實(shí)驗(yàn)室常用的熱源有煤氣、酒精和電能。
為了加速有機(jī)反應(yīng),往往需要加熱,從加熱方式來(lái)看有直接加熱和間接加熱。在有機(jī)實(shí)驗(yàn)室里一般不用直接加熱,例如用電熱板加熱圓底燒瓶,會(huì)因受熱不均勻,導(dǎo)致局部過(guò)熱,甚至導(dǎo)致破裂,所以,在實(shí)驗(yàn)室安全規(guī)則中規(guī)定禁止用明火直接加熱易燃的溶劑。為了保證加熱均勻,一般使用熱浴間接加熱,作為傳熱的介質(zhì)有空氣、水、有機(jī)液體、熔融的鹽和金屬。根據(jù)加熱溫度、升溫速度等的需要,常采用下列手段。
1、空氣浴
這是利用熱空氣間接加熱,對(duì)于沸點(diǎn)在80℃以上的液體均可采用。把容器放在石棉網(wǎng)上加熱,這就是最簡(jiǎn)單的空氣浴。但是,受熱仍不均勻,故不能用于回流低沸點(diǎn)易燃的液體或者減壓蒸餾。半球形的電熱套是屬于比較好的空氣浴,因?yàn)殡姛崽字械碾姛峤z是玻璃纖維包裹著的,較安全,一般可加熱至400℃,電熱套主要用于回流加熱。蒸餾或減壓蒸餾以不用為宜,因?yàn)樵谡麴s過(guò)程中隨著容器內(nèi)物質(zhì)逐漸減少,會(huì)使容器壁過(guò)熱。電熱套有各種規(guī)格,取用時(shí)要與容器的大小相適應(yīng)。為了便于控制溫度,要連調(diào)壓變壓器。
2、水浴
當(dāng)加熱的溫度不超過(guò)100℃時(shí),最好使用水浴加熱,水浴為較常用的熱浴。
但是,必須強(qiáng)調(diào)指出,當(dāng)用于鉀和鈉的操作時(shí),決不能在水浴上進(jìn)行。
使用水浴時(shí),勿使容器觸及水浴器壁或其底部。
如果加熱溫度稍高于100℃,則可選用適當(dāng)無(wú)機(jī)鹽類的飽和水溶液作為熱溶液。
例如:
鹽類 飽和水 溶液的沸點(diǎn)(℃)
NaCl 109
MgSO4 108
KNO3 116
CaCl2 180
由于水浴中的水不斷蒸發(fā),適當(dāng)時(shí)添加熱水,使水浴中水面經(jīng)常保持稍高于容器內(nèi)的液面?傊,使用液體熱浴時(shí),熱浴的液面應(yīng)略高于容器中的液面。
3、油浴
適用100-250℃,優(yōu)點(diǎn)是使反應(yīng)物受熱均勻,反應(yīng)物的溫度一般低于油浴液20℃左右。
常用的油浴液有:
①甘油:可以加熱到140-150℃,溫度過(guò)高時(shí)則會(huì)分解。
②植物油:如菜油、蓖麻油和花生油等,可以加熱到220℃,常加入1%對(duì)苯二酚等
抗氧化劑,便于久用,溫度過(guò)高時(shí)則會(huì)分解達(dá)到閃點(diǎn)時(shí)可能燃燒起來(lái),所以,使用時(shí)要
小心。
③石蠟:能加熱到200℃左右,冷到室溫時(shí)凝成固體,保存方便。
④有機(jī)硅油:可以加熱到200℃左右,溫度稍高并不分解,但較易燃燒。用油浴加熱時(shí),要特別小心,防止著火,當(dāng)油受熱冒煙時(shí),應(yīng)立即停止加熱。油浴中應(yīng)掛一支溫度計(jì),可以觀察油浴的溫度和有無(wú)過(guò)熱現(xiàn)象,便于調(diào)節(jié)火焰控制溫度。
油量不能過(guò)多。否則受熱后有溢出而引起火災(zāi)的危險(xiǎn)。使用油浴時(shí)要極力防止產(chǎn)生可能引起油浴燃燒的因素。
加熱完畢取出反應(yīng)容器時(shí),仍用鐵夾夾住反應(yīng)容器使其離開(kāi)液面懸置片刻,待容器壁上附著的油滴完后,用紙和干布揩干之。
4、砂浴
砂浴一般是用鐵盆裝干燥的細(xì)海砂(或河沙),把反應(yīng)容器半埋砂中加熱。加熱沸點(diǎn)在80℃以上的液體時(shí)可以采用,特別適用于加熱溫度在220℃以上者,但砂浴的缺點(diǎn)是傳熱慢,溫度上升慢,且不易控制,因此,砂層要薄一些。砂浴中應(yīng)插入溫度計(jì)。溫度計(jì)水銀球要靠近反應(yīng)器。
5、金屬浴
選用適當(dāng)?shù)牡腿酆辖,可加熱?50℃左右,一般都不超過(guò)350℃。否則,合金將會(huì)迅速氧化。
在有機(jī)實(shí)驗(yàn)中,有時(shí)須采用一定的冷卻劑進(jìn)行冷卻操作,在一定的低溫條件下進(jìn)行反應(yīng),分離提純等。例如:
(1)某些反應(yīng)要在特定的低溫條件下進(jìn)行的,才利于有機(jī)物的生成,如重氮化反應(yīng)一般在0℃-5℃進(jìn)行;
(2)沸點(diǎn)很低的有機(jī)物,冷卻時(shí)可減少損失;
(3)要加速結(jié)晶的析出;
(4)高度真空蒸餾裝置(一般有機(jī)實(shí)驗(yàn)很少運(yùn)用)。
根據(jù)不同的要求,選用適當(dāng)?shù)睦鋮s劑冷卻,最簡(jiǎn)單的是用水和碎冰的混合物,可冷卻至0℃-5℃,它比單純用冰塊有較大的冷卻效能。因?yàn)楸旌衔锱c容器的器壁充分接觸。若在碎冰中酌加適量的鹽類,則得冰鹽混合冷卻劑的溫度可在0℃以下,例如:普通常用的食鹽與碎冰的混合物(33:100),其溫度可由始溫-1℃降至-21.3℃。但在實(shí)際操作中溫度約-5℃~-18℃。冰鹽浴不宜用大塊的冰,而且要按上述比例將食鹽均勻撤布在碎冰上,這樣冰冷效果才好。
有機(jī)物干燥的方法大致有物理方法(不加干燥劑)和化學(xué)方法(加入干燥劑)兩種。物理方法如吸收、分餾等,近年來(lái)應(yīng)用分子篩來(lái)脫水,在實(shí)驗(yàn)室中常用化學(xué)干燥法,其特點(diǎn)是在有機(jī)液體中加入干燥劑,干燥劑與水起化學(xué)反應(yīng)(例如Na+H2O→NaOH+H2↑)或同水結(jié)合生成水化物,從而除去有機(jī)液體所含的水分,達(dá)到干燥的目的。用這種方法干燥時(shí),有機(jī)液體中所含的水分不能太多(一般在百分之幾以下)。否則,必須使用大量的干燥劑,同時(shí)有機(jī)液體因被干燥劑帶走而造成的損失也較大。
一、液體干燥
常用干燥劑
常用干燥劑的種類很多,選用時(shí)必須注意下列幾點(diǎn):
①干燥劑與有機(jī)物應(yīng)不發(fā)生任何化學(xué)變化,對(duì)有機(jī)物亦無(wú)催化作用;
②干燥劑應(yīng)不溶于有機(jī)液體中;
③干燥劑的干燥速度快,吸水量大,價(jià)格便宜。
常用干燥劑有下列幾種:
(1)無(wú)水氯化鈣價(jià)廉、吸水能力大,是最常用的干燥劑之一,與水化合可生成一、二、四或六水化合物(在30℃以下)。它只適于烴類、鹵代烴、醚類等有機(jī)物的干燥,不適于醇、胺和某些醛、酮、酯等有機(jī)物的干燥,因?yàn)槟芘c它們形成絡(luò)合物。也不宜用作酸(或酸性液體)的干燥劑。
(2)無(wú)水硫酸鎂它是中性鹽,不與有機(jī)物和酸性物質(zhì)起作用?勺鳛楦黝愑袡C(jī)物的干燥劑,它與水生成MgSO4·7H2O(48℃以下)。價(jià)較廉,吸水量大,故可用于不能用無(wú)水氯化鈣來(lái)干燥的許多化合物。
(3)無(wú)水硫酸鈉,它的用途和無(wú)水硫酸鎂相似,價(jià)廉,但吸水能力和吸水速度都差一些。與水結(jié)合生成NaSO4·10H2O(37℃以下)。當(dāng)有機(jī)物水分較多時(shí),常先用本品處理后再用其它干燥劑處理。
(4)無(wú)水碳酸鉀、吸水能力一般,與水生成K2CO3·2H2O,作用慢,可用干燥醇、酯、酮、腈類等中性有機(jī)物和生物堿等一般的有機(jī)堿性物質(zhì)。但不適用于干燥酸、酚、或其它酸性物質(zhì)。
(5)金屬鈉、醚、烷烴等有機(jī)物用無(wú)水氯化鈣或硫酸鎂等處理后,若仍含有微量的水分時(shí),可加入金屬鈉(切成薄片或壓成絲)除去。不宜用作醇、酯、酸、鹵烴、醛、酮及某些胺等能與堿起反應(yīng)或易被還原的有機(jī)物的干燥劑。
液態(tài)有機(jī)化合物干燥的操作
液態(tài)有機(jī)化合物的干燥操作一般在干燥的三角燒瓶?jī)?nèi)進(jìn)行。把按照條件選定的干燥劑投入液體里,塞緊(用金屬鈉作干燥劑時(shí)則例外,此時(shí)塞中應(yīng)插入一個(gè)無(wú)水氯化鈣管,使氫氣放空而水氣不致進(jìn)入),振蕩片刻,靜置,使所有的水分全被吸去。如果水分太多,或干燥劑用量太少,致使部分干燥劑溶解于水時(shí),可將干燥劑濾出,用吸管吸出水層,再加入新的干燥劑,放置一定時(shí)間,將液體與干燥劑分離,進(jìn)行蒸餾精制。
二、固體的干燥
從重結(jié)晶得到的固體常帶水分或有機(jī)溶劑,應(yīng)根據(jù)化合物的性質(zhì)選擇適當(dāng)?shù)姆椒ㄟM(jìn)行干燥。
(1)自然晾干
這是最簡(jiǎn)便,最經(jīng)濟(jì)的干燥方法。把要干燥的化合物先在濾紙上面壓平,然后在一張濾紙上面薄薄地?cái)傞_(kāi),用另一張濾紙復(fù)蓋起來(lái),在空氣中慢慢地涼干。
(2)加熱干燥
對(duì)于熱穩(wěn)定的固體可以放在烘箱內(nèi)烘干,加熱的溫度切忌超過(guò)該固體的熔點(diǎn),以免固體變色和分解,如屬需要可在真空恒溫干燥箱中干燥。
(3)紅外線干燥
特點(diǎn)是穿透性強(qiáng),干燥快。
(4)干燥器干燥
對(duì)易吸濕或在較高溫度干燥時(shí),會(huì)分解或變色的可用干燥器干燥,干燥器有普通干燥器和真空干燥器兩種。