有机化学实验的基本操作(可编辑)

有机化学实验的基本操作

有机化学实验的基本操作

2.1 加热与冷却方法

2.1.1 加热方法

在实验过程中,为了提高反应速度,经常要对反应体系加热。另外,在分离、提纯化合物以及测定化合物的一些物理常数时,也常常需要加热。

实验室常用的热源有煤气灯、酒精灯、电炉、电热套等。必须注意,玻璃仪器一般不能用火焰直接加热。因为剧烈的温度变化和加热不均匀会造成玻璃仪器的损坏。同时,由于局部过热,还可能引起有机化合物的部分分解。为了避免直接加热可能带来的弊端,实验室中常常根据具体情况应用以下不同的间接加热方式。

(1)石棉网加热

把石棉网放在三脚架或铁圈上,用煤气灯或酒精灯在下面加热,石棉网上的烧瓶与石棉网之间应留有空隙,以避免由于局部过热引起化合物分解。加热低沸点化合物或减压蒸馏时不能用这种加热方式。

(2)水浴

当所加热的温度在80℃以下时,可选用水浴加热。将容器浸入装有水的水浴中(注意:勿将容器触及水浴底部),小心加热保持所需的温度。对于像乙醚等低沸点易燃溶剂,不能用明火加热,应用预先加热好的水浴加热。若需要加热到100℃时,可用沸水浴或水蒸气浴。

(3)油浴

在100℃~250℃之间加热可选择油浴,在油浴中放一支温度计,可以通过控制热源来控制油浴温度。用明火加热油浴应当十分谨慎,避免发生油浴燃烧事故。

油浴所能达到的最高温度取决于所用油的种类。液体石蜡可加热到220℃,温度过高不易分解但容易燃烧。固体石蜡也可以加热到220℃,由于它在室温时是固体,所以加热完毕后,应先取出浸在油浴中的容器。甘油和邻苯二甲酸二丁酯适用于加热到140℃~150℃,温度过高则容易分解。植物油如菜油、蓖麻油和花生油,可以加热到220℃,常在植物油中加入1%的对苯二酚等抗氧剂,以增加它们在受热时的稳定性。硅油和真空泵油在250℃以上仍较稳定,是理想的浴油,但价格较高。

(4)砂浴

加热温度在几百度以上要使用砂浴。将清洁而又干燥的细砂平铺在铁盘中,盛有液体的容器埋人砂中,在铁盘下方加热。由于砂子对热的传导能力较差,散热快,所以容器底部的砂子要薄一些,容器周围的砂层要厚一些。尽管如此,砂浴的温度仍不易控制,所以使用较少。(5)空气浴

沸点在80℃以上的液体原则上均可采用空气浴加热。最简单的空气浴可用如下方法制作:取空的铁罐一只,罐口边缘剪光后,在罐的底层打数行小孔,另将圆形石棉片(直径略小于罐的直径)放入罐中,使其盖在小孔上,罐的周围用石棉布包裹。另取直径略大于罐口的石棉板一块(厚约 2~4mm),在其中挖一个洞 (洞的直径接近于蒸馏瓶或其他容器颈部的直径),然后对切为二,加热时用以盖住罐口。使用时将此空气浴放置在铁三角架上,用灯焰加热即可。注意蒸馏瓶或其他

容器在罐中切勿触及瓶底,其正确位置如图2.1所示。

图2.1 空气浴

(6)电热套

电热套是一种较好的热源,它是由玻璃纤维包裹着电热丝织成的碗状半圆形的加热器,有控温装置可调节温度。由于它不是明火加热,因此,可以加热和蒸馏易燃有机物,也可加热沸点较高的化合物,适应加热温度范围较广。电热套使用时大小要合适,否则会影响加热效果。

此外,还可以采用其他方法进行加热。如蒸馏低沸点溶剂时,可以用250W 的红外灯加热。将物质高温加热时,也可以使用熔融的盐。

2.1.2 冷却方法

在实验中有些反应的中间体在室温下是不稳定的,必须在低温下进行;有的为放热反应,常产生大量的热,使反应难以控制。有些化合物的分离、提纯要求在低温下进行。通常根据不同的要求,选用合适的冷却技术。

(1)自然冷却

热的液体可在空气中放置一定时间,任其自然冷却至室温。

(2)冷风冷却和流水冷却

当实验需要快速冷却时,可将盛有溶液的器皿放在冷水流中冲淋或用鼓风机吹风冷却。

(3)冷冻剂冷却

要使反应混合物的温度低于室温时,最常用的冷冻剂是冰或冰和水的混合物,由于后者能和器壁接触得更好,因此它的冷却效果要比单用冰好。若需要把反应混合物冷却到0℃以下时,可用冰盐溶液,如100g 碎冰和3OgNaCl混合物,温度

可降至-20℃。

液氨也是常用的冷却剂,温度可达-33℃。

将干冰 (固体二氧化碳)与适当的有机溶剂混合时,可得到更低的温度。与乙醇的混合物可达到-72℃,与乙醚、丙酮或氯仿的混合物可达到-78℃。液氮可冷至-188℃。

注:

必须指出,温度低于-38℃时,不能用水银温度计,应改用装有有机液体的低温温度计。

2.2 物质的干燥方法

除去固体、液体或气体中所含的少量水分和有机溶剂的操作过程叫干燥。许多化学实验必须在无水条件下进行,这就要求所用的原料、溶剂和仪器都要干燥,实验过程中还要防止空气中的水气进入反应器, 否则将影响产品的质量和产率。有机化合物在蒸馏前必须进行干燥,以防加热使某些化合物发生水解,或与水形成共沸混合物。测定化合物的物理常数,对化合物进行定性、定量分析,利用色谱、紫外光谱、红外光谱、核磁共振谱、质谱等方法对化合物进行结构分析和测定,都必须使化合物完全处于干燥状态,才能得到正确的结果。

2.2.1 基本原理

干燥方法分为物理方法和化学方法。

物理方法有自然晾干、烘干、真空干燥、分馏、共沸蒸馏及吸附等。此外,离子交换树脂和分子筛也常用于脱水干燥。离子交换树脂是一种不溶于水、酸、碱和有机物的高分子聚合物。分子筛是多种硅铝酸盐晶体。因为它们内部都有许多空隙或孔穴,可以吸附水分子。加热后,又可释放出水分子,故可反复使用。

化学方法是用干燥剂来进行脱水。干燥剂按其脱水作用可分为两类:第一类能与水可逆地生成水合物,如氯化钙、硫酸镁、硫酸钠等;第二类与水反应后生成新的化合物,如金属钠、五氧化二磷等。实验室应用较广的是第一类干燥剂。

2.2.2 液体的干燥

(1)利用分馏或共沸混合物去水

对于不与水生成共沸混合物的液体有机物,例如甲醇和水的混合物,由于沸点相差较大,用分馏即可完全分开。有时可以利用某些有机物与水形成共沸混合物的特性,向待干燥的有机物中加入另一有机物,利用此有机物与水形成最低共沸物的性质,在蒸馏时逐渐将水带出,从而达到干燥的目的。例如,工业上制备无水乙醇的方法之一就是将苯加入95%的乙醇中,利用乙醇、水和苯三者形成共沸混合物的特性经共沸蒸馏将水带出去。

(2)使用干燥剂脱水

①干燥剂的选择

干燥液体时,一般是将干燥剂直接投入其中。因此要求干燥剂不能与被干燥的液体发生化学反应,不能溶解于被干燥液体中。例如酸性物质不能用碱性干燥剂。有的干燥剂能与某些待干燥的物质形成络合物, 如氯化钙易与醇、胺及某些醛、酮形成络合物;氧化钙、氢氧化钠等强碱性干燥剂能催化某些醛、酮的缩合及氧化等反应,使酯类发生水解反应等,故不能用来干燥这些物质。

选择干燥剂时还要考虑干燥剂的吸水容量和干燥性能。吸水容量是指单位质量的干燥剂所吸收的水量。吸水容量越大,干燥剂吸收水分越多。例如硫酸钠最多能形成10个结晶水的水合物,其吸水容量为1.25;氯化钙最多能形成6个结晶水的水合物,其吸水容量为0.97,所以硫酸钠的吸水容量大。干燥效能是指达