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中学化学教材中的蒸馏与分馏

2017-05-26 16:28阅读:
中学化学教材中的蒸馏与分馏
作为利用相变来分离化学物质的重要方法之一,“蒸馏”操作多次地出现在了中学化学教材中。
可能是由于它本质上仍属于一个比较简单的物理过程的缘故,教材编写者对这部分内容的处理也略显粗糙。这样,教师在教学中就可能遇到如下的一些问题。
一、蒸馏与分馏概念的内涵
早在初中化学“水的净化”部分,教材就给出了“蒸馏”的概念及实验室常用的蒸馏装置的照片。尽管教材并没有对蒸馏给出明确的定义,但由于学生在物理课中接触过物质有不同沸点的知识,他们并不会觉得有什么不好理解的地方。
在高中必修2的教材“煤、石油和天然气的综合利用”中,给出的分馏概念是“利用原油中各组分沸点的不同,将复杂混合物分离成较简单和更有用的混合物的过程叫做分馏”。并没有解释蒸馏与分馏,这两个概念间的联系和区别。
在其后的名为“原油分馏及裂化的产品和用途示意图”中所标注的工艺流程中却出现了“常压蒸馏”、“减压蒸馏”,这样的字样(见下图一)。
中学化学教材中的蒸馏与分馏

高中选修2中,在该图名称及流程名称均不变的情况下,又再次出现了。教材对该图还进行了解释。其解释是“工业上通过常压分馏和减压分馏的方法,把石油分成不同沸点范围的蒸馏产物而分离出来”。教材将图中的“常压蒸馏”又说成了“常压分馏”,把分馏操作得到的馏分称作是“蒸馏产物”。
这样,部分学生就会产生出一个,这里到底是分馏、还是蒸馏,它们间是否可以通用的疑问。
其实,在《物理化学》教材中就可以找到这样的说法,“升华、结晶、蒸馏、萃取和吸收等,都是重要的分离、提纯的单元操作”。这些分离操作方法依据的都是,混合物中各物质从一相转移到另一相的能力不同。这个与升华、结晶操作并列且相互区别的“蒸馏”就是广义的“蒸馏”。
广义蒸馏强调的是,把一个液态的物质转变为蒸汽,然后把蒸汽转移到别处,使它再冷凝为液体或固体的操作方法。这个概念强调的是,这个变化的本质是相变化。
在使用上,蒸馏操作不限于把具有不同沸点的挥发性混合物分开,而且也包括了把挥发性物质与不挥发性杂质分开。如果教材只强调蒸馏“是用来分离不同沸点的挥发性混合物”,那还是有些过于理论化的。
蒸馏作为一种单元操作,是一类操作的统称。由于操作的条件不同,原理不同,目的不同,蒸馏还可以细分为以下几种操作:
1. 简单蒸馏
所谓简单蒸馏就是最简单的、只保留了蒸馏最基本含义的一种蒸馏操作。它是以液体的一次挥发和冷凝为特征的。
其装置如下图二。
其适用的情况为,沸点相差较大的两种挥发性物质的分离。或挥发性和不挥发性物质间的分离。
在一般情况下,人们把简单蒸馏就称之为“蒸馏”。
所以蒸馏这个词有两个含义。一种是,代表一类分离操作,强调有“液--液”的相变,是广义的蒸馏(如在《物理化学》教材中);另一种是指狭义的“简单蒸馏”(如在蒸发海水以使其脱盐的实验中)。
中学化学教材中的蒸馏与分馏 中学化学教材中的蒸馏与分馏
2. 分馏
分馏也被称之为“精馏”。这是一种比较复杂的蒸馏操作。它以液体的多次挥发和冷凝为特征。它相当于多次的简单蒸馏。
分馏操作适用的情况为,沸点相差不大(甚至仅相差1-2)的两种或几种挥发性物质的分离。
其基本原理是,低沸点物质在气相中的含量,比它在液相中的含量大。有关塔板数和回流量的计算是分馏的基本计算。它与简单蒸馏间的区别有两点:一是有塔板,再是有回流物。
其工业生产设备“分馏塔”在教材中已给出。其实验室仪器“分馏柱”在教材中虽未介绍,但在一般的化学书籍中都可以找到(见上图三)。
3. 减压蒸馏
在低于常压情况下进行的蒸馏称之为减压蒸馏。
减压的目的在于,降低沸点、减少分解,提高蒸馏的效率。
当然,大家还知道,除了普通蒸馏、分馏和减压蒸馏外,蒸馏还包括水蒸气蒸馏、共沸蒸馏等,这里就不再赘述。
也就是说,从广义的角度看,简单蒸馏、分馏、减压蒸馏、水蒸气蒸馏,在本质上都属于蒸馏操作(见下图四)。这些操作得到的产物,都可以被称作是蒸馏产物。
中学化学教材中的蒸馏与分馏
总之,教材将分馏石油的操作从广义的角度说成是蒸馏,所得的产物称为蒸馏产物,这都是没有什么不合适的。
这样,教师在讲解分馏时最好能突出以下几点,以便将其与简单蒸馏区分开来。
第一,分馏是一种分离效率更高的蒸馏操作。需要在一个特殊的也较为复杂的装置中来进行。以便保持一个竖直方向的温度梯度,使不同沸点的物质能先后冷凝下来,得到不同沸点范围的馏分。
第二,结合“原油的分馏及裂化的产品和用途示意图”中“常压蒸馏”塔的讲解,指出塔盘上所进行的物质和热量交换,及为强化这种交换所进行的气体上升和液体的部分回流。
这样,学生对分馏与简单蒸馏间的区别,会把握的更准确一些。
二、教材中有关蒸馏的一些问题
中学化学教材对蒸馏操作给予了较多的关注,有十余处提到了蒸馏及分馏。其中的不足之处有以下几点:
1. 有内容重复率高的现象
教材间内容的无谓重复,本来就是教材编写中一个大忌。化学教材中的高中与初中内容重复,选修与必修重复,一件事要反反复复、不厌其烦地说,早已是人所共知的缺点了。
一张只是科普性质的'原油的分馏及裂化的产品和用途示意图'在高中化学教材中竟然就原封不动地出现了三次,可算是登峰造极之作了。不知是要突出什么重点知识,还是要强化学生记住什么重要的东西。
如果能从石油化工的角度,在有机化学部分能将其换为一张,石油化工主要产品及用途示意图,那该多好啊。
2. 实验装置不够规范
在初中化学中给出了标准的蒸馏装置及简易蒸馏装置照片后,在高中教材中似乎只给出了一张如图二的“海水蒸馏原理示意图”。
但是,这个装置图与前两个照片的装置都不同。用普通烧瓶代替了蒸馏烧瓶,这样连温度计也无法安装上去了。于是该装置就索性连温度计也不要了,反正水的沸点就是100。这有些过于简单化了。
一个利用沸点不同来分离物质的方法,沸点应该始终是我们关注的对象。况且学生也很想知道含有较多食盐等杂质的海水,其沸点是否还总是100
这个实验安排体现出的是以产品为主导的思想,没有一点科学实验的味道。甚至可以更严格一些地说,这个图是对初中化学教材的一个“否定”。
在以往的化学教材中还出现过,讲的是“石油的分馏”,画的却是“蒸馏石油”装置图,这样的情况。这当然也是不合适的。
参考文献
现行初、高中化学教材

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