高中化學實驗水浴裝置的改進策略

摘要：水浴加熱是高中化學教學實驗中需要使用的主要加熱方式之一。本文分析了高中化學教學實驗中水浴加熱裝置的現(xiàn)狀和使用電熱數(shù)顯恒溫水浴鍋代替?zhèn)鹘y(tǒng)水浴加熱方式面臨的問題。在此基礎上，本文提出了將電熱水浴鍋應用于高中化學教學實驗的改進策略，即減小水浴鍋的加熱功率，將水浴鍋的加熱棒單邊設置，同時配合設計水浴鍋鍋體隔板。

關鍵詞：水浴裝置，高中化學實驗，加熱功率，鍋體體積

水浴加熱方式在高中化學實驗中應用十分廣泛，是高中化學實驗使用的最主要的兩種加熱方式之一[1]，具有顯著的優(yōu)點。因為酒精燈火焰溫度高達幾百攝氏度，若實驗中直接用酒精燈的火給物質加熱，會造成被加熱物質溫度較高，破壞化學反應，在部分實驗中會導致反應物爆沸的現(xiàn)象，因此高中化學實驗中經(jīng)常采用的酒精燈直接加熱方式，在部分實驗中無法使用，或者無法記錄和觀察物質的反應或熔化過程。相對于酒精燈直接加熱方式，水浴加熱方式避免了直接加熱造成的過度劇烈沸騰與溫度的不可控性，使反應物的加熱更加平穩(wěn)，可以使物體受熱均勻，能夠很好的控制反應溫度，同時也可以減慢熔化過程，便于觀察。

水浴加熱方式的上述優(yōu)點，使水浴加熱成為了部分高中化學實驗必須使用的加熱方式。這些化學實驗中需要嚴格控制反應物的反應溫度，例如酚醛樹脂的制備實驗需要沸水浴加熱，酯類如乙酸乙酯的水解實驗、苯的磺化實驗需要使用80℃水浴加熱，硝基苯的制取實驗和醛基的氧化實驗等需要使用60℃水浴加熱，二氯乙烷的消去反應和蔗糖、纖維素、淀粉的水解實驗需要使用熱水浴提高反應速率，還有如氫氧化鐵膠體的制備、溶解度的測定等都需要使用到水浴加熱。本文在總結分析高中化學實驗中現(xiàn)有水浴加熱方式及其存在問題的基礎上，討論了高中化學實驗中水浴裝置的改進策略，可以對高中化學教學實驗中水浴加熱裝置的便捷節(jié)能改造提供參考。

1. 高中化學實驗中現(xiàn)有水浴加熱方式及其存在的問題

高中化學的教學實驗中，水浴加熱方式多使用傳統(tǒng)的酒精燈加熱燒杯，配合玻璃溫度計實現(xiàn)，即在酒精燈上置石棉網(wǎng)，然后將燒杯置于石棉網(wǎng)之上加熱，玻璃溫度計深入燒杯中監(jiān)測燒杯內(nèi)水的溫度。這種傳統(tǒng)的加熱方式存在較大的安全隱患，例如使用酒精燈有一定失火和灼傷風險，石棉網(wǎng)和燒杯在實驗結束后依然具有較高溫度，學生在整理實驗臺時存在燙傷風險。同時，傳統(tǒng)的加熱方式對能源消耗較大，燒杯置于石棉網(wǎng)上具有很大的熱損失，需要酒精燈持續(xù)提供熱量以滿足實驗要求，長時間的水浴加熱需要消耗大量的酒精。

為了解決傳統(tǒng)水浴加熱方式存在的問題，一些經(jīng)濟條件較好的高中為化學實驗室配備了電熱數(shù)顯恒溫水浴鍋，并且這種水浴加熱設備升級的措施正在向更多的高中推廣。電熱數(shù)顯恒溫水浴鍋直接使用電加熱，自動將水浴溫度控制在設定值，溫度控制精度≤1℃，配備了不同規(guī)格的水浴鍋鍋蓋，極大提高了高中化學教學實驗的便捷程度和教學實驗效果。與此同時，電熱數(shù)顯恒溫水浴鍋使用電熱管或微波加熱[2]，不使用明火，極大提高了教學實驗的防火安全，而且水浴鍋都設計有保溫措施，在節(jié)約電能的同時還能防止同學們實驗操作過程中被燙傷，進一步保證了同學們實驗過程中的人身安全。

高中化學教學實驗中使用電熱數(shù)顯恒溫水浴鍋雖然有諸多優(yōu)點，但是也存在一些問題。其中最主要的問題是電熱數(shù)顯恒溫水浴鍋功率較大、耗能高、熱能利用率低、水浴升溫耗時長，特別是同時使用多臺水浴鍋還可能出現(xiàn)實驗室電力系統(tǒng)負荷過大電閘跳閘現(xiàn)象[3]，甚至需要對化學教學實驗室進行電力改造才能滿足水浴鍋要求。電熱數(shù)顯恒溫水浴鍋的這些問題極大限制了其在高中化學教學實驗中的應用。

2. 高中化學實驗用電熱水浴鍋的改進策略

在規(guī)劃將電熱數(shù)顯恒溫水浴鍋應用于高中化學教學實驗的過程中發(fā)現(xiàn)，電加熱水浴鍋走進高中化學教學實驗課堂存在的問題，核心是其加熱功率的問題。一方面，電熱數(shù)顯恒溫水浴鍋加熱功率太高，在教學實驗準備時，需要同時開啟數(shù)十臺甚至更多電加熱水浴鍋，會造成化學教學實驗室電力負荷過大，電力系統(tǒng)不能負荷而停止工作。另一方面，電熱數(shù)顯恒溫水浴鍋加熱功率又太低，水浴升溫耗時長，如果實驗老師分批次預熱水浴鍋，不僅操作繁瑣，而且教學實驗準備環(huán)節(jié)總耗時太長。因此，如何優(yōu)化應用于高中化學教學實驗的電熱水浴鍋的加熱功率，是改進電熱高中化學實驗用電熱水浴鍋的關鍵。

2.1減小加熱管功率并使其單邊設置

為了使電熱水浴鍋在不改造高中化學實驗室電力系統(tǒng)的條件下滿足化學教學實驗的要求，可以提高或者減小水浴鍋電加熱管的功率。除了在電熱水浴鍋的預熱階段，水浴鍋的加熱都是在溫度控制器的調(diào)節(jié)下分時段工作，不會所有的水浴鍋同時最大功率加熱，因此調(diào)高水浴鍋電加熱管的功率在水浴鍋預熱完成后并不會一定是水浴鍋總的電功率超過化學實驗室電力系統(tǒng)的負荷。提高電熱水浴鍋的加熱功率，可以減小水浴鍋的預熱時間，以方便老師分批預熱水浴鍋，完成教學實驗準備，但這樣改進電熱水浴鍋還是會存在一定的超負荷風險，同時不利于水浴鍋水浴溫度的調(diào)節(jié)和穩(wěn)定。

減小加熱管功率最主要的目的是為了降低電熱水浴鍋預熱時所有水浴鍋的總加熱功率，能夠使化學教學實驗室同時開啟數(shù)十臺甚至更多電熱水浴鍋進行預熱。減小加熱功率雖然延長了準備教學實驗時預熱電熱水浴鍋的時間，但是由于電熱水浴鍋都帶有溫度控制裝置，因此只需提前較長一段時間開啟預熱就行，不會加大實驗準備環(huán)節(jié)的工作量。調(diào)低電加熱水浴鍋加熱功率后，水浴溫度的控制會更容易，控制精度會更高，且不會存在水浴鍋總功率超過實驗室電力系統(tǒng)負荷的風險。

綜合來看，減小電熱水浴鍋的加熱功率是更好的改進策略。為了進一步提高電熱水浴鍋減小加熱功率后的使用性能，還建議進一步將電熱水浴鍋的加熱管單邊設置。這樣改進的主要目的是配合水浴鍋鍋體的改進，盡量降低加熱功率減小對電熱水浴鍋性能的影響。

2.2電熱水浴鍋鍋體增加隔板

高中化學實驗中，由于是教學實驗，因此需要進行水浴加熱的實驗大部分是對試管進行水浴加熱，對燒瓶或者錐形瓶進行水浴加熱的很少。試管的體積很小，而常用的電加熱水浴鍋的鍋體體積很大，最小也在2500 mL以上。如此大的鍋體體積加熱如此小的試管，不但造成水浴鍋升溫時間較長，而且造成水浴鍋耗能增加。因此，水浴鍋的電加熱管單邊設置以后，可以在鍋體設計可拆卸的隔板，隔板用硅膠密封，這樣就可以根據(jù)被加熱容器的大小靈活調(diào)整鍋體體積，在小鍋體體積時可以減小預熱時間，降低減小電加熱功率對水浴鍋的影響，而且也更加綠色節(jié)能。

3.總結

本文分析了高中化學教學實驗中水浴加熱裝置的現(xiàn)狀，然后進一步分析了使用電熱數(shù)顯恒溫水浴鍋代替?zhèn)鹘y(tǒng)的酒精燈加熱燒杯進行水浴加熱方式所面臨的問題。在上述分析的基礎上，提出了對高中化學教學實驗用水浴鍋的改進策略，即減小水浴鍋的加熱功率，同時將水浴鍋的加熱管單邊設置，配合設計水浴鍋鍋體隔板，實現(xiàn)鍋體體積可調(diào)。這些策略解決了高中化學實驗室使用電加熱水浴鍋代替?zhèn)鹘y(tǒng)水浴加熱方式時電力系統(tǒng)負荷不夠的問題，同時相對于改進前的電加熱水浴鍋，在對試管等小體積實驗器材進行水浴加熱時，改進后的電熱水浴鍋預熱時間更短，也更加節(jié)能。

參考文獻：

[1]孫濤.水浴加熱中的固定裝置[J].化學教學，1997（04）：14.

[2]何國強， 孟平安， 萬平，等. 多功能微型加熱裝置的研制[J]. 內(nèi)蒙古民族大學學報：自然科學版， 2003， 18（5）：2.

[3]葉會呈，曾麗云，謝路鳳.一種蒸餾加熱新裝置的研制[J].實驗室研究與探索，2011，30（08）：258-259+262.

作者簡介：陳冠軍，碩士研究生學歷，鄢陵縣中小學普通教研室辦公室主任，理化生教研員。