高中化学实验水浴装置的改进策略

摘要：水浴加热是高中化学教学实验中需要使用的主要加热方式之一。本文分析了高中化学教学实验中水浴加热装置的现状和使用电热数显恒温水浴锅代替传统水浴加热方式面临的问题。在此基础上，本文提出了将电热水浴锅应用于高中化学教学实验的改进策略，即减小水浴锅的加热功率，将水浴锅的加热棒单边设置，同时配合设计水浴锅锅体隔板。

关键词：水浴装置，高中化学实验，加热功率，锅体体积

水浴加热方式在高中化学实验中应用十分广泛，是高中化学实验使用的最主要的两种加热方式之一[1]，具有显著的优点。因为酒精灯火焰温度高达几百摄氏度，若实验中直接用酒精灯的火给物质加热，会造成被加热物质温度较高，破坏化学反应，在部分实验中会导致反应物爆沸的现象，因此高中化学实验中经常采用的酒精灯直接加热方式，在部分实验中无法使用，或者无法记录和观察物质的反应或熔化过程。相对于酒精灯直接加热方式，水浴加热方式避免了直接加热造成的过度剧烈沸腾与温度的不可控性，使反应物的加热更加平稳，可以使物体受热均匀，能够很好的控制反应温度，同时也可以减慢熔化过程，便于观察。

水浴加热方式的上述优点，使水浴加热成为了部分高中化学实验必须使用的加热方式。这些化学实验中需要严格控制反应物的反应温度，例如酚醛树脂的制备实验需要沸水浴加热，酯类如乙酸乙酯的水解实验、苯的磺化实验需要使用80℃水浴加热，硝基苯的制取实验和醛基的氧化实验等需要使用60℃水浴加热，二氯乙烷的消去反应和蔗糖、纤维素、淀粉的水解实验需要使用热水浴提高反应速率，还有如氢氧化铁胶体的制备、溶解度的测定等都需要使用到水浴加热。本文在总结分析高中化学实验中现有水浴加热方式及其存在问题的基础上，讨论了高中化学实验中水浴装置的改进策略，可以对高中化学教学实验中水浴加热装置的便捷节能改造提供参考。

1. 高中化学实验中现有水浴加热方式及其存在的问题

高中化学的教学实验中，水浴加热方式多使用传统的酒精灯加热烧杯，配合玻璃温度计实现，即在酒精灯上置石棉网，然后将烧杯置于石棉网之上加热，玻璃温度计深入烧杯中监测烧杯内水的温度。这种传统的加热方式存在较大的安全隐患，例如使用酒精灯有一定失火和灼伤风险，石棉网和烧杯在实验结束后依然具有较高温度，学生在整理实验台时存在烫伤风险。同时，传统的加热方式对能源消耗较大，烧杯置于石棉网上具有很大的热损失，需要酒精灯持续提供热量以满足实验要求，长时间的水浴加热需要消耗大量的酒精。

为了解决传统水浴加热方式存在的问题，一些经济条件较好的高中为化学实验室配备了电热数显恒温水浴锅，并且这种水浴加热设备升级的措施正在向更多的高中推广。电热数显恒温水浴锅直接使用电加热，自动将水浴温度控制在设定值，温度控制精度≤1℃，配备了不同规格的水浴锅锅盖，极大提高了高中化学教学实验的便捷程度和教学实验效果。与此同时，电热数显恒温水浴锅使用电热管或微波加热[2]，不使用明火，极大提高了教学实验的防火安全，而且水浴锅都设计有保温措施，在节约电能的同时还能防止同学们实验操作过程中被烫伤，进一步保证了同学们实验过程中的人身安全。

高中化学教学实验中使用电热数显恒温水浴锅虽然有诸多优点，但是也存在一些问题。其中最主要的问题是电热数显恒温水浴锅功率较大、耗能高、热能利用率低、水浴升温耗时长，特别是同时使用多台水浴锅还可能出现实验室电力系统负荷过大电闸跳闸现象[3]，甚至需要对化学教学实验室进行电力改造才能满足水浴锅要求。电热数显恒温水浴锅的这些问题极大限制了其在高中化学教学实验中的应用。

2. 高中化学实验用电热水浴锅的改进策略

在规划将电热数显恒温水浴锅应用于高中化学教学实验的过程中发现，电加热水浴锅走进高中化学教学实验课堂存在的问题，核心是其加热功率的问题。一方面，电热数显恒温水浴锅加热功率太高，在教学实验准备时，需要同时开启数十台甚至更多电加热水浴锅，会造成化学教学实验室电力负荷过大，电力系统不能负荷而停止工作。另一方面，电热数显恒温水浴锅加热功率又太低，水浴升温耗时长，如果实验老师分批次预热水浴锅，不仅操作繁琐，而且教学实验准备环节总耗时太长。因此，如何优化应用于高中化学教学实验的电热水浴锅的加热功率，是改进电热高中化学实验用电热水浴锅的关键。

2.1减小加热管功率并使其单边设置

为了使电热水浴锅在不改造高中化学实验室电力系统的条件下满足化学教学实验的要求，可以提高或者减小水浴锅电加热管的功率。除了在电热水浴锅的预热阶段，水浴锅的加热都是在温度控制器的调节下分时段工作，不会所有的水浴锅同时最大功率加热，因此调高水浴锅电加热管的功率在水浴锅预热完成后并不会一定是水浴锅总的电功率超过化学实验室电力系统的负荷。提高电热水浴锅的加热功率，可以减小水浴锅的预热时间，以方便老师分批预热水浴锅，完成教学实验准备，但这样改进电热水浴锅还是会存在一定的超负荷风险，同时不利于水浴锅水浴温度的调节和稳定。

减小加热管功率最主要的目的是为了降低电热水浴锅预热时所有水浴锅的总加热功率，能够使化学教学实验室同时开启数十台甚至更多电热水浴锅进行预热。减小加热功率虽然延长了准备教学实验时预热电热水浴锅的时间，但是由于电热水浴锅都带有温度控制装置，因此只需提前较长一段时间开启预热就行，不会加大实验准备环节的工作量。调低电加热水浴锅加热功率后，水浴温度的控制会更容易，控制精度会更高，且不会存在水浴锅总功率超过实验室电力系统负荷的风险。

综合来看，减小电热水浴锅的加热功率是更好的改进策略。为了进一步提高电热水浴锅减小加热功率后的使用性能，还建议进一步将电热水浴锅的加热管单边设置。这样改进的主要目的是配合水浴锅锅体的改进，尽量降低加热功率减小对电热水浴锅性能的影响。

2.2电热水浴锅锅体增加隔板

高中化学实验中，由于是教学实验，因此需要进行水浴加热的实验大部分是对试管进行水浴加热，对烧瓶或者锥形瓶进行水浴加热的很少。试管的体积很小，而常用的电加热水浴锅的锅体体积很大，最小也在2500 mL以上。如此大的鍋体体积加热如此小的试管，不但造成水浴锅升温时间较长，而且造成水浴锅耗能增加。因此，水浴锅的电加热管单边设置以后，可以在锅体设计可拆卸的隔板，隔板用硅胶密封，这样就可以根据被加热容器的大小灵活调整锅体体积，在小锅体体积时可以减小预热时间，降低减小电加热功率对水浴锅的影响，而且也更加绿色节能。

3.总结

本文分析了高中化学教学实验中水浴加热装置的现状，然后进一步分析了使用电热数显恒温水浴锅代替传统的酒精灯加热烧杯进行水浴加热方式所面临的问题。在上述分析的基础上，提出了对高中化学教学实验用水浴锅的改进策略，即减小水浴锅的加热功率，同时将水浴锅的加热管单边设置，配合设计水浴锅锅体隔板，实现锅体体积可调。这些策略解决了高中化学实验室使用电加热水浴锅代替传统水浴加热方式时电力系统负荷不够的问题，同时相对于改进前的电加热水浴锅，在对试管等小体积实验器材进行水浴加热时，改进后的电热水浴锅预热时间更短，也更加节能。

参考文献：

[1]孙涛.水浴加热中的固定装置[J].化学教学，1997（04）：14.

[2]何国强， 孟平安， 万平，等. 多功能微型加热装置的研制[J]. 内蒙古民族大学学报：自然科学版， 2003， 18（5）：2.

[3]叶会呈，曾丽云，谢路凤.一种蒸馏加热新装置的研制[J].实验室研究与探索，2011，30（08）：258-259+262.

作者简介：陈冠军，硕士研究生学历，鄢陵县中小学普通教研室办公室主任，理化生教研员。