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3.2 化學分析實驗基礎操作

3.2.1 化學試劑的取用

在化驗室中,化學試劑均儲存于相應的試劑瓶中。固體試劑儲于便于取用的廣口試劑瓶內,液體試劑則儲于細口試劑瓶中。所有存放試劑的試劑瓶都必須貼有相應的標簽。

取用化學試劑的過程中要防止污染試劑瓶中的試劑,須注意以下幾點:

① 固體試劑應用潔凈干燥的小勺取用,一次不要取出過多。特別是一級或基準試劑,取出的試劑一般不應再裝入原試劑瓶中,以防將試劑瓶中的試劑污染。取用強堿性試劑后的小勺應立即洗凈,以免腐蝕。

② 液體試劑應倒入量筒中量取或倒入燒杯中,多取的液體試劑一般也不應倒回原試劑瓶中。

③ 取用試劑的工具不得混用。

④ 取用試劑時,瓶塞要按規定放置。玻璃磨口塞、橡膠塞、塑料內封蓋要翻過來倒放在潔凈處,以免被其他物質沾污,影響原試劑瓶中試劑質量。取用試劑完畢后立即將瓶塞蓋好,儲存在干燥、清潔的試劑柜內。

3.2.2 玻璃儀器的洗滌與干燥

(1)常用玻璃儀器的類型

化驗室中,常用玻璃儀器按其用途可分為容器類儀器、量器類儀器和標準磨口儀器。

容器類 常溫或加熱條件下物質的反應容器、儲存容器,包括試管、燒杯、燒瓶、錐形瓶、滴瓶、細口瓶、廣口瓶、稱量瓶、分液漏斗和洗氣瓶。每種類型又有許多不同的規格。使用時要根據用途和用量選擇不同種類和不同規格的容器。注意閱讀使用說明和注意事項,特別要注意容器加熱的方法,以防損壞儀器。

量器類 用于度量溶液體積。主要有量筒、移液管(吸量管)、容量瓶和滴定管等。不可以作為實驗容器,例如不可以用于溶解、稀釋操作。不可以量取熱溶液,不可以加熱,不可以長期存放溶液。

量器類容器每種類型又有不同規格。應遵循保證實驗結果精確度的原則選擇度量容器。能否正確地選擇和使用度量容器,反映了化驗員實驗技能水平的高低。

標準磨口儀器 是具有標準內磨口和外磨口的玻璃儀器。使用時根據實驗的需要選擇合適的容量和合適的口徑。相同型號的磨口儀器,具有一致的口徑。連接是緊密的,使用時可以互換。

(2)玻璃儀器的洗滌

為了得到準確的實驗結果,每次實驗前和實驗后必須要將實驗儀器洗滌干凈。尤其是久置變硬不易洗掉的實驗殘渣和對玻璃儀器有腐蝕作用的廢液,一定要在實驗后立即清洗干凈。一般來說,污物既有可溶性物質,也有灰塵和不溶性物質,還有有機物及油污等。

儀器洗滌是否符合要求,對于檢驗結果的準確性和精密度均有影響。

普通玻璃儀器的洗滌

a.洗刷儀器時,應首先將手用肥皂洗凈,以免手上的油污附在儀器上,增加洗刷的困難。

b.如儀器長久存放附有灰塵,先用清水沖去,再按要求選用潔凈劑洗刷或洗滌。例如,用毛刷蘸上少量去污粉或洗潔精,將儀器內外全刷一遍,然后邊用水沖邊刷洗直至肉眼看不見去污粉顆粒或洗潔精的殘液時,用自來水沖洗干凈,最后用蒸餾水沖洗三次以上。

c.洗干凈的玻璃儀器應以不掛水珠為度。用蒸餾水沖洗時,要用順壁沖洗方法并充分振蕩,經蒸餾水沖洗后的儀器,用酸堿指示劑檢查沖洗后的蒸餾水應為中性。

注:洗滌容器時應符合少量多次的原則(每次用少量的洗滌劑),既節約試劑,又提高洗滌效率。

常用玻璃量器的洗滌 玻璃量器的洗凈程度要求較高,有些儀器形狀又特殊,不宜用毛刷刷洗,常用洗液進行洗滌。具體洗滌方法如下:

a.滴定管的洗滌 先用自來水沖洗。酸式滴定管將旋塞關閉,堿式滴定管除去乳膠管,用橡膠乳頭將管口下方堵住。加入約15mL鉻酸洗液,雙手平托滴定管的兩端,不斷轉動滴定管并向管口傾斜,使洗液流遍全管(注意:管口對準洗液瓶,以免洗液外溢!),可反復操作幾次。洗完后,堿式滴定管由上口將洗液倒出,酸式滴定管可將洗液分別由兩端放出,再依次用自來水和蒸餾水洗凈。如滴定管太臟,可將洗液灌滿整個滴定管浸泡一段時間,此時,在滴定管下方應放一燒杯,防止洗液流在實驗臺面上。

b.容量瓶的洗滌 先用自來水沖洗,加入適量(15~20mL)洗液,蓋上瓶塞,轉動容量瓶,使洗液流遍容量瓶內壁,將洗液倒回原瓶,最后依次用自來水和蒸餾水洗凈。

c.移液管的洗滌 先用自來水沖洗,用洗耳球吹出管中殘留的水。然后將移液管插入鉻酸洗液瓶內,按移液管的操作,吸入約1/4容積的洗液。用右手食指堵住移液管上口,將移液管橫置過來,左手托住沒沾洗液的下端,右手食指松開,平移移液管,使洗液潤洗內壁,然后放出洗液于瓶中。最后依次用自來水和蒸餾水洗凈。

除了上述清洗方法之外,現在還有超聲波清洗器。只要把用過的儀器放在配有合適洗滌劑的溶液中,接通電源,利用聲波的能量和振動,就可以將儀器清洗干凈。

洗凈的標準 凡洗凈的儀器,應該是清潔透明的。當把儀器倒置時,器壁上只留下一層既薄又均勻的水膜,器壁上不應掛水珠。

凡是已經洗凈的儀器,不要用布或軟紙擦干,以免布或紙上的少量纖維附著在器壁上反而沾污了儀器。

(3)玻璃儀器的干燥

玻璃儀器的干燥主要有自然干燥(晾干)、烘烤干燥(烤干)、熱氣干燥(吹干)、烘箱干燥(烘干)、有機溶劑干燥(快干)等五種方法。

自然干燥(晾干) 不急用的儀器,可將洗凈的儀器放置在適當的儀器架上或者儀器柜內,讓其在空氣中自然干燥,倒置可以防止灰塵落入,但要注意放穩儀器。

烘烤干燥(烤干) 用煤氣燈小心烤干。一些常用的燒杯、蒸發皿等可置于石棉網上用小火烤干。烤干前應擦干儀器外壁的水珠。硬質試管等可用酒精燈加熱烤干,從底部烤起,管口向下,以免水珠倒流將試管炸裂,至無水珠后將試管口向上趕盡水汽。

熱氣干燥(吹干) 對急于干燥和不適合放入烘箱的較大儀器可用電吹風機將其吹干。通常用少量乙醇、丙酮(或最后再用乙醚)倒入已控去水分的儀器中搖洗,然后用電吹風機吹,開始用冷風吹1~2min,當大部分溶劑揮發后吹入熱風至完全干燥,再用冷風吹去殘余蒸氣,不使其又冷凝在容器內。吹風機按冷風→熱風→冷風的順序吹。

烘箱干燥(烘干) 洗凈的儀器可放到電熱烘干箱內烘干。儀器放進烘箱前應盡量把水倒凈,并在烘箱的最下層放一搪瓷盤,接受從容器上滴下的水珠,以免水滴直接滴在電爐絲上,損壞爐絲。

恒溫干燥箱(簡稱烘箱)是實驗室常見的儀器,如圖3.1所示。 烘箱常用來干燥玻璃儀器,烘干無腐蝕性、熱穩定性比較好的化學試劑或試樣。但揮發性易燃品或剛用酒精、丙酮淋洗過的儀器切勿放入烘箱內,以免發生爆炸。烘箱帶有自動控溫裝置和溫度顯示裝置。具體使用方法參考烘箱使用說明書。

圖3.1 烘箱

烘箱溫度為105~110℃,時間為1h左右,適用于一般儀器干燥。玻璃儀器干燥時,應先洗凈并將水盡量倒干,放置時應注意平放或使儀器口朝上,帶塞的瓶子應打開瓶塞,如果能將儀器放在托盤里則更好。一般在105℃加熱一刻鐘即可干燥。最好讓烘箱降至常溫后再取出儀器。如果熱時就要取出儀器,應注意用干布墊手,防止燙傷。熱玻璃儀器不能碰水,以防炸裂。

稱量瓶等在烘干后要放在干燥器中冷卻和保存。帶實心玻璃塞的儀器及厚壁儀器烘干時要注意緩慢升溫并且溫度不可過高,以免破裂。帶有刻度的量器不可放于烘箱中烘干。

有機溶劑干燥(快干) 對于不能加熱的厚壁儀器或有精密刻度的儀器,如試劑瓶、吸濾瓶、比色皿、滴定管和移液管等,可加入少量易揮發且與水互溶的有機溶劑(如無水乙醇、乙醚等),轉動儀器使溶劑浸潤內壁后倒出,如此反復操作2~3次,便可借助殘余溶劑的揮發將水分帶走。

3.2.3 加熱/升溫技術

加熱是化學實驗基本操作的重要部分。不同的溫度需要不同的加熱器具,不同的化學反應要求不同的加熱方式,因此需要選擇合適的加熱方法。

化學實驗室中的加熱器具可以分為燃料器具、電加熱器和微波加熱器。其中,電加熱器是分析化學實驗中使用最多的一種加熱器。本教材著重介紹在化學分析中常用的幾種電加熱器。

(1)電加熱器

分析化學實驗室中常用的電加熱器主要有電爐、電加熱套、電熱板、馬弗爐、微波爐等。

電爐 按功率大小有500W、800W、1000W 等規格,見圖3.2。使用時一般應在電爐絲上放一塊石棉網,在它上面再放需要加熱的儀器,這樣不僅可以增大加熱而積,而且可以使加熱更加均勻。溫度的高低可以通過調節電阻來控制。

圖3.2 電爐

使用電爐時應注意不要把加熱的化學試劑濺灑在電爐絲上,以免電爐絲損壞。

電熱板 電熱板是一種均勻加熱設備,對于有機物和易燃物的加熱尤為適用。電熱板升溫速度較慢,且受熱面是平面的,不適合加熱圓底容器,多用作水浴和油浴的熱源,也常用于加熱燒杯、錐形瓶等平底容器,見圖3.3。

圖3.3 電熱板

電熱板的使用與維護:應放在有隔熱材料的工作臺面上;使用時應先接通電源再開啟開關;保持發熱鐵板的清潔。

馬弗爐 屬于高溫電爐,主要用于高溫灼燒或進行高溫反應,見圖3.4。

圖3.4 馬弗爐

加熱元件是電熱絲時,最高使用溫度可以達到950℃左右;如果用硅碳棒加熱,最高使用溫度可以達到1300℃左右。測量這樣高的溫度,通常使用熱電偶溫度計。 

使用高溫爐時應注意的事項

a.查看高溫爐所接電源電壓是否與電爐所需電壓相符。熱電偶是否與測量溫度相符,熱電偶正、負極是否接反。

b.調節溫度控制器的定溫調節按鈕使定溫指針指在所需溫度處。打開電源開關升溫,當溫度升至所需溫度時即能恒溫。

c.灼燒完畢,先關上電源,不要立即打開爐門,以免爐膛驟冷碎裂,一般當溫度降至200℃以下時方可打開爐門,用坩堝鉗取出樣品。

d.高溫爐應放在水泥臺上,不可放置在木質桌面上,以免引起火災。

e.爐膛內應保持清潔,爐周圍不要放置易燃物品,也不可放置精密儀器。

微波爐 家用微波爐也可以作為實驗室中的加熱熱源。微波加熱基本上屬于介電加熱效應,微波爐里轉換加熱模式的效率依賴于分子的性質。

由于玻璃、陶瓷和聚四氟乙烯等非極性材料可以透過微波,因此多作為微波加熱容器。金屬材料反射微波,其吸收的微波能為零,因此不能作為微波加熱容器。在實驗中,可以將加熱吸收微波能量弱的物質盛入一剛玉坩堝中,再把坩堝放入CuO浴或活性炭浴中,將其置于微波爐中。利用CuO或活性炭能強烈吸收微波,瞬時達到很高溫度的性質,來加熱吸收微波能量弱的物質。

目前,家用微波爐主要通過控制加熱時間和微波功率來調整反應條件。因此,微波加熱在化學反應和化學實驗中的運用還是一個活躍的研究領域。

(2)加熱方法

由于物質的性質不同,加熱物質的器具與方法也不同。加熱一般分為直接加熱和間接加熱。最簡單的方法是使用加熱器具直接加熱。

直接加熱 直接加熱是將被加熱物直接放在熱源中進行加熱,如在酒精燈/煤氣燈上加熱試管或在電爐上以及馬弗爐內加熱坩堝等。

a.液體的直接加熱 當被加熱的液體在較高的溫度下穩定而不分解,又無著火危險時,可以把盛有液體的器皿放在石棉網上用酒精燈或電爐直接加熱。

b.固體物質的灼燒 欲在高溫下加熱固體物質或灼燒沉淀時,可以把固體放在坩堝中,將坩堝斜放在泥三角上,半蓋蓋,用酒精噴燈加熱。加熱時應將燈焰(注意:應使用氧化焰!)直接噴在坩堝蓋上再反射到坩堝里面的反應物上直接加熱,見圖3.5(a)。不要讓還原焰接觸坩堝底部,以免坩堝底部結上炭黑,見圖3.5(b)。夾取坩堝時,必須用干凈的坩堝鉗夾取。取高溫坩堝需預熱坩堝鉗的尖端或待坩堝冷卻后再夾取。坩堝鉗用后應平放在桌上或石棉網上,尖端向上,保證坩堝鉗尖端潔凈[見圖3.25(b)]。坩堝耐高溫,但不宜驟冷。熱坩堝取下后,應放在石棉網上冷卻。

圖3.5 坩堝的加熱方法

(a)用氧化焰火焰加熱;(b)在坩堝底部灼燒

若需要更高的溫度灼燒,可以使用高溫爐(如馬弗爐)。用高溫爐可以準確地控制灼燒溫度與時間。但是使用時要注意根據溫度選用合適的反應容器。

直接加熱的最大缺點是容易造成受熱儀器受熱不均,有產生局部過熱的危險,且難以控制溫度。

間接加熱 有些物質的熱穩定性較差,過熱時容易發生氧化、分解或大量揮發逸散,這類物質不宜采用直接加熱法,可采用間接加熱法。

間接加熱是先用熱源將某些介質加熱,介質再將熱量傳遞給被加熱物,這種方法稱為“熱浴”。常見的熱浴方法有水浴、油浴、沙浴等。熱浴的優點是加熱均勻,升溫平穩,并能使被加熱物保持一定溫度。

a.水浴 水浴是借助被加熱的水或水蒸氣進行間接加熱的方法。凡需均勻受熱而又不超過100℃ 的加熱都可用水浴。

水浴加熱的專用儀器是水浴鍋(圖3.6),常用銅或鋁制成,鍋蓋是由一組由大到小的同心圓水浴環組成。根據受熱器皿底部受熱面積的大小選擇適當口徑的水浴環。水浴鍋中的盛水量不得超過其容積的2/3。

圖3.6 水浴鍋實物圖

在加熱過程中,由于水分不斷蒸發,因此可酌情向鍋內增添熱水,切勿將水蒸干。加熱溫度為90℃以下時,可把受熱器浸入水浴鍋的熱水中,但不得與鍋底接觸,以免受熱器受熱不均而炸裂;加熱溫度為100℃時,可把熱器放在水浴環上或懸掛于沸水中(切勿與鍋底接觸),利用沸水的蒸汽或沸水進行加熱。如果無水浴鍋,也可用燒杯代替。

b.沙浴 沙浴是借助被加熱的細沙進行間接加熱的方法。凡需均勻受熱且加熱溫度在100~400℃時均可用沙浴。沙浴裝置是一個鋪有一層均勻細沙(需先洗凈并煅燒除去有機雜質)的鐵盤。使用時,把要加熱的容器埋入沙中,對盤中的沙加熱(圖3.7)。沙中應插溫度計以便控制溫度,溫度計的水銀球要緊靠容器壁。

圖3.7 沙浴示意圖

因沙子的熱傳導能力差,沙浴溫度分布不均勻,故容器底部的沙要薄些,以使容器易受熱,而容器周圍的沙要厚些,以利于保溫。

c.油浴 用油代替水浴中的水,將加熱容器置于熱浴中,即為油浴。油浴所能達到的最高溫度取決于所用油的種類。甘油可加熱至220℃,溫度再高會分解。透明石蠟可加熱至200℃,溫度再高也不分解,但易燃燒,是實驗室中最常用的油浴油。硅油和真空泵油加熱至250℃仍較穩定。使用油浴時,應在油浴中放入溫度計觀測溫度,以便調整火焰,防止油溫過高。在油浴鍋內使用電熱卷加熱,要比明火加熱更為安全。再接入繼電器和接觸式溫度計,就可以實現自動控制油浴溫度。

注意:使用油浴時要加倍小心,發現嚴重冒煙時要立即停止加熱。還要注意不要讓水滴濺入油浴鍋。

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