加热、冷却与干燥

1、加热、冷却与干燥,2009,有机化学实验技能专题讲座,加热（heating）和冷却（cooling）是有机实验中非常普遍又十分重要的操作。有的化学反应在室温下难以进行或反应较慢，常需加热来加快化学反应。而有些反应又很剧烈，释放出大量的热使副反应增多，因此须进行适当的冷却将反应温度控制在一定范围之内。另外，在其他一些基本操作过程中如溶解、蒸馏、回流、重结晶等也会用到加热或冷却。,加热与冷却,1,2,3,4,一、加热,酒精灯,煤气灯,酒精喷灯,电加热装置,根据所用物料的不同或反应特性选择以下各种的热源和加热方法。,（一）、热源,1、酒精灯,酒精灯由灯壶，灯芯及灯罩组成，火焰温度达400500度。适

2、用于不需太高加热温度的实验。,外焰（氧化焰）温度最高、内焰（还原焰）、焰心温度最低。若加热时，若无特殊要求，一般用温度最高的火焰（外焰与内焰交界部分）来加热器具。,温度最高处,使用前，先检查灯芯高低、松紧，如果灯芯顶端不平或是烧焦了，就要把这部分剪去，然后检查灯壶中有无酒精，灯壶内酒精最多不超过总体积的2/3，也不要少于1/2。,正确使用酒精灯,左手扶灯身，右手摘下灯帽，口朝下扣放在桌上。 划着火柴，从侧面接近灯芯点燃酒精灯。 甩灭火柴，将熄灭的火柴梗投入污物桶。 熄灭酒精灯时，左手扶灯身，右手取灯帽，快而轻地盖上，待火焰熄灭后，提起灯帽，再盖一次。,检查灯芯并修整,1绝对禁止向燃着的酒精灯内

3、添加酒精，以免失火。 2绝对禁止用燃着的酒精灯引燃另一盏酒精灯，应用火柴点燃。 3熄灭酒精灯，不可用嘴吹灭，必须用灯帽盖灭。熄灭时要将盖子由火焰的侧面盖上，盖灭后还要将盖打开，使空气进入，再次盖上。 4若要使灯焰平稳，并适当提高温度，可以加一金属网罩。 5若酒精灯被碰倒，酒精洒在桌面上燃烧起来，不要惊慌应用湿抹布盖灭。,添加酒精,点燃,使用注意事项：,熄灭,提高温度,酒精灯使用时，酒精消耗使瓶内液面下降，瓶内空间增大；同时火焰的高温会使瓶内空气由灯蕊缝隙上升参与火焰的氧化还原反应（燃烧过程的主要反应），因此导致瓶内空气减少。如果没有该小孔的通气作用，瓶内气压会逐渐减小，导致火焰端酒精供应不足，

4、更为重要的是，火焰缺少燃烧所必须的氧气，使得燃烧不充分或不能达到要求温度。 在酒精灯的存放过程中，酒精会不断挥发，如果瓶内乙醇蒸气浓度过高（体积比例达到爆炸范围时），点燃酒精灯时有可能引发酒精灯爆炸事故。该小孔在平时起导出乙醇气体的作用。,为什么酒精灯的内盖上有一个小孔，是做什么用的？,这是因为，可能引起灯壶内酒精燃烧，形成“火雨”。当用嘴吹灭酒精灯的时候，由于往灯壶内吹入了空气，灯壶内的酒精蒸汽和空气在灯壶内迅速燃烧，形成很大气流往外猛冲，同时有闷响声，这时候就形成了“火雨”，造成危险。而且酒精灯中的酒精越少，留下的空间越大，在天气炎热的时候，也会在灯壶内形成酒精蒸汽和空气的混合物，会给下次

5、点燃酒精灯带来不安全因素。因此，不能用嘴吹灭酒精灯。 因为酒精易挥发，挥发后的酒精和空气的混合气体可以燃烧和爆炸，用嘴吹的话，可能使高温的空气倒流入瓶内，引起爆炸。最好用盖盖住，切断氧气，来灭火。,为什么酒精灯不能用嘴吹灭呢？,1实验时，若将酒精灯打翻，引起酒精在桌面上燃烧，应采取的措施是：（ ） （a）用水冲洗 （b）用湿布扑盖 （c）用黄沙覆盖 （d）用嘴吹灭 2. 为什么酒精灯的酒精过多或过少都不好？ 3. 指出下列操作中的错误：（见右图）,答案： 1.b 2.答：过多时酒精外溢而燃烧，过少当熄灭时，易引起酒精灯内部的燃烧。 3.答：应用外焰加热。试管内的液体超过容积 的1/3。试管与桌

6、面的夹角大于45度,问题：,2、煤气灯,煤气灯是化学实验室中最常用的加热器具，有多种式样，但基本构造相同。最高可达1000，使用时煤气灯的火焰温度可随调节空气量的增减而不同，多用于加热高沸点溶液。煤气灯主要由灯管和灯座两部分组成，如图所 示。,各种火焰,空气和煤气的进入量不合适，会产生不正常的火焰。当煤气和空气的进入量都很大时，火焰临空燃烧，称为“凌空火焰”。引燃用的火柴熄灭时，它也随之熄灭。当煤气进入量很小，而空气进入量很大时，煤气不是在灯管口而是在灯管内燃烧，这时还能听到特殊的嘶嘶声和看到一根细长的火焰。这种火焰叫做“侵入火焰”。,正确使用煤气灯,（A）将煤气灯上的橡皮导管与实验台上的煤气

7、嘴接好。点燃煤气前，先旋转金属灯管使圆孔关小，空气入口不大，擦燃火柴，打开煤气龙头23秒以后，把煤气点着。旋转金属灯管或灯管外的铁环，调节空气进入量使火焰不发黄色。 （B）点燃后就要旋灯管和拧针阀，调节空气和煤气的进入量，使二者的比例合适，从而得到分层的正常火焰。向上旋灯管，空气的进入量大；往里拧针阀，煤气进入量小。反之向下旋灯管，空气量小；往外拧针阀，煤气量大。 （C）停止加热时应首先关闭煤气嘴上的截门，然后向里拧针阀，关闭灯座上的煤气入口。若不再用煤气灯，则关闭后应将橡皮导管从煤气嘴上拆下，并将灯放回原处。,使用注意事项：,1、在调节火焰或加热过程中，由于某种原因出现不正常火焰（临空火焰或

8、侵入火焰）时，一定要按上述操作关闭煤气灯。待灯管冷却后再重新点燃、调节。 2、煤气中CO有毒，使用时要注意安全。一旦发现煤气泄漏，应立即关闭煤气灯，及时查明漏气原因并加以处理，才能重新点火调节。 3、当加热烧杯、烧瓶等玻璃仪器时，必须垫有石棉网。若容器中有低沸点易燃的溶剂时不能用煤气灯直接加热，须水浴加热。 4、燃气不用时应立即关火。关闭燃气时应先关闭空气开关再将燃气关上。 5、煤气灯有火时，不可任由煤气灯燃烧而无人看管。实验结束时应先将总开关关上，再将管线内的燃气以煤气灯点火烧光，以保证安全。,3、酒精喷灯,酒精喷灯有挂式和座式两种，构造见下图。它们使用方法相似。加热温度可达7001000,

9、正确使用酒精喷灯：,a使用酒精喷灯时，首先用捅针捅一捅酒精蒸气出口，以保证出气口畅通。 b借助小漏斗向酒精壶内添加酒精，酒精壶内的酒精不能装得太满，以不超过酒精壶容积（座式）的2/3为宜。,c往预热盘里注入一些酒精，点燃酒精使灯管预热，待酒精接近燃完且在灯管口有火焰时，上下移动调节器调节火焰为正常火焰。,d用毕后，用石棉网或硬质板盖灭火焰，也可以将调节器上移来熄灭火焰。若长期不用时，须将酒精壶内剩余的酒精倒出。,1、座式喷灯连续使用不能超过半小时，如果超过半小时，必须暂时熄灭喷灯，待冷却后，添加酒精再继续使用。,2、若酒精喷灯的酒精壶底部凸起时，不能再使用，以免发生事故。,使用注意事项：,4、

10、电加热装置,电炉,电加热装置,微波炉,电热套,马弗炉,电热套,电热套是有机实验室常用的一种热源，它由玻璃纤维和电热丝织成碗状半圆形的加热器。加热温度高低可由相应的控温装置调节，具有无明火不易引起火灾、加热均匀、热效率高等特点，可以加热和蒸馏易燃有机物，也可加热沸点较高的化合物，适用范围较广，使用方便。,在蒸馏或减压蒸馏时，随着瓶内物质的减少，容易造成瓶壁过热，使蒸馏物被烤焦碳化。为避免这种情况发生，宜选用稍大一号的电热套，并设法使它能向下移动。,电炉,电炉可代替酒精灯和煤气灯用于一般加热。按功率大小有500W、800W、1000w等规格，温度高低可通过调节电阻来控制。加热时容器与电炉间隔一块石

11、棉网，保证受热均匀。,马福炉又叫箱形电炉，炉膛呈长方形，用电热丝或硅碳棒来加热，最高温度可达 1300，使用时将物质放在坩埚内送入炉膛中加热，温度由温度控制器控制，用于灰化滤纸和有机物成分，不允许加热液体和其它易挥发的腐蚀性物质，也不可用来熔炼金属。,微波炉,利用微波炉幅射出高频率（300300 000兆赫）的电磁波对物质加热，在微波作用下的化学反应速度较传统的加热方法要快几倍甚至上千倍，且具有易操作、热效率高、节能等特点。自1986年以来，微波有机合成发展迅速，已涉及到有机化学的方方面面，展现了广泛的应用前景。,加热方法,直接加热,间接加热,固体的加热,液体的加热,1、直接加热,直接加热是将

12、被加热物直接放在热源中进行加热，适合于对加热温度无严格要求的状况，如在煤气灯或在酒精灯上加热试管或在马福炉内加热坩埚等。,间接加热的特点是避免明火，加热均匀。热源有酒精灯、电炉等 、传热介质有水、油、有机液体、熔融的盐（等量硝酸钾和硝酸钠装在铁锅内，用后冷却于干燥器中保存）、金属等。,2、间接加热,若加热温度在80以下，可选择水浴加热。将盛有样品的玻璃仪器放在水浴中，若水浴锅长时间加热，水会大量蒸发，因此必要时往水浴锅里适当加水补充。蒸馏无水溶剂时，为防止水气进入，可用水浴锅所配的环形圆圈将其覆盖，也可在水面上加几片石蜡，石蜡熔化后铺在水面，以减少水的蒸发。对于加热像乙醚等低沸点易燃溶剂时，应

13、预先加热好的水浴。另外，在水中加入各种无机盐(如NaCl、CaCl2等)使之饱和，则水浴温度可提高到100以上。,注意事项： 水浴锅内存水量应保持在总体积的 2/3。 受热玻璃器皿不能触及锅壁和锅底。 加热时热浴的液面应略高于容器中的液面。,水浴加热,油浴加热,加热温度在80250之间可选择油浴。传热介质油的种类决定油浴所能达到最高温度。常用油类有植物油、液体石蜡、甘油、硅油等。其中甘油和邻苯二甲酸二丁酯的混合液适用于加热到140180。植物油如菜油、花生油和蓖麻油，可以加热到220，常在植物油中加入1%的对苯二酚等抗氧剂，以增加其热稳定性。液体石蜡也可加热到220，但温度稍高则易燃烧。硅油和

14、真空泵油在250以上时较稳定，是理想的传热介质，但价格贵。,注意事项： 要在油浴中放温度计（温度计不要触及锅底），便于调节和控制温度。 油浴所用的油中不能溅入水，防止加热时产生暴溅。 特别要注意的是，油浴过程中要防止火灾发生和油蒸气污染环境。,沙浴加热,当加热温度在几百度以上可使用沙浴。一般用铁盘装上清洁又干燥的细沙,将容器半埋在沙中加热。但沙浴的缺点是沙对热的传导能力较差且散热较快,温度不宜控制。所以，在操作时容器底部的沙要薄些，使之易受热，而周围沙层要厚些，使热不易散失。尽管如此，沙浴温度仍不易控制，在实验室中用得较少。,空气浴加热,空气浴就是让热源将局部空气加热，空气再把热传导给反应容器

15、。其实我们用的电热套就是一种简单的空气浴加热装置，能从室温加热到200左右。因此在安装仪器时，应将反应瓶的外壁与电热套内壁保持2cm左右距离，以便热空气传热和防止局部过热。,盐浴加热,当需要高温加热时，可使用熔融的盐作为传热介质进行盐浴。如等质量的NaNO3和KNO3混合物在218熔化，盐浴加热范围150500。但必须小心的是，熔融的盐若触及皮肤，会引起严重的烧伤。,除了上述几种加热方法外，还有合金浴、电热法等也适于实验的加热需要，如蒸馏低沸点乙醚时，可以用250W的红外灯加热。无论用何法加热，都要遵守相关的安全事项，尽量做到加热均匀稳定，减少热损失。,液体的加热,1试管中液体的加热 试管内液

16、体的量不能超过试管容积的1/3，以防止沸腾时液体外溢，加热前，试管外壁应该擦干，保持干躁。用试管夹夹住，夹在离试管口约1/3处。加热时，试管与桌面成45度角，试管口不能对着人。加热时，先使试管均匀受热，后加热液体的中上部再慢慢向下移，不时的移动试管，以免局部过热而爆沸。用酒精灯加热时要用外焰加热。固体的加热试管口应稍向下，防止水回流炸裂试管。,2烧杯、烧瓶中液体的加热 对较多的液体加热可用烧杯，液体的量应以容积的1/32/3为宜，加热前外壁应该擦干，保持干躁。烧杯须采用石棉网。烧瓶中液体的量不超过其容积的1/2，必要时加入沸石12粒。,加热试管,固体的加热,应用铁架台和铁夹固定试管或用试管夹夹

17、持试管，管口略向下倾斜，以防止凝结在管口处水珠倒流到灼热的管底使试管破裂。,二、冷却,有时因实验操作或化学反应的需要，而采用冷却方法将温度控制在一定范围之内。冷却技术往往对实验的成败起到重要作用。所以通常根据实验的不同要求，来选择合适的致冷剂和冷却方法。,1自然冷却 将热溶液在空气中放置一段时间，任其自然冷却到室温。例如在重结晶时，要得到纯度高、结晶较大的产品，一般只要把热溶液静置冷却至室温即可。 2冷风冷却和流水冷却 当需要快速冷却时，可将盛有溶液的容器用鼓风机吹风或在冷水流中冲淋冷却。 3致冷剂冷却 若需在低于室温条件下进行操作，可选用水和碎冰的混合物，由于能跟容器更好接触，故它的冷却效率

18、比单用冰块要好。若要保持在-9以下，可选用碎冰和无机盐的混和物（见下表）作致冷剂。,表 常用的致冷剂组成及冷却温度范围,在使用低温致冷剂时，要注意几点： 杜绝用手直接接触低温致冷剂，以免手冻伤。 测量-38以下温度时，不能使用水银温度计（水银的凝固点为-38.87），应采用装有少许颜料的有机溶剂温度计（如内装：甲苯，-90；正戊烷，-130）。 通常将干冰及其混和物等放在保温瓶或绝热效果好的容器中，上口用铝箔或棉布覆盖，以降低其挥发速度，保持良好的冷却效果。,三、干燥,干燥（drying）是除去原料、产物、仪器等中少量水分或少量有机溶剂的操作。在实验室工作中，有许多有机反应要求所用原料、溶剂和

19、仪器必须干燥，在相对无水条件下进行，否则将影响产物的质量和产率。有的液体在蒸馏之前必须干燥，以防止加热时发生水解，或与水形成共沸物。另外，固体有机物在进行有机物波谱分析以及测定物理常数时，就要求化合物处在干燥状态，才能获得正确结果。可见，干燥是十分重要的。,物理方法,干燥,化学方法,1自然风干 将洗净的仪器倒置或放在干燥架上自然风干。常用于玻璃仪器的干燥。 2简单加热 利用相应的加热装置，如烘箱或红外灯，温度升高将水分或有机溶剂蒸发掉。 3分馏和共沸蒸馏 对于与水不形成共沸物的液体有机物，例如甲醇和水的混和物，由于沸点相差较大，可用分馏方法完全分开。有时还利用某些有机物与水形成共沸物的特点，向

20、待干燥的液体中加入某种有机物与体系中水形成共沸物，在蒸馏时逐渐会将水分带走，以达到干燥的目的。例如工业制备无水酒精的方法之一就是把苯加到95%的乙醇中，利用苯、水和乙醇形成共沸物，经共沸蒸馏将水带走。,物理方法,4吸附 近年还用分子筛和离子交换树脂来进行脱水干燥。分子筛是多种硅酸盐晶体，而离子交换树脂是一种不溶于水、酸、碱和有机溶剂的高分子化合物，它们内部有许多空隙或孔穴可以吸附水分子。这些物质吸水后经加热解吸,可以反复使用。如苯磺酸钾型阳离子交换树脂，其粒子内有很多孔穴可以吸附水分子，加热150以上可将吸附的水释放出。另外，如用硅胶干燥空气，石蜡吸收非极性有机溶剂的蒸气，也都属于吸附干燥。,

21、化学方法,采用适当的干燥剂(drying agent)与水发生反应以达到干燥除水的目的。根据化学反应的差别可将干燥剂分为两大类:,2Na + 2H2O 2NaOH + H2 与水可逆反应，生成水合物。如无水MgSO4、无水CaCl2、无水K2CO3等。这是目前实验室应用较广泛的干燥剂。,CaCl2 + nH2O CaCl2nH2O (n=1,2,4,6) 由于此类干燥剂与水反应是可逆的，当温度升高，水合物加速分解，水又会返回液体中，所以在蒸馏前必须将干燥剂过滤。,与水发生不可逆的反应，生成稳定的化合物。如Na、Mg、CaO、P2O5等。此类干燥剂在蒸馏之前可以不必除去。,干燥剂（cooling

22、 agent）与被干燥的物质是直接接触的，在选择何种干燥剂时，应考虑以下一般条件： 1与被干燥的有机物不能发生化学反应。 2对有机物无催化作用，以免引起自动氧化、聚合等反应。 3不溶于被干燥的液体中。 4干燥速度快，吸水量大，价格便宜。,干燥剂的选择,实验室常用的干燥剂的性能列在下表，以供参考。,续上表,干燥容量：指单位质量的干燥剂所吸收的水量。干燥容量越大，干燥剂吸收水分越多。 干燥效能：指达到平衡时被干燥的液体的干燥程度。对于形成水合物的无机盐干燥剂，常用吸水后结晶水的蒸气压来表示，水蒸气压越大，干燥效果越差。,干燥剂加入量的多少是干燥过程中关键的一步。干燥剂的用量要适当，用量少则干燥不完

23、全，用量过多会因干燥剂的表面吸附作用而造成被干燥物质较多的损失。可根据水在液体中的溶解度和干燥剂的吸水容量，计算出干燥剂的最低用量。而在实际操作中，干燥剂的用量要大于其计算量。一般用量为每10mL液体约需0.5-1g干燥剂。例如含水乙醚的干燥，室温下水在乙醚中溶解度约为1-1.5%,干燥剂为无水氯化钙，假定其全部转化为CaCl26H2O（吸水容量为0.97）,则100mL的含水乙醚需要干燥剂的计算量至少为1g，但实际用量为7-10g远大于计算量。这是由于萃取时，水相与乙醚相分层不好，乙醚相中残留有微小的水滴。干燥剂的高水合物形成时间长，这有可能使它达不到应有的吸水容量。再考虑到干燥剂的质量不同，颗粒大小和干燥时温度不同以及干燥剂有时可能会吸收副产物（如CaCl2吸收醇）等因素，因此具体加入多少量干燥剂是难确定的。这就需要实验者在现场细心观察判断和平时注意积累此方面的经验。,干燥剂的用量,干燥操作,液体的干燥 此类物质干燥是实验室常见的一种操作，所用干燥剂的选择见表1-2。 1. 干燥前应把被干燥液体中水层尽量分净,再将该液体放在适当的容器内(如锥形瓶)。 2取适量干燥剂直接加入液体中，用塞子盖住瓶口，振摇片刻，静