2.6　加熱與冷卻

許多化學(xué)反應(yīng)在室溫下反應(yīng)很慢甚至不能進(jìn)行，常需在加熱條件下加快反應(yīng)，一般情況下溫度每升高10℃，反應(yīng)速率就會(huì)增加一倍；也有一些反應(yīng)，因反應(yīng)非常劇烈，常釋放出大量熱能而使反應(yīng)難以控制，或者反應(yīng)產(chǎn)物在常溫下容易分解，需控制在室溫或低于室溫條件下進(jìn)行，這時(shí)，就需要對(duì)反應(yīng)體系進(jìn)行冷卻。除此之外，許多操作如蒸餾、重結(jié)晶等也都需要加熱或冷卻。所以加熱和冷卻技術(shù)是化學(xué)實(shí)驗(yàn)中十分普通而又非常重要的實(shí)驗(yàn)技術(shù)。

2.6.1　加熱

實(shí)驗(yàn)中常用的加熱方式有直接加熱（如酒精燈、煤氣燈、電爐、電熱套等加熱）和間接加熱（使用各種熱浴如水浴、油浴等）。玻璃儀器容易受熱不均而破裂，所以使用酒精燈或噴燈加熱燒杯或燒瓶時(shí)，要使用石棉網(wǎng)隔離。如果要控制溫度，或盡量使反應(yīng)物受熱均勻，避免局部過熱而分解時(shí)最好是用熱浴間接加熱。實(shí)驗(yàn)室常用的加熱裝置如圖2-28所示。

為了避免直接加熱可能帶來的問題，根據(jù)具體情況，可選用下列間接加熱的方式。

（1）空氣浴加熱　利用熱空氣間接加熱，實(shí)驗(yàn)室中常用在石棉網(wǎng)上加熱和用電熱套加熱。

把容器放在石棉網(wǎng)上加熱，注意容器不能緊貼石棉網(wǎng)，要留0.5～1.0cm間隙，使之形成一個(gè)空氣浴，這樣加熱可使容器受熱面增大，但加熱仍不很均勻。這種加熱方法不能用于回流低沸點(diǎn)、易燃的液體或減壓蒸餾。

電熱套是一種較好的空氣浴，它是由玻璃纖維包裹著電熱絲織成碗狀半圓形的加熱器，有控溫裝置可調(diào)節(jié)溫度。由于它不是明火加熱，因此可以加熱和蒸餾易燃有機(jī)物，但要注意，蒸餾過程中，隨著容器內(nèi)物質(zhì)的減少，會(huì)使容器壁過熱而引起蒸餾物的炭化。故要選擇適當(dāng)大一些的電熱套，蒸餾時(shí)不斷調(diào)節(jié)電熱套的高低位置，以避免炭化。

（2）水浴加熱　水浴用于加熱溫度低于80℃的體系。加熱器皿可用銅質(zhì)或鋁質(zhì)鍋，也可用燒杯。將容器浸在水中（水的液面要高于容器內(nèi)液面），但切勿使容器接觸水浴底，調(diào)節(jié)火焰，把水溫控制在所需要的溫度范圍內(nèi)。如果需要加熱到接近100℃，可用沸水浴或蒸汽浴加熱。

（3）油浴加熱　油浴加熱溫度范圍一般為100～250℃，其優(yōu)點(diǎn)是溫度容易控制，容器內(nèi)物質(zhì)受熱均勻。油浴所達(dá)到的最高溫度是取決于所用油的品種。實(shí)驗(yàn)室中常用的油見表2-7。甘油適用于反應(yīng)溫度140～150℃的加熱，溫度過高，甘油易分解。植物油如豆油、菜子油、蓖麻油等加熱溫度一般為200～220℃，為了防止植物油在高溫下分解，常加入1% 對(duì)苯二酚等抗氧劑。透明的液體石蠟油可加熱到220℃以上，溫度過高并不分解，是實(shí)驗(yàn)中最常用的油浴，但易燃燒。

油浴加熱的缺點(diǎn)是溫度過高時(shí)會(huì)有油煙冒出，達(dá)到油的燃點(diǎn)會(huì)自燃，明火容易引起火災(zāi)，油蒸氣還會(huì)污染環(huán)境。

使用油浴操作時(shí)應(yīng)注意以下幾點(diǎn)。①油量不能過多，一般約為油鍋容量的1/2。②油鍋上面應(yīng)蓋上兩個(gè)半圓形石棉板（中間留一圓孔，恰好放入燒瓶），以防油浴燃燒或?yàn)R入水滴爆濺。③油浴中應(yīng)懸掛一支溫度計(jì)隨時(shí)觀察溫度，以便隨時(shí)調(diào)節(jié)加熱，油浴溫度應(yīng)比反應(yīng)溫度高出20℃，但不能超過油浴所能達(dá)到的最高溫度。最好使用調(diào)壓器，方便調(diào)整加熱溫度。④油浴著火時(shí)，應(yīng)立即關(guān)閉熱源，再用大塊石棉布將火悶熄，切不可用水或沙土滅火，否則會(huì)造成火勢(shì)蔓延，引起火災(zāi)。⑤停止加熱時(shí)，將燒瓶提離油浴液面，用鐵夾懸空夾住，待燒瓶外壁黏附的油流盡后再用布或軟紙將瓶壁擦干凈。⑥加熱油使用時(shí)間較長(zhǎng)時(shí)應(yīng)及時(shí)更換，否則易出現(xiàn)溢油著火。

（4）砂浴加熱　要求加熱溫度較高時(shí)，可采用砂浴。砂浴可加熱到350℃。一般將干燥的細(xì)砂平鋪在鐵盤中，把容器半埋入砂中（底部的砂層要薄些）。在鐵盤下加熱，因砂導(dǎo)熱效果較差、溫度分布不均勻，所以砂浴的溫度計(jì)水銀球要靠近反應(yīng)器。由于砂浴溫度不易控制，故在實(shí)驗(yàn)中使用較少。

（5）微波輻射加熱　將微波加熱技術(shù)應(yīng)用于化學(xué)實(shí)驗(yàn)室中樣品的加熱，消解，有效成分的提取，無機(jī)，有機(jī)物的反應(yīng)等，可以大大地加快進(jìn)程。其常用的操作方法有三種：密封管法、連續(xù)流動(dòng)法和敞開口法。密封管法是將反應(yīng)物密封在高壓管內(nèi)進(jìn)行加熱反應(yīng)；連續(xù)流動(dòng)法是將反應(yīng)物存儲(chǔ)于容器中，用泵泵入安裝在微波爐中的蛇形管中，經(jīng)微波輻射后送到接收器中；敞開口法一般只局限于無溶劑的反應(yīng)。可以將反應(yīng)物浸漬到氧化鋁或硅膠之類的無機(jī)載體上，干燥后再微波加熱。微波加熱用于干燥從水溶液中析出的固體物質(zhì)時(shí)尤為方便快捷。

2.6.1.1　液體的加熱

（1）在水浴上加熱　適用于在100℃以上易變質(zhì)的溶液或純液體。

（2）直接加熱　適用于在較高溫度下不分解的溶液或純液體。一般把裝有液體的器皿放在石棉網(wǎng)上，用煤氣燈加熱。試管中的液體一般可直接放在火焰上加熱（見圖2-29），但易分解的物質(zhì)仍應(yīng)放在水浴中加熱。在火焰上加熱試管中的液體時(shí)，應(yīng)注意以下四點(diǎn)：①應(yīng)該用試管夾夾住試管的中上部，不能用手拿住試管加熱；②試管應(yīng)稍微傾斜，管口向上；③應(yīng)使液體各部分受熱均勻，先加熱液體的中上部，再慢慢往下移動(dòng)，然后不時(shí)地上下移動(dòng)，不要集中加熱某一部分（這樣做容易引起暴沸，使液體沖出管外）；④不要把試管口對(duì)著別人或自己，以免發(fā)生意外。

2.6.1.2　固體的加熱

（1）在試管中加熱　所盛固體藥品不得超過試管容量的1/3。塊狀或粒狀固體一般應(yīng)先研細(xì)，并盡量將其在管內(nèi)鋪平。加熱的方法與在試管中加熱液體時(shí)相同，有時(shí)也可把盛固體的試管固定在鐵架臺(tái)上加熱（見圖2-30），但是必須注意，應(yīng)使試管口稍微向下傾斜，以免凝結(jié)在管口的水珠流至灼熱的管底，使試管炸裂。先來回將整個(gè)試管預(yù)熱，然后用氧化焰集中加熱。一般隨著反應(yīng)進(jìn)行，燈焰從試管內(nèi)固體藥品的前部慢慢往后部移動(dòng)。

（2）在蒸發(fā)皿中加熱　加熱較多的固體時(shí)，可把固體放在蒸發(fā)皿中進(jìn)行。但應(yīng)注意充分?jǐn)嚢瑁构腆w受熱均勻。

（3）在坩堝中灼燒　當(dāng)需要在高溫加熱固體時(shí)，可以把固體放在坩堝中灼燒（見圖2-31）。應(yīng)使用煤氣燈的氧化焰加熱坩堝，而不要讓還原焰接觸坩堝底部（還原焰溫度低）。開始時(shí)，火不要太大，坩堝均勻地受熱，然后逐漸加大火焰將坩堝燒至紅熱。灼燒一定時(shí)間后，停止加熱，在泥三角上稍冷后，用坩堝鉗夾持放在干燥器內(nèi)。要夾持高溫的坩堝時(shí)，必須先把坩堝鉗放在火焰上預(yù)熱一下。坩堝鉗用后應(yīng)將其尖端向上平放在石棉網(wǎng)上冷卻。

2.6.2　冷卻技術(shù)

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，制冷技術(shù)也在不斷提高。利用深度冷卻，可使很多在室溫下不能進(jìn)行的反應(yīng)，如負(fù)離子反應(yīng)或有些有機(jī)金屬化合物的反應(yīng)都能順利進(jìn)行。在普通有機(jī)實(shí)驗(yàn)中，也普遍使用低溫操作，如重氮化反應(yīng)、亞硝化反應(yīng)等。有的放熱反應(yīng)，常產(chǎn)生大量的熱，使反應(yīng)難以控制，會(huì)引起易揮發(fā)化合物的損失，或?qū)е掠袡C(jī)物的分解或增加副反應(yīng)，為了除去過剩的熱量，亦需用冷卻技術(shù)轉(zhuǎn)移多余熱量，使反應(yīng)正常進(jìn)行。

此外，為了減少固體化合物在溶劑中的溶解度，使其易于析出結(jié)晶，也常需要冷卻。將反應(yīng)物冷卻的最簡(jiǎn)單的方法，就是把盛有反應(yīng)物的容器浸入冷水中冷卻。有些反應(yīng)必須在室溫以下的低溫進(jìn)行，這時(shí)最常用的冷卻劑是冰或冰與水的混合物，后者由于能和器壁接觸得更好，它的冷卻效果比單用冰好。如果有水存在，并不妨礙反應(yīng)的進(jìn)行，也可以把冰塊投入反應(yīng)物中，這樣可以更有效地保持低溫。傳統(tǒng)的制冷方法是機(jī)械冷卻和使用制冷劑冷卻。實(shí)驗(yàn)室中常用的冷卻方法如下。

（1）自然冷卻　將欲冷卻的物品放置在空氣中，讓其自然冷卻至室溫。

（2）吹風(fēng)冷卻和流水冷卻　當(dāng)實(shí)驗(yàn)需要快速冷卻時(shí)，可將盛有待冷卻物品的器皿放在冷水流中沖淋或用鼓風(fēng)機(jī)吹風(fēng)冷卻。

（3）制冷劑冷卻　要使體系的溫度低于室溫時(shí)，可選用合適的制冷劑冷卻，常見的制冷劑及其制冷溫度見表2-8。

應(yīng)當(dāng)注意的是：當(dāng)溫度低于-38℃時(shí)，不能使用水銀溫度計(jì)測(cè)溫度，因?yàn)樗y在-38.87℃時(shí)會(huì)凝固，此時(shí)可用內(nèi)裝甲苯、正戊烷等有機(jī)溶劑的低溫溫度計(jì)。為了方便讀數(shù)，可加入少許顏料。液氮的使用應(yīng)當(dāng)在有經(jīng)驗(yàn)的教師指導(dǎo)下進(jìn)行操作。

（4）回流冷卻　許多有機(jī)化學(xué)反應(yīng)需要使反應(yīng)物在較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)保持沸騰才能完成。為了防止反應(yīng)物以蒸氣逸出，常用回流冷凝裝置進(jìn)行回流冷卻，使蒸氣不斷地在冷凝管內(nèi)冷凝成液體，返回反應(yīng)器中。為了防止空氣中的濕氣浸入反應(yīng)器或吸收反應(yīng)中放出的有毒氣體，可在冷凝管上口連接CaCl2干燥管或氣體吸收裝置（圖2-32）。為了使冷凝管的套管內(nèi)充滿冷卻水，應(yīng)從下面的入口通入冷卻水，水流速度能保持蒸氣充分冷凝即可。進(jìn)行回流操作時(shí)，也要控制加熱，蒸氣上升的高度一般以不超過冷凝管的1/3為宜。

（5）制冷機(jī)冷卻　用制冷機(jī)冷卻可以不使用化學(xué)試劑，減少了對(duì)環(huán)境的污染。尤其是當(dāng)前發(fā)展出來的電子冷卻技術(shù)，它是應(yīng)用某些半導(dǎo)體材料的特性而冷卻的一項(xiàng)新興技術(shù)，電子冷卻是直接將電能轉(zhuǎn)化為熱能，這樣就省掉了壓縮機(jī)、冷媒、介質(zhì)管道等機(jī)械冷卻環(huán)節(jié)，在消除污染的同時(shí)還大大降低了生產(chǎn)成本，因此更易使大家接受，應(yīng)用前景十分廣闊。