环保性氯水溶制装置实体系统的结构和特征

韩独石

（白银市普通高中通用技术课程韩独石工作室，甘肃 白银 730799）

实验装置是将各种不同的常用材料及构件用具体的技术思想和方法，以一定的结构形态组装成能体现一般技术所含流程、系统、控制等功能的实物作品。为解决实验中的问题而设计实验装置时，用的是技术思想和方法；反过来，一个设计科学、便于操作、有使用价值的具体实验装置，它必然处处体现出一般或抽象技术思想的丰富内涵。

以笔者指导马喜军 （本工作室确立的青年骨干教师培养对象）运用技术思想和方法设计制作的环保性氯水溶制装置（见图1）为案例，将国家课程校本化，通过观察具体实验装置，了解系统科学常识，分析认识系统结构，从而抽象出系统的特征的目的，是为了加深对通用技术教材《技术与设计2》第三单元“系统与设计”内容的学习理解和和培养学生的创新能力。因为这种将化学实验创新与技术思想方法相融合，既提高化学实验教学效果，又推动通用技术实践活动探索实施的举措，非常有利于培养学生的综合能力，可有效提高学生的科学和技术素养。

图1 环保性氯水制备装置

1 环保性氯水溶制装置系统的结构

环保性氯水溶制装置由氯气制取、氯水溶制、尾气吸收三部分组成，部分与部分之间相互联系、相互作用，并且服务于无污染制备氯水这一整体的目的，所以，从系统科学的角度看，在技术和设计领域内，它是一个较为简单的系统工程。系统有自然系统和人造系统之分，还有实体系统和抽象系统之别，该环保性氯水溶制装置系统是人为设计制作的实物，应归类为人造系统所属的实体系统。氯气制取、氯水溶制、尾气吸收三个部分（亦称要素）从其结构和功能看，每一部分又是一个子系统，三个子系统构成环保性氯水溶制装置这一系统整体。在环保性氯水溶制装置系统整体中，氯水溶制子系统是最为重要的一个部分，但溶制氯水所需氯气由氯气制取子系统提供、溶制氯水时溶解剩余的尾气由尾气吸收子系统中和吸收，所以没有氯气制取和尾气吸收两个系统部分的配合，没有三个子系统的相互联系与作用，系统整体功能是绝对实现不了的；可见三个系统部分（子系统）缺一不可。

进一步仔细观察和研究，还不难发现：氯气制取、氯水溶制、尾气吸收三个部分既是环保性氯水溶制装置系统整体中的子系统，他们各自又是一个独立的系统：氯气制取系统包含反应、供酸、控温和排气四个子系统；氯水溶制系统包含氯气输入、氯气溶解和尾气输出三个子系统；尾气吸收系统包含尾气输入、尾气中和反应和尾气检验吸收三个子系统。

2 环保性氯水溶制装置系统的特征

2.1 整体性

就功能而言，虽然氯气制取、氯水溶制、尾气吸收三个子系统具有各自的特殊功能，但这三个子系统中任何一个子系统都无法单独达到无污染制备氯水的目的，只有按照一定的实验方式和步骤，各个子系统共同协作，再配合有效控制措施，才能实现溶制氯水快、试剂用量少和绿色环保等预期目标，从而达到无污染总目的。所以，“一般来说，系统的整体功能大于组成系统的各部分的功能之和”[1]。

2.2 相关性

相关性是指组成系统的各要素之间或系统整体与部分之间的相互作用、相互联系。例如，环保性氯水溶制装置系统整体能顺利完成氯气制取、氯水溶制、尾气吸收等一系列实验任务，而且当氯水溶制部分采取了加快溶解氯气措施后，所需氯气的量可以由尾气吸收部分的余气吸收瓶内的余气导入管管口冒出气泡的大小来判断 （①气泡大时，余气吸收瓶内氢氧化钠吸收液面冒出的未吸收完的尾气泡沫较多，较大量尾气泡沫进入余气吸收检验瓶后，会导致棉团内的氢氧化钠液失效，进而引起尾气溢出吸收检验瓶散发到空气中的可能；②气泡小时，看不见余气吸收瓶内氢氧化钠吸收液面冒出的未吸收完的尾气泡沫，会影响氯水制备速度）：需要控制氯气产生量（供应）时，将氯气制取部分的的酒精灯火焰稍稍移开烧瓶底部使反应物稍微降温，以降低反应速度而减少产（供）气量；需要加大氯气产生量（供应）时，将氯气制取部分的的酒精灯火焰稍稍移近烧瓶底部给反应物稍微加一点热，或将分液漏斗内的盐酸向烧瓶内滴加几滴，以提高反应速度而增加产（供）气量。这种由观察尾气吸收部分尾气余量的大小，来判断氯水溶制部分所需氯气量的大小，再由氯气所需量的大小去操控氯气制取部分的化学反应快慢程度，达到所需氯气产生量（供应）恰到好处的有机配合过程，说明系统的各要素之间或系统整体与部分之间的相互作用、相互联系是不可或缺的。以上系统整体与部分、部分与部分之间的相互影响又相互制约的关系充分反映了系统所具有的相关性。

2.3 目的性

任何系统都具有某种目的，都要实现一定的功能，这是区别不同系统的标志。系统的目的一般通过更具体的目标来实现。例如，环保性氯水溶制装置系统的目的是无污染制备氯水。为了达到无污染目的，设计这一系统时设置了绿色环保目标——尾气不能逸散到空气中，绿色环保目标的实现不能建立在不考虑反应制取氯气和吸收尾气所需化学试剂消耗量的基础上，因此，这一系统不能不增加节省试剂目标。而节省试剂目标的实现又能将氯气的产生量控制得过小造成延长实验时间，所以，系统还应加上节省时间这一目标。要实现多个目标将会大大增加系统设计的难度，这时一定要从整体协调的角度出发寻求平衡，以获得整体上的最佳效果。本环保性氯水溶制装置系统在设计时，经分析和试验后增加了四处控制装置，通过尾气吸收部分的余气吸收检验瓶内浸泡有饱和氢氧化钠溶液（内加酚酞）的红色棉花团变色与否为信号，采用控温（移动酒精灯）、控量（滴加浓盐酸）或控气流流向（交换开、关控制夹一和控制夹二）措施，巧妙达到了溶制氯水快、试剂用量少和绿色环保三个预期目标，解决了实验室制备氯水时氯气泄漏问题，实现了无污染目的。

2.4 动态性

环保性氯水溶制装置的运行过程体现了系统的动态性。该系统无论其整体或某一部分，都处在不断变化的动态之中。例如，氯气制取部分的化学反应一旦开始，生成的氯气不得不通过氯气输入管先后进入氯水溶制部分的两个清水瓶中被部分溶解，溶剩的氯气冒出液面后则通过余气导入管又进入尾气吸收部分的两级吸收瓶中，与吸收液中的氢氧化钠发生中和反应，形成短暂的动态平衡；随着氯水浓度的逐渐增加，溶剩的氯气则增加，而吸收液中的氢氧化钠却慢慢减少，尾气将要逸散到空气中时，则要采取控温措施使氯气发生量减少，促成产气、溶气和吸收气的多种化学反应的速度达到新的动态平衡状态……由此验证了“任何系统都是一个动态的系统，处在运动变化和发展之中”[1]的结论，这也符合任何事物都是不断变化的规律。运用系统的动态观点，有助于使我们不仅看到系统的现状，而且看到系统的变化和发展，从而预测系统的将来，掌握系统的发展规律。

2.5 环境适应性

系统必须适应外部环境的变化。一般说来一个系统与其所处的环境之间通常都有物质、能量和信息的交换，外界环境的变化会引起系统特性的改变，并相应地引起系统功能和系统内各部分相互关系的变化。本环保性氯水溶制装置系统在运作状态中，物质、能量和信息的交换尤为突出：三个部分中产气、溶气和吸收气的三种化学反应，使物质和能量不断发生着变化；调整系统的三部分中三种化学反应不断趋于平衡，就是以红色棉花团变色程度为信号而操控产生氯气量来实现的。

环保性氯水溶制装置所具有的以上五个特性，是一般系统必须具备的特征，所以，这一实验装置是一个实体型系统。

［1］顾建军，等.技术与设计 2[M].2 版.江苏教育出版社，2009，5.

［2］田武奎，陈平.通用技术基础[M].东南大学出版社，2011，6.