設置了綠色環(huán)保目標——尾氣不能逸散到空氣中，綠色環(huán)保目標的實現(xiàn)不能建立在不考慮反應制取氯氣和吸收尾氣所需化學試劑消耗量的基礎上，因此，這一系統(tǒng)不能不增加節(jié)省試劑目標。而節(jié)省試劑目標的實現(xiàn)又能將氯氣的產(chǎn)生量控制得過小造成延長實驗時間，所以，系統(tǒng)還應加上節(jié)省時間這一目標。要實現(xiàn)多個目標將會大大增加系統(tǒng)設計的難度，這時一定要從整體協(xié)調的角度出發(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)在設計時，經(jīng)分析和試驗后增加了四處控制裝置，通過尾氣吸收部分的余氣吸收檢驗瓶內浸泡有飽和氫氧化鈉溶液（內加酚酞）的紅色棉花團變色與否為信號，采用控溫（移動酒精燈）、控量（滴加濃鹽酸）或控氣流流向（交換開、關控制夾一和控制夾二）措施，巧妙達到了溶制氯水快、試劑用量少和綠色環(huán)保三個預期目標，解決了實驗室制備氯水時氯氣泄漏問題，實現(xiàn)了無污染目的。

2.4 動態(tài)性

環(huán)保性氯水溶制裝置的運行過程體現(xiàn)了系統(tǒng)的動態(tài)性。該系統(tǒng)無論其整體或某一部分，都處在不斷變化的動態(tài)之中。例如，氯氣制取部分的化學反應一旦開始，生成的氯氣不得不通過氯氣輸入管先后進入氯水溶制部分的兩個清水瓶中被部分溶解，溶剩的氯氣冒出液面后則通過余氣導入管又進入尾氣吸收部分的兩級吸收瓶中，與吸收液中的氫氧化鈉發(fā)生中和反應，形成短暫的動態(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，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反應的速度達到新的動態(tài)平衡狀態(tài)……由此驗證了“任何系統(tǒng)都是一個動態(tài)的系統(tǒng)，處在運動變化和發(fā)展之中”[1]的結論，這也符合任何事物都是不斷變化的規(guī)律。運用系統(tǒng)的動態(tài)觀點，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，從而預測系統(tǒng)的將來，掌握系統(tǒng)的發(fā)展規(guī)律。

2.5 環(huán)境適應性

系統(tǒng)必須適應外部環(huán)境的變化。一般說來一個系統(tǒng)與其所處的環(huán)境之間通常都有物質、能量和信息的交換，外界環(huán)境的變化會引起系統(tǒng)特性的改變，并相應地引起系統(tǒng)功能和系統(tǒng)內各部分相互關系的變化。本環(huán)保性氯水溶制裝置系統(tǒng)在運作狀態(tài)中，物質、能量和信息的交換尤為突出：三個部分中產(chǎn)氣、溶氣和吸收氣的三種化學反應，使物質和能量不斷發(fā)生著變化；調整系統(tǒng)的三部分中三種化學反應不斷趨于平衡，就是以紅色棉花團變色程度為信號而操控產(chǎn)生氯氣量來實現(xiàn)的。

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

［1］顧建軍，等.技術與設計 2[M].2 版.江蘇教育出版社，2009，5.

［2］田武奎，陳平.通用技術基礎[M].東南大學出版社，2011，6.