制备与分析技术

第2章　化学实验基本技术

2.1　物质性质、制备与分析技术

2.1.1　试剂的取用和溶液的配制

1．试剂的取用

（1）固体试剂。

①取用试剂前要看清标签及规格，打开试剂瓶，瓶盖应倒置于干净处。

②要用洁净的药勺取用固体试剂。试剂取用后应立即盖好瓶盖并放回原处，标签向外。

③取用试剂时应从少量开始，不要多取，多余的试剂不可倒回原试剂瓶。

④固体颗粒太大时，应在洁净的研钵中研碎（研钵所盛试剂量不能超过容量的1／3）。

⑤向试管中（特别是湿试管中）加入固体试剂时，可将试剂放在对折的纸槽中，伸入试管的2／3处扶正滑下。块状固体应沿管壁慢慢滑下，如图2－1所示。

⑥一般固体试剂可以放在干净的纸或表面皿上称量。具有腐蚀性、强氧化性或易潮解的固体试剂不能在纸上称量。不准使用滤纸来盛放称量物。

⑦有毒药品要在教师指导下按规程使用。

图2-1　试管中加入固体试剂的操作

（2）液体试剂。

①用倾注法从细口瓶中取用液体试剂时，先将瓶塞取下，倒置于桌面（若倒置不稳，要用右手中指和无名指夹住瓶塞），右手心对着标签拿起试剂瓶。将试剂从试剂瓶中倒入烧杯时，用右手握瓶，左手拿玻璃棒，使棒的下端斜靠在烧杯中，将试剂瓶口靠在玻璃棒上，使液体沿棒流入杯中，如图2－2所示。如将试剂倒入试管，倾倒时，瓶口靠住容器壁，让液体缓缓流入；倒完后应将瓶口在容器上靠一下，再使瓶子竖直，这样可以避免遗留在瓶口的试剂沿瓶子外壁流下来。将液体从试剂瓶中倒入试管（见图2－3）时，最后应将瓶塞盖上（不要盖错！），放回原处，标签朝外。

图2-2　从细口瓶中取用液体试剂

图2-3　往试管中倒液体试剂

②从滴瓶中取出液体试剂时，要使用滴瓶中的专用滴管。先用拇指和食指将滴管提起并离开液面，赶出胶头内的空气，放入液体，放松手指，吸入液体后再提起滴管，即可取出试剂（注意避免用滴管在试剂中鼓泡）。用滴管向容器内滴加试剂时，禁止滴管与容器壁接触，不得将滴管伸入试管中，如图2－4所示。装有试剂的滴管任何时候均不得横置、倒置，以免液体流入胶头内而被污染。严禁使用其他滴管到公用试剂瓶中取药品。

③在试管里进行某些实验，试剂不需要准确量取时，应学会初步估计液体的量，譬如1mL约为多少滴，2mL液体约占所用试管的几分之几（试管内液体不允许超过其容积的1／3）等。

④若用量筒量取液体，应先选好与所取液体体积相匹配的量筒。量取液体时，应将视线与量筒内液体的弯月面最低处持平（无色或浅色溶液），视线偏高或偏低都会造成较大误差，如图2－5所示。

⑤若用自备滴管取用液体，必须选用洁净而干燥的滴管，以防污染或稀释原溶液。

图2-4　向试管中滴加液体试剂

图2-5　用量筒量取液体

2．溶液的配制

（1）一般溶液的配制方法。

第一步，计算。根据要求，计算出所需溶质和溶剂的量。

第二步，称量。根据要求，选用适当的仪器进行称取或量取试剂，将样品置于烧杯中。

第三步，溶液配制。先用适量水溶解，再稀释至所需的体积。

在配制溶液时应注意如下几个问题。

①配制溶液时应根据对纯度和浓度的要求选用不同等级的试剂，不要超规格使用试剂，以免造成浪费。

②由于试剂溶解时常伴有热效应，配制溶液的操作一定要在烧杯中进行，并用玻璃棒搅拌，但不能太猛，更不能触及烧杯。试剂溶解时若有放热现象，或以加热促使溶解的，应待冷却后，再转入试剂瓶中或定量转入容量瓶中。

③配制饱和溶液时，所用溶质的量应稍多于计算量，加热促使其溶解，待冷却至室温并析出固体后即可使用。

④配制易水解的盐溶液，如SbCl3、Na2S溶液，应预先加入相应的酸（HCl）或碱（NaOH）以抑制水解，然后稀释至一定体积。

⑤对于易氧化、易水解的盐，如SnCl2、FeSO4溶液，不仅要加相应的酸来抑制水解，配好后还要加入相应的纯金属（锡粒、铁钉等），以防止其因氧化而变质。

⑥有些易被氧化或还原的试剂，常在使用前临时配制或采取一定的措施，以防止其氧化或还原。

⑦易侵蚀或腐蚀玻璃的溶液，不能盛放在玻璃瓶内，如氟化物应保存在聚乙烯瓶中，装苛性碱的玻璃瓶应换成橡皮塞，最好也盛于聚乙烯瓶中。

⑧配制指示剂溶液时，需称取的指示剂量往往很少，这时可用分析天平称量，但只要读取两位有效数字即可。要根据指示剂的性质，采用合适的溶剂，必要时还要加入适当的稳定剂，并注意其保存期。配好的指示剂一般储存于棕色瓶中。

配好的溶液必须标明名称、浓度、日期，标签应贴在试剂瓶的中上部。

经常并大量使用的溶液，可先配制成使用浓度10倍的储备液，需要用时取储备液稀释10倍即可。

（2）标准溶液的配制和标定。

标准溶液通常有两种配制方法（直接法和间接法）。

①直接法。用分析天平准确称取一定量的基准试剂，溶于适量的水中，再定量转移到容量瓶中，用水稀释至刻度。根据称取试剂的质量和容量瓶的体积，计算它的准确浓度。基准物质是纯度很高、组成一定、性质稳定的试剂，它相当于或高于优级纯试剂的纯度。基准物质可用于直接配制标准溶液或用于标定溶液浓度。

作为基准试剂应具备下列条件。

a．试剂的组成与其化学式完全相符。

b．试剂的纯度应足够高（一般要求纯度在99．9%以上），而杂质的含量应少到不至于影响分析的准确度。

c．试剂在通常条件下应该稳定。

d．试剂参加反应时，应按反应式定量进行，没有副反应。

②间接法。实际上只有少数试剂符合基准试剂的要求。很多试剂不宜用直接法配制标准溶液，而要用间接方法，也称标定法。在这种情况下，先配成接近所需浓度的标准溶液，再选择合适的基准物质或已知浓度的标准溶液来标定它的准确浓度。

在实际工作中，特别是在工厂实验室中，还常采用标准试样来标定标准溶液的浓度。标准试样含量是已知的，它的组成与被测物质相近。这样标定标准溶液浓度与测定被测物质的条件相同，分析过程中的系统误差可以抵消，结果的准确度较高。

储存的标准溶液，由于水分蒸发，水珠凝于瓶壁，使用前应将溶液摇匀。如果溶液浓度有了改变，必须重新标定。对于不稳定的溶液应定期标定。

必须指出，在不同温度下配制的标准溶液，若从玻璃的膨胀系数考虑，即使温度相差30℃，造成的误差也不大。但是，水的膨胀系数约为玻璃的10倍，当使用温度与标定温度相差10℃以上时，则应注意这个问题。

2.1.2　加热与冷却方法

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，因此需进行适当的冷却，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（如溶解、蒸馏、回流、重结晶等）中也会用到加热或冷却。

1．加热方法

加热时可根据所用物料的不同和反应特性选择不同的热源和加热方法。

（1）加热装置。

①酒精灯。在没有煤气的实验室中，常使用酒精灯或酒精喷灯进行加热。酒精灯是用酒精作燃料的加热器，它由灯罩、灯芯和灯壶三部分组成，如图2－6所示。其火焰温度为400～500℃，用于温度不需太高的实验。

使用酒精灯时应注意下列三点。

图2-6　酒精灯

1—灯罩；2—灯芯；3—灯壶

a．酒精灯内需添加酒精时，应把火焰熄灭后，用漏斗把酒精加入灯内。灯内酒精不可装得太满，一般不应超过酒精灯容积的2／3，以免移动时倾洒出，或点燃时受热膨胀而溢出。

b．点燃酒精灯时要用火柴引燃，切不能用另一个燃着的酒精灯引燃，否则灯内酒精会洒出，引起燃烧而发生火灾。熄灭酒精灯时要用灯罩盖熄灭，切不能用嘴吹灭。

c．酒精灯连续使用的时间不能过长，避免火焰使酒精灯本身灼热后，灯内酒精大量汽化形成爆炸混合物。

②燃气灯。燃气灯是实验室中最常用的加热工具之一，可用于加热水溶液和高沸点物质，亦可用于灼烧及弯制玻璃管。当利用燃气灯加热烧瓶等器具时，必须垫有石棉网。使用燃气灯时，其火焰可随着空气量的增减而不同。通入适量空气时的火焰是由三部分组成的（见图2－7）：内焰——呈绿色圆锥状（最低温）；中焰——呈深蓝色（低温）；外焰——呈淡蓝色（高温），淡蓝色及深蓝色部分为高温区。

③电加热装置。实验室中常用的电加热装置主要有电炉、电加热套、马弗炉、集热式磁力搅拌器、微波炉等。

a．电炉。按功率大小有500W、800W、1000W等规格，使用时一般应在电炉丝上放一块石棉网，在它上面再放需要加热的容器，这样不仅可以增大加热面积，而且使加热更加均匀。温度的高低可以通过调节电阻来控制。

图2-7　火焰示意图

图2-8　集热式磁力搅拌器

b．电加热套。电加热套是由石棉玻璃纤维织成，其中镶入镍铬丝制成的加热器。其热效率高，加热温度通过调压变压器来控制，有适用于50mL～5L各种容积烧瓶的规格，使用方便。但应注意温度的控制，稍有疏忽，就会导致反应物温度过高，影响实验结果或引发事故。

c．马弗炉。炉膛为正方形，打开炉门就可放入要加热的坩埚或其他耐高温容器。在马弗炉内，不允许加热液体和其他易挥发的腐蚀性物质。如果需灰化滤纸或有机物成分，在加热过程中应打开几次炉门通空气进去。

d．集热式磁力搅拌器（见图2－8）。打开不锈钢容器盖，将盛杯放在不锈钢容器中间，往不锈钢容器中加入水、导热油或硅油至恰当高度，将搅拌子放入盛杯中。开启电源开关，指示灯亮，将调速电位器按顺时针方向旋转，调整转速由慢到快，直至调节到要求转速为止。合上加热开关，温度数字显示灯亮，此时显示数值为锅内实际温度。首先设定到所需要的温度，当锅内油（水）加温到设定温度时，仪器会自动进入恒温状态，红色指示灯亮表示加热停止，绿色指示灯亮表示加热开始。仪器在加热和恒温几次后会进入一个稳定的平衡状态。如工作中搅拌子出现跳子现象，需关闭电源后重新开启，速度由慢至快，调节使之恢复正常工作。

图2-9　微波炉

e．微波炉（见图2－9）。微波是指电磁波谱中位于远红外与无线电波之间的电磁辐射，微波对材料有很强的穿透力，能对被照射物质产生深层加热作用。对微波加热促进有机反应的机理，目前较为普遍的看法是极性有机分子接受微波辐射的能量后会发生每秒几十亿次的偶极振动，产生热效应，使分子间的相互碰撞及能量交换次数增加，因而使有机反应速率加快。另外，电磁场对反应分子间行为的直接作用而引起的所谓“非热效应”，也是促进有机反应的重要原因。与传统加热相比，其反应速率可快几倍至上千倍。

（2）加热操作。

①液体的直接加热。实验中被加热的液体在较高温度下稳定而不分解，而且没有着火的危险时，可以把盛有待加热的容器直接用煤气灯等进行加热。实验室常用的可直接用火加热的玻璃器皿，如烧杯、烧瓶、蒸发皿、试管等，能承受一定的温度，但不能骤冷骤热，因此在加热前必须将器皿外的水擦干，加热后也不能立即与潮湿的物体接触。

a．试管的加热。一般试管可用于液体或固体的直接火焰加热（见图2－10、图2－11），加热时应注意如下几点：一是应该用试管夹夹住试管的中上部；二是加热液体时，试管口应稍微向上倾斜，管口不要对着自己或旁人，以防液体喷出将人烫伤；三是应使液体各部分受热均匀，先加热液体的上中部，再慢慢往下移动，然后不时地摇动试管，以免由于局部过热、液体骤然喷出管外，或因受热不均使试管炸裂；四是加热固体时，试管口应稍微向下倾斜（见图2－11），以免凝结在试管口上的水珠回流到灼热的试管底部而使试管破裂。加热固体的试管可以用试管夹或用铁架台固定起来。

图2-10　试管中加热液体

图2-11　试管中加热固体

b．烧杯、烧瓶、蒸发皿的加热。用烧杯、烧瓶和蒸发皿等玻璃器皿加热液体时，器皿要放在石棉网上，否则会因受热不均而破裂。

②热浴间接加热。当被加热的物体需要受热均匀，而且受热温度又不能超过一定限度时，可根据具体情况，选择特定的热浴间接加热方法。

a．水浴（见图2－12）。当被加热的物体要求受热均匀且温度不超过100℃时，可用水浴加热，水浴锅有铜制和铝制的，带有一组同心圆环做盖，使用时将要加热的器具浸入水中就可在一定温度下加热。如要蒸发浓缩药品时，并不浸入水中，可将烧杯、蒸发皿等放在水浴盖上，通过接触水蒸气来加热，这就是水蒸气浴。注意不要把水浴锅烧干。多孔电热恒温水浴使用更为方便。

图2-12　水浴加热方法

b．油浴。油浴也是一种常用的加热器，所用油多为花生油、豆油、亚麻油、蓖麻油、菜子油、硅油等。一般加热温度为100～250℃。加热烧瓶时，必须将其浸入油中。植物油油浴的缺点是：温度升高时会有油烟冒出，达到燃点可以自燃，明火也可引起着火，油经使用后易于老化、变黏、变黑。为克服以上缺点，可使用硅油。硅油又称有机硅油，是由有机硅单体经水解缩聚而得的一类线型结构的油状物，一般是无色、无味、无毒、不易挥发的液体，但价格较贵。

c．沙浴。沙浴是一个盛有均匀细沙的铁盘，被加热器皿的下部埋置在细沙中。加热时加热铁盘。若要测量沙浴的温度，可把温度计插入沙中。沙浴的特点是升温比较缓慢，停止加热后，散热也比较缓慢。

另外，加热浴中还有金属浴、盐浴等。现将其列于表2－1中。

表2-1　加热浴一览表

续表

③固体物质的灼烧。将固体物质加热到高温以达到脱水、分解或除去挥发性杂质、烧去有机物等目的的操作称为灼烧。灼烧的方法是将固体放在坩埚中，直接用煤气灯加热，或置于高温电炉中按要求温度进行加热。例如，分解矿石（煅烧石灰石为氧化钙和二氧化碳）的反应，高岭土熔烧脱水使其结构疏松多孔，以进一步加工生产氧化铝，焙烧二氧化钛使其改变晶型和性质等，都是高温灼烧固体的实例。

2．冷却方法

①流水冷却。需冷却到室温的液体，可用此法。将被冷却物直接用流动的自来水冷却。

②冰或冰水冷却。将需冷却物直接放在冰水中，可冷却至0℃。

③冰－无机盐冷却。冷却温度在－40～0℃。制作冰盐冷却剂时要把盐研细后再与粉碎的冰混合，这样制冷的效果较好。冰与盐按不同的比例混合能得到不同的制冷温度。CaCl2·6H2O与碎冰按1∶1、1．25∶1、1．5∶1、5∶1的比例混合，分别达到的最低温度为－29℃、－40℃、－49℃、－54℃。

④干冰－有机溶剂冷却剂，可获得－70℃以下的低温。干冰与冰不一样，不能与被制冷容器的器壁有效接触，所以常与凝固点低的有机溶剂（作为热的传导体）一起使用，如丙酮、乙醇、正丁烷、异戊烷等。

⑤利用低沸点的液态气体，可获得更低的温度，如液态氮（一般放在铜制、不锈钢或铝合金的杜瓦瓶中）可达到－195．8℃，而液态氦可达到－268．9℃的低温。使用液态氧、氢时应特别注意安全操作。液态氧不要与有机物接触，防止燃烧事故发生；液态氢汽化放出的氢气必须谨慎地燃烧掉或排放到高空，避免爆炸事故；液态氨有强烈的刺激作用，应在通风橱中使用。

常用制冷剂及其最低制冷温度见表2－2。

表2-2　常见制冷剂及其最低制冷温度

使用液态气体时，为了防止低温冻伤事故发生，必须戴皮（或棉）手套和防护眼镜。一般低温冷浴也不要用手直接触摸制冷剂（可戴橡皮手套）。

应当注意，测量－38℃以下的低温时不能使用水银温度计（Hg的凝固点为－38．87℃），应使用低温酒精温度计等。

此外，使用低温冷浴时，为防止外界热量的传入，冷浴外壁应使用隔热材料包裹覆盖。

2.1.3　干燥技术

干燥主要是使样品失去水分子或失去其他溶剂的过程。在化学实验中，有许多反应要求在无水的条件下进行。如制备格氏试剂时，要求所用的卤代烃、乙醚绝对干燥；液体有机物在蒸馏前也要进行干燥，以防止水与有机物形成共沸物，或由于少量水与有机物在加热条件下可能发生反应而影响产品纯度；化合物在测定熔点及进行波谱分析前也要进行干燥，否则会影响测试结果的准确性。因此，干燥在化学实验中既非常普遍又十分重要。

1．干燥原理

干燥的方法可分为物理方法和化学方法。属于物理方法的有加热、真空干燥、冷冻、分馏、共沸蒸馏及吸附等。化学方法是利用干燥剂去水。干燥剂按其去水作用可分为两大类：第一类能与水可逆地生成水合物，如硫酸、氯化钙、硫酸钠、硫酸钙等；第二类是与水反应后生成新的化合物，如金属钠、五氧化二磷等。常用的干燥方法有加热干燥、低温干燥、化学结合除水、吸附去水干燥等四种。

（1）加热干燥。

加热干燥的原理是利用加热的方法将物质中的水分变成蒸汽蒸发出来。常用仪器有电炉、电热板、真空干燥箱等。它的优点在于能在较短的时间达到干燥目的，无机物质干燥一般用此法。

（2）低温干燥。

低温干燥一般指在常温或低于常温的情况下进行的干燥。常见的常温常压下在空气中晾干、吹干，减压（或真空）下干燥和冷冻干燥等均属低温干燥。低温干燥适用于易燃、易爆或受热变质的物质，此法比较缓和安全。但被干燥的物质在空气中必须稳定、不易分解和不吸潮。

（3）化学结合除水干燥。

化学结合除水干燥多用于有机物的除水，通常的做法是向盛有机物的试剂瓶中加入吸水的无机物，这些无机物通常和有机物是互不相溶的，使用时，取上层清液即可。

（4）吸附除水干燥。

吸附除水干燥多用于吸附气体和液体中含有的游离水，作为干燥剂的物质要易于和游离水作用或易于吸附水汽而又不与被干燥的物质作用。一般常用的干燥剂有氢氧化钠、氢氧化钾、金属钠、氧化钙、五氧化二磷、浓硫酸、硅胶、分子筛等。用这种方法干燥时，被干燥的物质往往有被污染的危险，应该注意。

2．气体的干燥

气体可用固体、液体干燥剂进行干燥。一般情况下使用洗气瓶、干燥塔、U形管或干燥管等仪器对气体进行净化和干燥。

干燥时，液体干燥剂（如浓硫酸等）装在洗气瓶中，固体干燥剂如无水氯化钙和硅胶装在干燥塔、U形管或干燥管中。常用的气体干燥剂如表2－3所示。

表2-3　常用气体干燥剂

3．液体化合物的干燥

（1）形成共沸物除水干燥。

利用某些化合物与水能形成共沸物的特性，在待干燥的化合物中加入能与水形成共沸物的物质，因共沸物的沸点通常低于待干燥物的沸点，所以蒸馏时可将水带出，从而达到干燥的目的。

（2）使用干燥剂干燥。

①干燥剂的选择。对液体化合物的干燥，一般把干燥剂直接放入被干燥物中，因此干燥剂的选择必须考虑：干燥剂与被干燥物不能发生化学反应；干燥剂不能溶解于被干燥物中；干燥剂的吸水量大、干燥速度快、价格低廉。常用干燥剂的性能与应用范围如表2－4所示。

在干燥含水量较多而又不易干燥的有机物时，常先用吸水量较大的干燥剂干燥，以除去大部分水，然后用干燥性强的干燥剂除去微量水分。各类有机物常用的干燥剂如表2－5所示。

表2-4　常用干燥剂的性能与应用范围

表2-5　各类有机物常用干燥剂

②干燥剂的用量。干燥剂的用量可根据干燥剂的吸水量和水在有机化合物中的溶解度来估计，一般用量都要比理论量高。同时也要考虑分子的结构，极性有机物和含亲水性基团的化合物干燥剂用量需稍多。干燥剂的用量要适当，用量少干燥不完全，用量过多，因干燥剂表面的吸附，将造成被干燥的物质损失。一般用量为10mL液体加0．5～1g干燥剂。

③操作方法。干燥前要尽量把有机物中的水分除去，加入干燥剂后，振荡片刻，静置观察，若发现干燥剂粘在瓶壁上，应补加干燥剂。有些有机物在干燥前呈混浊，若干燥后变澄清，就可认为水分已基本除去。干燥剂的颗粒大小要适当，颗粒太大，表面积小，吸水缓慢；颗粒过细，吸附被干燥物较多，且难分离。

4．固体物质的干燥

（1）晾干。固体物质在空气中自然晾干，这是最方便、经济的干燥方法，适于该方法干燥的物质在空气中必须是稳定、不易分解和不吸潮的。干燥时，把待干燥物质放在干燥、洁净的表面皿或滤纸上，将其薄薄地摊开，上面再用滤纸覆盖起来，放在空气中晾干。

（2）烘干。这种方法适于熔点高且遇热不易分解的固体。把待干燥的固体置于表面皿或蒸发皿中，放在水浴上烘干，也可以用红外灯或恒温箱烘干。实验室中常用的电热鼓风干燥箱的温度可控制在50～300℃，在此范围内可任意选定温度，通过箱内的自动控制系统使温度恒定。但必须注意，加热温度一定要低于固体物质的熔点。

（3）干燥器干燥。化合物的干燥有时也用真空干燥器。使用干燥器前首先将其擦干净，烘干多孔瓷板后，将干燥剂通过一纸筒装入干燥器后底部，应避免干燥剂沾污内壁的上部，然后盖上瓷板。

使用真空干燥器干燥时，干燥剂一般用变色硅胶。此外，还可用无水氯化钙等。由于各种干燥剂吸收水分的能力都有一定限度，因此干燥器中的空气并不是绝对干燥，而只是湿度相对降低而已，所以灼烧和干燥后的坩埚和沉淀如在干燥器中放置过久，可能会吸收少量水分而使质量增加，这点必须予以注意。

干燥器盛装干燥剂后，应在干燥器的磨口上涂上一层薄而均匀的凡士林油，盖上干燥器盖。开启干燥器时，左手按住下部，右手按住盖子上的圆顶，向左前方推开器盖，如图2－13所示。盖子取下后应拿在右手中，用左手放入（或取出）坩埚（或称量瓶），及时盖上干燥器盖。盖子取下后，也可放在桌上安全的地方（注意要磨口向上，圆顶朝下）。加盖时，也应当拿住盖上圆顶，推着盖好。

将坩埚或称量瓶等放入干燥器时，应放在瓷板圆孔内，但称量瓶若比圆孔小时则应放在瓷板上。若将坩埚等热的容器放入干燥器后，应连续推开干燥器1～2次。搬动或挪动干燥器时，应该用手的拇指同时按住盖，防止滑落打破，如图2－14所示。

图2-13　开启干燥器的操作

图2-14　搬动干燥器的操作

5．干燥的注意事项

（1）干燥低沸点有机化合物时，塞子宜塞紧；干燥有机溶剂时，不宜用橡皮塞子；用强碱性干燥剂干燥液体时，不宜用玻璃塞子。

（2）干燥低沸点易燃有机化合物时，应放在阴凉通风处，切忌放在热源和明火的附近或放在阳光下暴晒。特别是对光敏感的物质（也包括乙醚，因为它在光的作用下有生成过氧化物的倾向），应存放于棕色瓶中和避光处。

（3）在干燥过程中，如干燥剂与水发生化学反应放出气体，则应在塞子上配干燥管，以防止容器内压增大而使气体带着被干燥物冲出，也可防止空气中的湿气侵入。

（4）在高真空和高温下的干燥，切忌用腐蚀性强的干燥剂，如硫酸等。

（5）若用金属钠作干燥剂，切钠时不可直接用手取用。若用压钠机将钠压成细丝使用，用完后，必须先用乙醇彻底清洗压钠机，然后方可用水冲洗。切钠或压钠时切忌钠屑弄入眼中，最好戴上护目镜。多余的钠必须放回原瓶中，浸在煤油下。

（6）放进烘箱内干燥的固体物必须无腐蚀性和有较好的热稳定性，并且不应带有有机溶剂。使用时应注意温度控制在被干燥物的熔点以下。

2.1.4　容量仪器的使用

移液管、移液器、吸量管、滴定管、容量瓶、量筒、微量进样器等是分析化学实验中测量溶液体积的常用量器，正确掌握它们的使用方法是分析化学（尤其是容量分析法）实验的基本操作技术之一。在此，简要地介绍这些容量仪器的规格和使用方法。

1．量筒

量筒是化学实验室中最常使用的度量液体体积的仪器，它有各种不同的容量，可以根据不同的需要来选用。例如，需要量取8．0mL液体时，如使用100mL量筒量取，则至少有±1mL的误差。为了提高准确度，应换用10mL量筒，此时测量误差可降低到±0．1mL。读取量筒的刻度值时，一定要使视线与量筒内液面（半月形弯曲面）的最低点处于同一水平线上，否则会增加体积的测量误差。具体情况如图2－15所示。

图2-15　观看量筒内液体的体积

2．移液管和吸量管

移液管是用于准确量取一定体积溶液的量出式玻璃量器，它的中间有一膨大部分［见图2－16（a）］，管颈上部刻有一圈标线，在标明的温度下，使溶液的弯月面与移液管标线相切，让溶液按一定的方法自由流出，则流出的体积与管上标明的体积相同。

图2-16　移液管和吸量管

吸量管是具有分刻度的玻璃管，如图2－16（b）、（c）、（d）所示。它一般只用于量取小体积的溶液。常用的吸量管有1mL、2mL、5mL、10mL等规格，吸量管吸取溶液的准确度不如移液管。应该注意，有些吸量管其分刻度不是刻到管尖，而是离管尖尚差1～2cm，如图2－16（d）所示。

为了能正确使用移液管和吸量管，现分述下面几点。

（1）移液管和吸量管在使用前要充分洗涤（必要时，用铬酸洗液洗），使其内壁及下端的外壁均不挂水珠。用滤纸片将流液口内、外壁残留的水吸干。

（2）移取溶液前，可用吸水纸将洗干净的管的尖端内、外的水除去，然后用待吸溶液润洗三次。方法是：用左手持吸耳球，将食指或拇指放在吸耳球的上方，其余手指自然地握住吸耳球。用右手的拇指和中指拿住移液管或吸

量管标线以上的部分，无名指和小指辅助拿住移液管，将吸耳球对准移液管口，如图2－17所示。将管尖伸入溶液或洗液中吸取，待吸液吸至球部的四分之一处（注意，勿使溶液流回，以免稀释溶液）时，移出，荡洗、弃去。如此反复荡洗三次，润洗过的溶液应从尖口放出、弃去。荡洗这一步骤很重要，它能保证使管的内壁及有关部位与待吸溶液处于同一体系浓度状态。吸量管的润洗操作与此相同。

（3）管经润洗后，移取溶液时，将管直接插入待吸液液面1～2cm处。管尖不应伸入太浅，以免液面下降后造成吸空；也不应伸入太深，以免移液管外部附有过多的溶液。吸液时，应注意容器中液面和管尖的位置，应使管尖随液面下降而下降。当吸耳球慢慢放松时，管中的液面徐徐上升，当液面上升至标线以上时，迅速移去吸耳球。与此同时，用右手食指堵住管口，左手改拿盛待吸液的容器。然后，将移液管往上提起，使之离开液面，并将管的下端原伸入溶液的部分沿待吸液容器内部轻转两圈，以除去管壁上的溶液。然后使容器倾斜成约30°，其内壁与移液管尖紧贴，此时右手食指微微松动，使液面缓慢下降，直到视线平视时弯月面与标线相切，这时立即用食指按紧管口。移开待吸液容器，左手改拿接收溶液的容器，并将接收容器倾斜，使内壁紧贴移液管尖，成30°左右。然后放松右手食指，使溶液自然地顺壁流下，如图2－18所示。待液面下降到管尖后，等15s左右，移出移液管。这时，尚可见管尖部位仍留有少量溶液，对此，除特别注明“吹”（blow－out）字的以外，一般此管尖部位留存的溶液是不能吹入接收容器中的，因为在工厂生产检定移液管时是没有把这部分体积算进去的。但必须指出，由于一些管口尖部做得不很圆滑，因此可能会由于随靠接收容器内壁的管尖部位方位的不同而留存在管尖部位的体积有大小变化，为此，可在等15s后，将管身左右旋动一下，这样管尖部分每次留存的体积将会基本相同，不会导致平行测定时的过大误差。

图2-17　吸取溶液

图2-18　放出溶液

用吸量管吸取溶液时，大体操作与上述相同。但吸量管上常标有“吹”字，特别是1mL以下的吸量管尤其是如此，对此，要特别注意。同时，如图2－16（d）所示吸量管中，它的分度刻到管尖尚差1～2cm，放出溶液时也应注意。实验中，要尽量使用同一支吸量管，以免带来误差。

3．移液器

移液器为量出式仪器，分定量和可调两种。移液器主要用于仪器分析、化学分析和生化分析中进行取样和加液。它由定位部件、容量调节指示部件、活塞套和吸液嘴等组成（如图2－19、图2－20所示）。移液量由一个配合良好的活塞在活塞内移动的距离来确定，移液器的容量单位为μL，吸液嘴由聚丙烯等材料制成。

图2-19　移液器示意图

1—按钮；2—外壳；3—吸液杆；4—定位部件；
5—活塞套；6—活塞；7—计数器

图2-20　吸液嘴示意图

移液器的使用方法如下。

（1）吸液嘴用过氧乙酸或其他合适的洗液进行洗涤，然后依次用自来水、蒸馏水洗涤，干燥后即可使用。

（2）将可调移液器的容量调节到所需要的体积，再将吸液嘴紧套在移液器的下端，并轻轻旋动，以保证密闭。

（3）吸取和排放被取溶液2～3次，以润洗吸液嘴。

（4）垂直握住移液器，将按钮揿到第一停止点，并将吸液嘴侵入液面下3mm左右，然后缓慢放松按钮，待1～2s后再离开液面，擦去吸液嘴外面的溶液（但不要碰到流液口，以免带走器口内的溶液）。将流液口靠在所用容器的内壁上，缓慢地把按钮揿到第一停止点，等待1～2s，再将按钮完全揿下，然后使吸液嘴沿着容器内壁向上移开。

（5）用过的吸液嘴若想重复使用，则应随即清洗干净，晾干或烘干后存放在干净处。

4．容量瓶

容量瓶是一种细颈梨形的平底玻璃瓶，带有玻璃磨口、玻璃塞或塑料塞，可用橡皮筋或细绳（最好用漆包线）将塞子系在容量瓶的颈上。颈上有标度刻线，一般表示在20℃时液面达到标度刻线时充装液体的准确容积。容量瓶主要用于配制准确浓度的溶液或定量地稀释溶液，故常和分析天平、移液管配合使用，把配成溶液的某种物质分成若干等份或不同的质量。为了正确地使用容量瓶，应注意以下几点。

（1）容量瓶在使用前应检查：瓶塞是否漏水；标度刻线位置距离瓶口是否太近。如果漏水或标线离瓶口太近，不便混匀溶液，则不宜使用。

检查瓶塞是否漏水的方法如下：加自来水至标度刻线附近，盖好瓶塞后，左手用食指按住塞子，其余手指靠住瓶颈标线以上部分，右手用指尖托住瓶底边缘，如图2－21所示。将瓶倒立2min，如不漏水，将瓶直立，转动瓶塞180°后，再倒立2min检查，如不漏水，方可使用。

使用容量瓶时，不要将其玻璃磨口塞随便取下放在桌面上，以免沾污或搞错，可用橡皮筋或细绳将瓶塞系在瓶颈上，如图2－22所示。当使用平顶的塑料塞子时，操作时也可将塞子倒置在桌面上放置。

图2-21　检查漏水和混匀溶液操作

图2-22　转移溶液的操作

（2）溶液的配制。用容量瓶配制标准溶液或分析试液时，最常用的方法是将待溶固体称出，置于小烧杯中，加水或其他溶剂将固体溶解，然后将溶液定量转入容量瓶中。定量转移溶液时，右手拿玻璃棒，左手拿烧杯，使烧杯嘴紧靠玻璃棒，而玻璃棒则悬空伸入容量瓶口中，棒的下端应靠在瓶颈内壁上，使溶液沿玻璃棒和内壁流入容量瓶中，如图2－22所示。烧杯中溶液流完后，将玻璃棒和烧杯稍微向上提起，并使烧杯直立，再将玻璃棒放回烧杯中。然后，用洗瓶吹洗玻璃棒和烧杯内壁，再将溶液定量转入容量瓶中。如此吹洗、转移的定量转移溶液的操作，一般应重复五次以上，以保证定量转移。当加水至容量瓶的四分之三左右容积时，用右手食指和中指夹住瓶塞的扁头，将容量瓶拿起，沿同一方向摇动几周，使溶液初步混匀。继续加水至距离标度刻线约1cm处后，等1～2min，使附在瓶颈内壁的溶液流下后，再用细而长的滴管滴加水至弯月面下缘与刻度刻线相切（注意，勿使滴管接触溶液。也可用洗瓶加水至刻度）。无论溶液有无颜色，其加水位置均为使水至弯月面下缘与标度刻线相切为标准。当加水至容量瓶的标度刻线时，盖上干的瓶塞，用左手食指接住塞子，其余手指拿住瓶颈标线以上部分，而用右手的全部指尖托住瓶底边缘，如前面图2－21所示，然后将容量瓶倒转，使气泡上升到顶，使瓶振荡混匀溶液。再将瓶直立过来，又再将瓶倒转，使气泡上升到顶部，振荡溶液。如此反复十次左右。

（3）稀释溶液。用移液管移取一定体积的溶液于容量瓶中，加水至标度刻线。按前述方法混匀溶液。

（4）溶液保存。溶液不宜长期保存。配好的溶液需保存时，应转移至磨口试剂瓶中，不要将容量瓶当作试剂瓶使用。

（5）容量瓶的存放。容量瓶使用完毕后，应立即用清水冲洗干净。如长期不用，磨口处应洗净擦干，并用纸片将磨口隔开。

容量瓶不得在烘箱中烘烤，也不能在电炉等加热器上直接加热。如需使用干燥的容量瓶，可将容量瓶洗净后，用乙醇等有机溶剂荡洗后晾干或用电吹风的冷风吹干。

5．滴定管

滴定管是滴定时可准确测量滴定剂体积的玻璃量器。它的主要部分管身是用细长且内径均匀的玻璃管制成的，上面刻有均匀的分度线，线宽不超过0．3mm。下端的流液口为一尖嘴，中间通过玻璃旋塞或乳胶管（配以玻璃珠）连接以控制滴定速度。滴定管分为酸式滴定管［见图2－23（a）］、碱式滴定管［见图2－23（b）］、微型滴定管［见图2－23（c）］、自动定零位滴定管［见图2－23（d）］等。自动定零位滴定管是将储液瓶与具塞滴定管通过磨口塞连接在一起的滴定装置，加液方便，主要适用于常规分析中的经常性滴定操作。滴定管的总容量最小的为1mL，最大的为100mL，常用的是50mL、25mL和10mL的滴定管。

图2-23　滴定管

酸式滴定管用来装酸性、中性及氧化性溶液，但不适宜装碱性溶液，因为碱性溶液能腐蚀玻璃的磨口和活塞。碱式滴定管用来装碱性及无氧化性溶液，能与橡胶起反应的溶液如高锰酸钾、碘和硝酸银等溶液，都不能加入碱式滴定管中。为了减少废液排放，保护环境，减少贵重及有害试剂的用量，微型滴定管正逐步在实验教学中得到推广。

滴定管的使用方法如下。

（1）滴定管的准备。一般用自来水冲洗，零刻度线以上部位可用毛刷蘸洗涤剂刷洗，零刻度线以下部位如不洁净，可采用洗液洗（碱式滴定管应除去乳胶管，用橡胶乳头将滴定管下口堵住）。少量的污垢可装入约10mL洗液，双手平托滴定管的两端，不断转动滴定管，使洗液润洗滴定管内壁，操作时管口对准洗液瓶口，以防洗液外流。洗完后，将洗液分别由两端放出。如果滴定管太脏，可将洗液装满整根滴定管并浸泡一段时间。为防止洗液流出，在滴定管下方可放一烧杯。最后用自来水、蒸馏水洗净。洗净后的滴定管，内壁应被水均匀润湿而不挂水珠。如挂水珠，应重新洗涤。一支洗净的滴定管，要检查其旋塞是否漏水，旋塞转动是否灵活。若漏水，应鉴定旋塞和滴定管是否配套，若不配套，必须更换滴定管。

酸式滴定管（简称酸管），为了使其玻璃旋塞转动灵活，必须在塞子与塞座内壁涂少许凡士林。活塞涂凡士林的方法如下：取少许凡士林，先用手指将其摩擦至近溶，再涂于干燥活塞小孔的两边，如图2－24所示。

图2-24　活塞涂凡士林的操作

注意，涂凡士林时，勿将凡士林涂入旋塞孔中，同时用量要适当，因为涂得太多，可能使旋塞孔被堵住，涂得太少则达不到转动灵活和防止漏水的目的。涂凡士林后，将旋塞直接插入活塞套中。插时旋塞孔应与滴定管平行，此时旋塞不要转动，这样可以避免将凡士林挤到旋塞孔中。然后，向同一方向不断旋转活塞，直至旋塞全部呈透明状为止。旋转时，应有一定的向旋塞小头方向挤的力，以免来回移动旋塞，使塞孔受堵。最后将橡皮圈套在旋塞的小头部分沟槽上。（注意，不允许用橡皮筋绕！）涂凡士林后的滴定管，旋塞应转动灵活，呈均匀的透明状态。

若旋塞孔或出口尖嘴被凡士林堵塞，可将滴定管充满水后，将活塞打开，用吸耳球在滴定管上部挤压、鼓气，可以将凡士林排除。

碱式滴定管（简称碱管）使用前，应检查橡皮管（医用胶管）是否老化、变质，检查玻璃珠是否适当，玻璃珠过大，不便操作，过小，则会漏水。如不合要求，应及时更换。

（2）滴定操作。练习滴定操作时，应很好地领会和掌握下面几个步骤。

①操作溶液的装入。将溶液装入酸式滴定管或碱式滴定管之前，应将试剂瓶中的溶液摇匀，使凝结在瓶内壁上的水珠混入溶液，在天气比较炎热或室温变化较大时，此项操作更为必要。混匀后的操作溶液应直接倒入滴定管中，不得用其他容器（如烧杯、漏斗等）来转移。先用操作溶液润洗滴定管内壁三次，每次10～15mL。最后将操作溶液直接倒入滴定管，直至充满至零刻度以上为止。

②管嘴气泡的检查及排除。管内充满操作溶液后，应检查管的出口下部尖嘴部分是否充满溶液，是否留有气泡。为了排除碱式滴定管中的气泡，可将碱式滴定管垂直地夹在滴定管架上，左手拇指和食指捏住玻璃珠部位，使医用胶管向上弯曲翘起，并捏挤医用胶管，使溶液从管口喷出，即可排除气泡，如图2－25所示。酸式滴定管的气泡，一般容易看出，当有气泡时，右手拿滴定管上部无刻度处，并使滴定管倾斜30°，左手迅速打开活塞，使溶液冲出管口，反复数次，一般即可达到排除酸式滴定管出口处气泡的目的。由于目前酸式滴定管制作有时不合规格，因此，有时按上法仍无法排除酸式滴定管出口处的气泡。这时可在出口尖嘴上接上一根约10cm的医用胶管，然后，按碱式滴定管排气的方法进行。

图2-25　碱式滴定管排气泡的方法

图2-26　酸式滴定管的操作

③滴定姿势。站着滴定时要求站立好。有时为操作方便也可坐着滴定。

④酸式滴定管的操作。使用酸式滴定管时，左手握滴定管，其无名指和小指向

手心弯曲，轻轻地贴着出口部分，用其余三指控制活塞的转动，如图2－26所示。要注意转动旋塞时，应稍有一点向手心的回力，尤其不要向外用力，以免推出旋塞造成漏水，当然，也不要过分往里用太大的回力，以免造成旋塞转动困难。

⑤碱式滴定管的操作。使用碱式滴定管时，仍以左手握管，其拇指在前，食指在

后，其他三个手指辅助夹住出口管。用拇指和食指捏住玻璃珠所在部位，向右边挤医用胶管，使玻璃珠移至手心一侧，这样，溶液即可从玻璃珠旁边的空隙流出，如图2－27所示。必须指出，不要用力捏玻璃珠，也不要使玻璃珠上下移动，不要捏玻璃珠下部胶管，以免空气进入而形成气泡，影响读数。

⑥边滴边摇，两手要配合好。滴定操作可在锥形瓶或烧杯内进行。在锥形瓶中进行滴定时，用右手的拇指、食指和中指拿住锥形瓶，其余两指辅助在下侧。操作时，使瓶底高出滴定台面2～3cm；滴定管下端伸入瓶口内约1cm。左手握住滴定管，按前述方法，边滴加溶液，边用右手摇动锥形瓶，边滴边摇动。其两手操作姿势如图2－28所示。在烧杯中滴定时，将烧杯放在滴定台上，调节滴定管的高度，使其下端伸入烧杯内约1cm。滴定管下端应在烧杯中心的左后方处（若放在中央则影响搅拌，离杯壁太近又不利于搅拌均匀）。左手滴加溶液，右手持玻璃棒搅拌溶液，如图2－28所示。玻璃棒应圆周搅动，不要碰到烧杯壁和底部。当滴至接近终点只需滴加半滴溶液时，可用玻璃棒下端承接此悬挂的半滴溶液至烧杯中。但要注意，玻璃棒只能接触液滴，不能接触管尖，其余操作同前所述。

进行滴定操作时，应注意如下几点。

最好每次滴定都从0开始，或接近0的任一刻度开始，这样可以减少滴定误差。滴定时，左手不能离开活塞而放任溶液自流。

图2-27　碱式滴定管的操作

图2-28　滴定操作

摇瓶时，应微动腕关节，使溶液向同一方向旋转（左、右旋转均可），不能前后振动，以免溶液溅出。不要因摇动使瓶口碰在管口上，以免造成事故。摇瓶时，一定要使溶液旋转出现有一旋涡，因此，要求有一定速度，不能摇得太慢，以免影响化学反应的进行。

滴定时，要观察滴落点周围颜色的变化。不要只去看滴定管上的刻度变化，而不顾滴定反应的进行。

滴定速度的控制：一般开始时，滴定速度可稍快，呈“见滴成线”状，这时滴定速度为每秒3～4滴，即10mL·min－1左右。而不要滴成“水线”，这样，滴定速度太快。快到滴定终点时，要一边摇动，一边逐滴地滴入，甚至是半滴半滴地滴入。学生应该扎扎实实地练好加入半滴溶液的方法。用酸式滴定管时，可轻轻转动活塞，使溶液悬挂在出口管嘴上，形成半滴，用锥形瓶内壁将其沾落，再用洗瓶吹洗。对碱式滴定管，加半滴溶液时，应先松开拇指与食指，将悬挂的半滴溶液沾在锥形瓶内壁上，再放开无名指和小指，这样可避免出口管尖出现气泡。滴大半滴溶液时，也可采用倾斜锥形瓶的方法，将附于壁上的溶液荡入瓶中。这样可避免吹洗次数太多，造成被滴物过度稀释。

（3）滴定管的读数。滴定管读数前，应注意管出口嘴尖上有无挂着水珠。若在滴定后挂有水珠读数，这时是无法读准确的。读数应遵守下列原则。

①读数时应将滴定管从滴定管架上取下，用右手大拇指和食指捏住滴定管上部无刻度处，其他手指从旁辅助，使滴定管保持垂直，然后再读数。滴定管夹在滴定管架上读数的方法，一般不宜采用，因为它很难确保滴定管的竖直和准确读数。

②由于水的附着力和内聚力的作用，滴定管内的液面呈弯月形，无色和浅色溶液的弯月面比较清晰，读数时，应读弯月面下缘实线的最低点。为此，读数时，视线应与弯月面下缘实线的最低点相切，即视线应与弯月面下缘实线的最低点在同一水平面上，如图2－29所示。对于有色溶液（如KMnO4、I2等），其弯月面不够清晰，读数时，视线应与液面两侧的最高点相切，这样才较易读准。

图2-29　滴定管读数

③为便于读数准确，在管装满或放出溶液后，必须等1～2min，使附着在内壁的溶液流下来后，再读数。如果放出液的速度较慢（如接近计量点时就是如此），那么只需等0．5～1min后，即可读数。记住，每次读数前，都要看一下管壁有没有挂水珠，管的出口处有无悬液滴，管嘴有无气泡。

④读取的值必须读至小数点后第二位，即要求估计到0．01mL。正确掌握估计0．01mL读数的方法很重要。滴定管上小刻度之间为0．1mL，要估计其十分之一的值，对一个分析工作者来说是要进行严格训练的。为此，可以这样来估计：当液面在两小刻度的中间位置时，即为0．05mL；若液面在两小刻度的三分之一处，即为0．03mL或0．07mL；当液面在两小刻度的五分之一时，即为0．02mL或0．08mL等等。

⑤对于蓝带滴定管，读数方法与上述相同。当蓝带滴定管盛无色溶液后将有两个弯月面，如图2－29（c）所示，两弯月面相交于蓝带的某一点，此点即为蓝带滴定管的读数的正确位置，读数时视线应与该交点在同一水平线上。

2.1.5　重量分析技术

重量分析法是分析化学重要的经典分析方法。沉淀重量分析法是利用沉淀反应，使待测物质转变成一定的称量形式后测定物质含量的方法。

沉淀类型主要分成两类，一类是晶形沉淀，另一类是无定形沉淀。对晶形沉淀（如BaSO4）使用的重量分析法一般过程如下：

溶解→沉淀→陈化→过滤和洗涤→烘干→炭化→灰化→灼烧至恒重→结果计算

1．溶解

溶样方法主要分为两种，一是用水、酸溶解，二是高温熔融法。这一步要注意的是如何选择溶剂、温度及操作条件。溶样时应根据被测试样的性质，选用不同的溶（熔）解试剂，以确保待测组分完全溶解，且不使待测组分发生氧化还原反应造成损失，加入试剂应不影响测定。

溶解试样操作如下：称取已研细的样品倒入烧杯中，盖上表面皿。溶解时，取下表面皿，凸面向上放置，溶剂沿下端紧靠烧杯内壁的玻璃棒慢慢加入，溶剂的用量应以能使固体粉末完全溶解而又不致过量太多为宜（必要时应根据固体在操作温度下的溶解度及固体的量进行估算）。搅拌使溶解，搅拌液体时，应靠转动手腕，用微力使玻璃棒在容器中部的液体中均匀转动，使固体与溶剂充分接触而溶解。搅拌溶解后将表面皿盖在烧杯上。

必要时加热。在大多数情况下，加热可加速固体物质的溶解。应该注意的是，对于热分解温度小于100℃的物质，不能采用直接加热的方法而只能用水浴加热。

2．沉淀

重量分析时，被测组分的沉淀应是完全和纯净的。要达到此目的，对晶形沉淀的沉淀条件是：“稀、热、慢、搅、陈”五字原则，即：沉淀的溶液要适当稀；沉淀时应将溶液加热；沉淀剂的加入速度要慢；操作时应注意边沉淀边搅拌（为此，沉淀时，左手拿滴管逐滴加入沉淀剂，右手持玻璃棒不断搅拌）；沉淀完全后要放置一段时间陈化。

3．陈化

沉淀完全后，盖上表面皿，放置过夜或在水浴上保温1h左右。陈化的目的是使小晶体长成大晶体，不完整的晶体转变成完整的晶体。

4．过滤和洗涤

过滤和洗涤的目的，在于将沉淀从母液中分离出来，使其与过量的沉淀剂及其他杂质组分分开，并通过洗涤将沉淀转化成纯净的单组分。过滤是沉淀与溶液分离的过程，固－液分离方法一般有三种，即倾析法、过滤法和离心分离法。

图2-30　倾析法

（1）倾析法。

对于密度较大或颗粒较大，静置后能较快沉降者，常用倾析法进行分离。操作要点是待沉淀完全沉降后，将沉淀上清液小心地沿玻璃棒倾入另一容器中，使沉淀与溶液分离，如图2－30所示。倾析时残液要尽量倾出，留在杯底的固体还沾附着残液，要用纯溶剂洗涤除去。洗涤液用量不宜过多，最好用洗瓶来洗。洗时先洗玻璃棒，再洗烧杯壁，将上面黏附的固体冲下杯底，搅拌均匀后，再重复上述静置、倾析操作。洗涤一般要进行2～3次。

（2）过滤法。

过滤是使固－液分离的最常用方法。过滤时，固体留在过滤器上，溶液则通过过滤器进入接收器中，所得的溶液称为滤液。常用的过滤方法有常压过滤、减压过滤和热过滤三种。能将固体截留住而不让溶液通过的材料除了滤纸之外，还有其他一些纤维状物质以及特制的微孔玻璃等。下面仅介绍在常压过滤中最常用的滤纸过滤和微孔玻璃漏斗（砂芯漏斗）过滤。

化学实验室中常用的滤纸有定量和定性两种，它们按过滤速度和分离性能的不同分为快速、中速和慢速三种。在实验过程中，应根据沉淀的性质和数量以及实验特性合理选用。

图2-31　漏斗规格

重量分析法使用的定量滤纸称为无灰滤纸，每张滤纸的灰分质量约为0．08mg，可以忽略。如过滤BaSO4，可用慢速或中速滤纸。

过滤用的玻璃漏斗锥体角度应为60°，漏斗颈的直径不能太大，一般应为3～5mm，颈长15～20cm，颈口处磨成45°，如图2－31所示。漏斗的大小应与滤纸的大小相适应，应使折叠后滤纸的上缘低于漏斗上沿0．5～1cm，决不能超出漏斗边缘。

滤纸一般按四折法折叠，折叠时，应先将手洗干净，擦干，以免弄脏滤纸。滤纸的折叠方法是：先将滤纸整齐地对折，然后再对折，这时不要把两角对齐，如图2－32（a）所示，将其打开后成为顶角稍大于60°的圆锥体，如图2－32（b）所示。为保证滤纸和漏斗密合，第二次对折时不要折死，先把圆锥体打开，放入洁净而干燥的漏斗中，如果上边边缘不十分密合，可以稍稍改变滤纸折叠的角度，直到与漏斗密合为止。用手轻按滤纸，将第二次的折边折死，所得圆锥体的半边为三层，另半边为一层。然后取出滤纸，将三层厚的紧贴漏斗的外层撕下一角，如图2－32（a）所示，保存于干燥的表面皿上，备用。

图2-32　滤纸的折叠方法

图2-33　滤纸的安放和过滤

将折叠好的滤纸放入漏斗中，且三层的一边应放在漏斗出口短的一边，如图2－33所示。用食指按紧三层的一边，用洗瓶吹入少量水将滤纸润湿，然后轻轻按住滤纸边缘，使滤纸的锥体与漏斗间没有空隙（注意三层与一层之间处应与漏斗密合）。按好后，用洗瓶加水至滤纸边缘，这时漏斗颈内应全部被水充满，当漏斗中水全部流尽后，颈内水柱仍能保留且无气泡。

若不形成完整的水柱，可以用手堵住漏斗下口，稍掀起滤纸三层的一边，用洗瓶向滤纸与漏斗间的空隙里加水，直到漏斗颈和锥体的大部分被水充满。按紧滤纸边，放开堵住出口的手指，此时水柱即可形成。最后再用蒸馏水冲洗一次滤纸，然后将准备好的漏斗放在漏斗架上，下面放一洁净的烧杯承接滤液，使漏斗出口长的一边紧靠杯壁，漏斗和烧杯上均盖好表面皿，备用。

①用滤纸过滤。过滤一般分三个阶段进行：第一阶段采用倾析法，尽可能地过滤清液，如图2－33所示；第二阶段是洗涤沉淀并将沉淀转移到漏斗上；第三阶段是清洗烧杯和洗涤漏斗上的沉淀。

采用倾析法是为了避免沉淀堵塞滤纸上的空隙，影响过滤速度。待烧杯中沉淀下降以后，将清液倾入漏斗中。溶液应沿着玻璃棒流入漏斗中，而玻璃棒的下端对着滤纸三层厚的一边，并尽可能接近滤纸，但不能接触滤纸。倾入的溶液一般不要超过滤纸的三分之二，或离滤纸上边缘至少0．5cm，以免少量沉淀因毛细管作用越过滤纸上缘，造成损失，且不便洗涤。

图2-34　过滤时带沉淀和溶液的烧杯放置方法

暂停倾析溶液时，烧杯应沿玻璃棒使其嘴向上提起，致使烧杯向上，以免使烧杯嘴上的液滴流失。过滤过程中，带有沉淀和溶液的烧杯放置方法如图2－34所示，即在烧杯下放一块木头，使烧杯倾斜，以利沉淀和清液分开，便于转移清液。同时玻璃棒不要靠在烧杯嘴上，避免烧杯嘴上的沉淀沾在玻璃棒上部而损失。倾析法如一次不能将清液倾注完，应待烧杯中沉淀下沉后再次倾注。

倾析法将清液完全转移后，应对沉淀作初步洗涤。洗涤时，用洗瓶将每次约10mL洗涤液吹洗烧杯四周内壁使附着的沉淀集中在杯底部，每次的洗涤液同样用倾析法过滤。如此洗涤杯内沉淀3～4次。然后再加少量洗涤液于烧杯中，搅动沉淀使之混匀，立即将沉淀和洗涤液一起通过玻璃棒转移至漏斗上。再加入少量洗涤液于杯中，搅拌混匀后再转移至漏斗上。如此重复几次，使大部分沉淀转移至漏斗中，然后按图2－35（a）所示的吹洗方法将沉淀吹洗至漏斗中，即用左手把烧杯拿在漏斗上方，烧杯嘴向着漏斗，拇指在烧杯嘴下方，同时，右手将玻璃棒从烧杯中取出横在烧杯口上，使玻璃棒伸出烧杯嘴2～3cm。然后用左手食指按住玻璃棒的较高地方，倾斜烧杯使玻璃棒下端指向滤纸三层一边，用右手以洗瓶吹洗整个烧杯壁，使洗涤液和沉淀沿玻璃棒流入漏斗中。如果仍有少量沉淀牢牢地黏附在烧杯壁上面吹洗不下来，可将烧杯放在桌上，用沉淀帚［如图2－35（b）所示，它是一头带橡皮的玻璃棒］在烧杯内壁自上而下、自左至右擦拭，使沉淀集中在底部。再按图2－35（a）所示操作将沉淀吹洗入漏斗中。对牢固地黏在杯壁上的沉淀，也可用前面折叠滤纸时撕下的滤纸角擦拭玻璃棒和烧杯内壁，将此滤纸角放在漏斗的沉淀上。

经吹洗、擦拭后的烧杯内壁，应在明亮处仔细检查是否吹洗、擦拭干净，包括玻璃棒、表面皿、沉淀帚和烧杯内壁都要认真检查。必须指出，过滤开始后，应随时检查滤液是否透明，如不透明，说明有穿滤。这时必须换另一洁净烧杯承接滤液，在原漏斗上将穿滤的滤液进行第二次过滤。如发现滤纸穿孔，则应更换滤纸重新过滤。而第一次用过的滤纸应保留。

图2-35　吹洗沉淀的方法和沉淀帚

图2-36　沉淀的洗涤

沉淀全部转移到滤纸上后，应对它进行洗涤。其目的在于将沉淀表面所吸附的杂质和残留的母液除去。其方法如图2－36所示，即洗瓶的水流从滤纸的多重边缘开始，螺旋形地往下移动，最后到多重部分停止，称为“从缝到缝”，这样，可使沉淀洗得干净且可将沉淀集中到滤纸的底部。为了提高洗涤效率，应掌握洗涤方法的要领。洗涤沉淀时要少量多次，即每次螺旋形往下洗涤时，所用洗涤剂的量要少，便于尽快沥干，沥干后，再行洗涤，如此反复多次，直至沉淀洗净为止，通常称为“少量多次”原则。

图2-37　微孔玻璃滤器

②用微孔玻璃漏斗过滤。不需称量的沉淀或烘干后即可称量而热稳定性差的沉淀，均应在微孔玻璃漏斗中过滤，微孔玻璃漏斗如图2－37所示。这种滤器的滤板是用玻璃粉末在高温下熔结而成的，因此又常称为玻璃钢砂芯漏斗。此类滤器均不能过滤强碱性溶液，以免强碱腐蚀玻璃微孔。

新的微孔玻璃滤器使用前应以热的浓盐酸或铬酸洗液边抽滤边洗涤，再用蒸馏水洗净。使用后的砂芯玻璃滤器，针对不同的沉淀物应采用适当的洗涤剂洗涤。首先用洗涤剂、水反复抽洗或浸泡玻璃滤器，再用蒸馏水冲洗干净，在110°C下烘干，保存在无尘的柜或有盖的容器中备用。

（3）离心分离法。

离心分离是一种快速分离固体和溶液的方法，需借助离心机（见图2－38）来完成。常见的离心机有手摇离心机、电动离心机和高速冷冻离心机等。其中手摇离心机已不常用，高速冷冻离心机多用于生物样品的分离。下面仅简述电动离心机的使用方法和一些注意事项。

电动离心机工作时，应放在坚实、平整的台面上。离心分离时，将盛有沉淀的离心管放入离心机内的塑料套管中（注意：塑料套管底部必须预先放少许棉花或泡沫塑料，以免旋转时打破离心管），为使离心机保持平衡，防止高速旋转时引起震动而破坏离心机，离心管要对称放置，如果离心管的数目不合适，不能对称放置，可加上盛入相应质量水的离心管，以满足对称的需要。否则，离心机开动后将会跳动，损坏机件；准备离心时应先将盖头盖妥，把变速旋钮旋到“0”处，然后接通电源，待检查无误后，再慢慢启动离心机，逐挡加速，切记不可猛力启动离心机。关机时，要将离心速度慢慢减小，并任其自然停止转动，不能用手强制停止转动。所需的离心时间和转速，应视沉淀的性质而定。例如：结晶形的紧密沉淀，以1000～2000r·min－1的转速离心2～3min即可；无定形的疏松沉淀，则以3000～4000r·min－1的转速离心4～5min为宜。

离心后，沉淀沉入离心管的底部。用一干净的滴管将清液吸出，注意滴管深入溶液的深度和角度，尖端不应接触沉淀，如图2－39所示。

图2-38　常见的离心机

图2-39　溶液与沉淀分离

图2-40　沉淀的包裹

5．烘干、炭化、灰化和灼烧

（1）烘干。滤纸和沉淀的烘干通常在煤气灯上或电炉上进行。先用玻璃棒将滤纸边挑起，向中间折叠，将沉淀盖住，如图2－40所示。用玻璃棒轻轻转动滤纸包，以便擦净漏斗内壁可能沾有的沉淀。然后，将滤纸包转移至已恒重的坩埚中，将它倾斜放置，使多层滤纸部分朝上，以利烘烤。坩埚的外壁和盖先用蓝黑墨水或K4［Fe （CN）6］溶液编号。烘干时，盖上坩埚盖，但不要盖严，如图2－41（a）所示。

图2-41　坩埚的放置和沉淀及滤纸在坩埚中烘干、炭化、灰化的火焰位置

（2）炭化。炭化是将烘干后的滤纸烤成炭黑状。

（3）灰化。灰化是使呈炭黑状的滤纸灼烧成灰。炭化和灰化时火焰的位置如图2－41（b）所示。烘干、炭化、灰化，应由弱火到强火，一步一步完成，不能性急，不要使火焰加得太大。炭化时如遇滤纸着火，可立即用坩埚盖盖住，使坩埚内的火焰熄灭（切不可用嘴吹灭）。着火时，不能置之不理，让其燃尽，这样沉淀易随大气流飞散损失。待火熄灭后，将坩埚盖移至原来位置，继续加热至全部炭化（滤纸变黑）直至灰化。

（4）灼烧至恒重。沉淀和滤纸灰化后，将坩埚移入高温炉中（根据沉淀性质调节适当温度），盖上坩埚盖，但留有空隙。与灼烧空坩埚时相同温度下，灼烧40～45min，与空坩埚灼烧操作相同，取出，冷至室温，称重。然后进行第二次、第三次灼烧，直至坩埚和沉淀恒重为止。一般第二次以后灼烧20min即可。所谓恒重，是指相邻两次灼烧后的称量差值不大于0．4mg。

从高温炉中取出坩埚时，将坩埚移至炉口，至红热稍退后，再将坩埚从炉中取出放在洁净瓷板上，在夹取坩埚时，坩埚钳应预热。待坩埚冷至红热退去后，再将坩埚转至干燥器中。放入干燥器后，盖好盖子，随后须启动干燥器盖1～2次。在干燥器内冷却时，原则是冷至室温，一般需30min左右。但要注意，每次灼烧、称重和放置的时间都要保持一致。

使用干燥器时，首先将干燥器擦干净，烘干多孔瓷板后，将干燥剂通过一纸筒装入干燥器的底部，应避免干燥剂沾污内壁的上部，然后盖上瓷板。

关于空坩埚的恒重方法和灼烧温度，均与灼烧沉淀时相同。坩埚与沉淀的恒重质量与空坩埚的恒重质量之差，即为沉淀的质量。现在，生产单位常用一次灼烧法，即先称恒重后带沉淀的坩埚的质量（称为总质量），然后，用毛笔刷去沉淀，再称出空坩埚的质量，用减量法即可求出沉淀的质量。

2.1.6　基本称量仪器的使用方法

天平是进行化学实验不可缺少的称量仪器。天平种类很多，实验中根据不同的称量要求，需要使用不同类型的天平。以下介绍实验室常用的托盘天平及电子天平的结构与称量方法。

图2-42　托盘天平

1—横梁；2—托盘；3—指针；4—刻度盘；
5—游码标尺；6—游码；7—平衡调节螺丝

图2-43　电子天平

1—秤盘；2—屏蔽环；3—地脚螺栓；4—水平仪；5—功能键；6—CF清除键；
7—除皮键；8—打印键（数据输出）；9—调校键；10—开关键；11—显示器；
12—CMC标签；13—具有CE标记的型号牌；14—防盗装置；
15—菜单－去联锁开关；16—电源接口；17—数据接口；18—秤盘支架

1．托盘天平

托盘天平又称架盘药物天平，俗称台秤，是根据杠杆原理制造的，一般能称准到0．1g，其构造如图2－42所示。在称量前，首先将游码拨至左边“零”位，检查托盘天平的指针是否停留在刻度盘的中间位置。否则，需调节托盘下面的螺丝，使指针正好停在刻度盘的中间位置上，称为零点。称量时，左盘放称量物，右盘放砝码。10g以上的砝码放在砝码盒内，10g以下的砝码通过移动游码标尺（常简称游标）上的游码来添加。当砝码添加到托盘天平两边平衡时，指针停在刻度盘的中间位置，称为停点。停点与零点之间允许偏差在1小格之内。这时砝码和游码所示质量之和就是称量物的质量。

使用托盘天平时应注意以下几点。

（1）不能称量热的物体。

（2）称量物不能直接放在托盘上。根据不同情况要放在纸上、表面皿上或其他容器内。易吸潮或具有腐蚀性的药品必须放在玻璃容器内。

（3）称量完毕，砝码要放回原处，使托盘天平各部分恢复原状。

（4）保持整洁，托盘上有药品或其他污物时要立即清除。

2．电子天平

电子天平是最新一代的分析天平，根据电磁力平衡原理直接称量，全量程不需砝码，放上被称物后，在几秒钟内即达到平衡，显示读数，称量速度快，精度高。它的支承点用弹性簧片取代机械天平的玛瑙刀口，用差动变压器取代升降枢装置，用数字显示代替指针刻度式。因而，具有使用寿命长、性能稳定、操作简便和灵敏度高的特点。此外，电子天平还具有自动校正、自动去皮、超载指示、故障报警等功能以及具有质量电信号输出功能，且可与打印机、计算机联用，进一步扩展其功能，如统计称量的最大值、最小值、平均值及标准偏差等。由于电子天平具有机械天平无法比拟的优点，已经广泛地应用于各个领域，目前电子天平已基本取代了各类机械天平。电子天平按结构可分为上皿式电子天平和下皿式电子天平。秤盘在支架上面的为上皿式，秤盘吊挂在支架下面的为下皿式。目前，广泛使用的是上皿式电子天平（见图2－43）。

电子天平的一般操作程序是：调整天平→接通电源（预热1h）→校准→称量→记录数据。

（1）水平调节。观察水平仪，如水平仪水泡偏移，需调整水平调节脚，使水泡位于水平仪中心。

（2）预热。接通电源，轻按一下“ON”键，显示器全亮，然后显示天平的型号，再是称量模式，表示接通电源，即开始预热，预热通常需1h。

（3）校准。轻按“CAL”键，进入校准状态，用标准砝码进行校准。

（4）称量。取下标准砝码，零点显示稳定后即可进行称量。置被称物于秤盘上，待数字稳定即显示器左下角的“0”标志熄灭后，该数字即为被称物的质量值。按“TAR”键清零去皮，显示恢复为零后，再缓缓加样品至显示出所需要样品的质量时，停止加样，稳定后记录样品的质量。

称量结束后，按“OFF”键关闭显示器。若当天不再使用天平，应拔下电源插头。

使用分析天平时应遵守分析天平的使用规则，其规则如下。

（1）称量前检查天平是否处于水平位置，框罩内、外是否清洁等。

（2）天平的上门不得随意打开；开关天平动作要轻、缓。

（3）称量物体的温度必须与室温相同，有腐蚀性的物质或吸湿性物质必须放在密闭的容器内称量。

（4）不得超载称量；读数时必须关好侧门。

（5）称量完毕后，应切断天平电源及清洁框罩内、外，盖上天平罩，并在天平使用登记簿上进行登记等。

3．称量方法

用分析天平称取试样，一般采取两次称量法，即试样的质量是由两次称量之差得出的。如果分析天平能称准至0．0001g，两次称量最大可能误差为0．0002g，若称量物的质量大于0．2g，则称量的相对误差小于0．1%。因为两次称量中都可能包含着相同的天平误差（如零点误差）和砝码误差（尽量使用相同的砝码），当两次称量值相减时，误差可以大部分抵消，使称量结果准确可靠。常用的称量法包括直接称量法和两次称量法，其中两次称量法有固定质量称量法和差减称量法。

1）直接称量法

天平零点调定后，将被称物直接放在秤盘上，所得读数即被称物的质量。这种称量方法适用于称量洁净干燥的器皿、棒状或块状的金属及其他整块的不易潮解或升华的固体样品。注意不得用手直接取放被称物，可采用戴汗布手套、垫纸条、用镊子或钳子等适宜的办法。

2）两次称量法

（1）固定质量称量法（增量法）。

此法适用于称量在空气中没有吸湿性的试样，如金属、矿石、合金等。先称出器皿（或硫酸纸）的质量，然后加入固定质量的砝码，用牛角匙将试样慢慢加入器皿（或硫酸纸）中，使平衡点与称量空器皿时的平衡点一致。当所加试样与指定的质量相差不到10mg时，极其小心地将盛有试样的牛角匙伸向器皿中心上方2～3cm处，匙的另一端顶在掌心上，用拇指、中指及掌心拿稳牛角匙，并以食指轻弹匙柄，将试样慢慢地抖入器皿中（见图2－44），待数字显示正好到所需要的质量时停止。此步操作必须十分仔细，若不慎多加了试样，只能用牛角匙取出多余的试样，注意多出的试样不能返回试剂瓶或称量瓶。再重复上述操作直到合乎要求为止。

图2-44　试样敲击的方法

图2-45　称量瓶拿法和倾出试样的操作

（2）差减称量法（减量法）。

此法不必固定某一质量，只需确定称量范围，常用于称量易吸水、易氧化或易与二氧化碳起反应的物质。称取试样时，先将盛有样品的称量瓶置于天平秤盘上准确称量，记录数据。然后，用左手以纸条（防止手上的油污黏到称量瓶壁上）套住称量瓶，如图2－45（a）所示，将它从天平秤盘上取出，举在要放试样的容器（烧杯或锥形瓶）上方，右手用小纸片夹住瓶盖柄，打开瓶盖，将称量瓶一边慢慢地向下倾斜，一边用瓶盖轻轻敲击瓶口，使试样落入容器内，注意不要撒在容器外，如图2－45所示。当倾出的试样接近所要称的质量时，将称量瓶慢慢竖起，再用称量瓶盖轻轻敲一下瓶口侧面，使黏附在瓶口上的试样落入瓶内，再盖好瓶盖。然后将称量瓶放回天平秤盘上称量，两次称得质量之差即为试样的质量。按上述方法可连续称取几份试样。

使用电子天平的除皮功能，使减量法称量更加快捷。将称量瓶放在电子天平的秤盘上，显示稳定后，按一下“TAR”键使显示为零，然后取出称量瓶，向容器中倒出一定量样品，再将称量瓶放在天平上称量，如果所示质量达到要求，即可记录称量结果。如果需要连续称量第二份试样，则再按一下“TAR”键使显示为零，重复上述操作即可。

3）液体样品的称量

液体样品的准确称量比较麻烦。根据样品的性质不同，有多种称量方法，主要的称量方法有以下三种。

（1）性质较稳定、不易挥发的样品可装在干燥的小滴瓶中用减量法称取，应预先粗测每滴样品的大致质量。

（2）较易挥发的样品可用增量法称量，例如，称取浓HCl试样时，可先在100mL具塞锥形瓶中加20mL水，准确称量后，加入适量的试样，立即盖上瓶塞，再进行准确称量，然后即可进行测定（如用NaOH标准溶液滴定HCl）。

（3）易挥发或与水作用强烈的样品可采取特殊的方法进行称量，例如，冰乙酸样品可用小称量瓶准确称量，然后连瓶一起放入已盛有适量水的具塞锥形瓶，摇开称量瓶盖，样品与水混匀后进行测定。发烟硫酸及浓硝酸样品一般采用直径约10mm带毛细管的安瓿球称量。已准确称量的安瓿球经火焰微热后，毛细管尖插入样品，球泡冷却后可吸入1～2mL样品，然后用火焰封住管尖再准确称量。将安瓿球放入盛有适量水的具塞锥形瓶中，摇碎安瓿球，样品与水混合并冷却后即可进行测定。

2.1.7　有机合成的特殊技术

物质的合成可分为有机物的合成和无机物的合成两大类。有机物和无机物的合成，不仅使新材料不断涌现，而且使生命科学的研究进入了新的天地，因为化学家们可按照自己的意愿和需要合成自然界有的或没有的物质，使世界变得丰富多彩。1965年，我国的化学家合成了结晶牛胰岛素，为生命的合成奠定了理论基础。当代的有机合成艺术大师Woodward在27岁时就完成了喹宁的全合成，其后又合成了利血平、胆甾醇、马钱子碱、羊毛甾醇、四环素、叶绿素等。1985年，美国的Richard Smalley等人用激光轰击石墨并向真空膨胀制备出了32面体的“足球丸”C60，当时，这种新材料的售价是黄金的100倍。科学技术发展到今天，不仅克隆技术方兴未艾，而且现在化学家们既可使铅笔“芯”变成“金棒”，也可在果蝇的翅膀上长出眼睛。由此说明，物质的合成技术不仅是理论的升华，而且也是技术的综合升华。

1．无水无氧操作

在有机制备实验中，经常遇到对水、氧敏感的试剂，如硼氢化物、有机铬化合物、有机锂化合物、格氏试剂等。在这些实验中，反应装置及溶剂需绝对干燥，试剂处理及反应体系均需处于惰性气体中。

对空气、水敏感的试剂常常装在特殊的瓶内，密封系统如图2－46所示。

揭开胶木（或塑料）盖子（盖子内有聚四氟乙烯弹性衬垫），用一支注射器插进金属齿盖的圆孔中，就能将液体试剂不接触空气和潮气而直接转移到反应瓶中，垫圈上的小针孔会自行密封，瓶内试剂与空气、潮气完全隔绝，因而能使试剂长期安全保存。在制备实验中得到对水、氧气敏感的中间体需保存时可参照上述操作。

实验的玻璃器皿的壁上往往吸附有一层潮气，它们需要在烘箱中125℃过夜或者140℃加热4h干燥，趁玻璃器皿热的时候装配好，并且充入干燥的惰性气体备用。另一种方法是待玻璃器皿冷却后装配仪器，然后边充入干燥的氮气（或者氩气）边用电吹风或者煤气灯火焰加热，使体系干燥，装置如图2－47所示。

图2-46　密封系统

1—胶木盖；2—聚四氟乙烯弹性衬垫；
3—金属齿盖；4—反应瓶

图2-47　反应装置在惰性气流中干燥

1—汞封；2—橡皮隔膜；3—热源

用聚四氟乙烯管或一般塑料管将惰性气体线路连接到反应装置的接管上，在反应装置的另一端，用塑料管和针头将惰性气体引入鼓泡器。装有矿物油的鼓泡器能使大于大气压力的惰性气体流出鼓泡而排至反应装置外，而大气中的氧气或水汽由于矿物油的密封作用无法进入反应装置内部，一边不断使惰性气体流经反应体系，一边不断用电吹风或煤气灯加热玻璃容器，就可以达到干燥玻璃装置内部的目的，氮气压力可能冲开不牢固的标准锥形接头的密封，所以在充入气流时，需要用弹簧夹子或橡皮圈扣牢接头。

玻璃仪器的开口可用橡皮隔膜使反应器内部不与空气接触，也便于用注射器转移试剂。小的橡皮隔膜在刺穿以后可以确保安全和再密封，并可使较小面积的橡皮与反应器中的有机蒸气接触。（注意：橡皮隔膜上往往吸附有潮气，在使用前也需预先干燥。）与有机蒸气接触的橡皮隔膜只有在一定针刺次数之内才可确保系统的完全密封，而这还取决于针头大小，将针头插进原来的小孔，可以延长隔膜的寿命。转移少量的对水和空气敏感的试剂和干燥溶剂可以用一支带有针头的注射器，针尽可能长些，使用长针可以不必将试剂瓶倾斜，倾斜往往会引起液体与隔膜接触，使橡皮隔膜膨胀和损坏。

注射器和针在使用前必须充分干燥，在烘箱内充分干燥时，注意不要将注射器和注射器塞装配在一起。注射器在冷却过程中应该有惰性气体充入，用干燥的氮气流冲洗10次以上，以除去空气和吸附在玻璃上的水汽，干燥后的注射器针尖插入橡皮塞后，便可放在空气中。

用注射器转移试剂是很容易完成的，即先将干燥的高纯惰性气体用注射器压入密封的试剂瓶，再利用气体压力缓慢地将试剂压入注射器，操作见图2－48。

转移量较多的溶剂或液体试剂时，使用双尖不锈钢空心细管比较方便，图2－49表明了在氮气压力下利用这个技术转移液体试剂的情况，首先，用氮气冲洗双尖不锈钢管（空气），然后用双尖不锈钢管将氮气压入装有试剂的密封瓶内。再将双尖针的一端通过试剂瓶上的隔膜插入试剂上面的空间，氮气立即通过针头。最后，将双尖针的底端通过反应装置上的隔膜插入反应器内，试剂瓶内的针头末端再推入液体中。当所需的容量已转移后，立即把针拉回到液面上的空间，用氮气稍稍洗后移去，针头先从反应器上移去，然后再从试剂瓶上移去。

图2-48　用注射器转移试剂

图2-49　用双尖不锈钢管转移试剂

所有使用完的注射器，针头应当立即冲洗干净，一般一支注射器只能转移一次，否则由于试剂水解和氧化，会使针头堵塞或污染。双尖不锈钢管用完后可用水及其他有效溶剂冲洗。

2．无水操作

在有机反应中，水往往影响反应的正常进行。在一些反应过程中水会使试剂或产物分解，如格氏试剂遇水即分解，反应中使用金属钠，遇水即会由于产生氢气而导致燃烧或爆炸。另外，水的存在还会影响反应速率或产率以及某些产物的分离与提纯。因此，许多有机反应要求原料需经过除水干燥；所使用的容器事先应进行干燥，在反应过程中仪器设备系统进口或终端均要与干燥器连通；在操作中不得让水及其蒸汽混入系统。常用无水溶剂的制备方法如下。

（1）无水乙醇。

①用金属镁制取。在250mL圆底烧瓶中，放置0．6g干燥纯净的镁条、10mL 99．5%乙醇，装上回流冷凝管，并在冷凝管上端附加一支无水氯化钙干燥管。在沸水浴上或用火直接加热使其微沸，移去热源，立刻加入几粒碘片（此时注意不要振荡），顷刻即在碘粒附近发生作用，最后可以达到相当剧烈的程度。有时作用太慢则需加热，如果在加碘之后，作用仍不开始，则可再加入数粒碘（一般来讲，乙醇与镁的作用是缓慢的，如所用乙醇含水量超过0．5%，则作用尤其困难）。待全部镁作用完毕后，加入100mL 99．5%乙醇和几粒沸石。回流1h，蒸馏，产物收集于有橡皮塞或磨口塞的玻璃瓶中。

②用金属钠制取。装置和操作同①，在250mL圆底烧瓶中，放置2g金属钠和100mL纯度至少为99%的乙醇，加入几粒沸石。加热回流30min后，加入4g邻苯二甲酸二乙酯（利用它和氢氧化钠的反应），再回流10min。取下冷凝管，改成蒸馏装置，按收集无水乙醇的要求进行蒸馏。产物收集于带有磨口塞或橡皮塞的容器中。

（2）无水甲醇。

市售的甲醇，含水量不超过0．5%～1%。由于甲醇和水不能形成共沸物，为此可借高效的精馏柱将少量水除去。精制的甲醇含有0．02%的丙酮和0．1%的水，一般已可应用。如要制得无水甲醇，可用加镁的方法（见无水乙醇）。若含水量低于0．1%，亦可用3A或4A型分子筛干燥。甲醇有毒，处理时应避免吸入其蒸气。

（3）无水乙醚。

普通乙醚中常含有一定量的水、乙醇及少量过氧化物等杂质，对于要求以无水乙醚作溶剂的反应（如格氏试剂的反应），不仅会影响反应的进行，而且易发生危险。试剂级的无水乙醚，往往也不合要求，且价格较贵，因此在实验中常需自行制备。制备无水乙醚时首先要检查有无过氧化物。为此，取少量乙醚与等体积的2%碘化钾溶液，加入几滴稀盐酸一起振摇，若能使淀粉溶液呈紫色或蓝色，即证明有过氧化物存在。除去过氧化物的方法：在分液漏斗中加入普通乙醚和相当于乙醚体积1／5的新配制的硫酸亚铁溶液，剧烈摇动后分去水溶液。除去过氧化物后，按照下述操作进行精制。

在250mL圆底烧瓶中，加入100mL除去过氧化物的普通乙醚和几粒沸石，装上冷凝管。冷凝管上端通过一带有侧槽的橡皮塞，插入盛有10mL浓硫酸的滴液漏斗。通入冷却水，将浓硫酸慢慢滴入乙醚中，由于脱水作用所产生的热，乙醚会自行沸腾。加完后摇动反应物，待乙醚停止沸腾后，拆下冷凝管，改成蒸馏装置。在收集乙醚的接收瓶支管上连一支氯化钙干燥管，并用与干燥管连接的橡皮管把乙醚蒸气导入水槽。加入沸石后，用事先准备好的水浴加热蒸馏。蒸馏速度不宜太快，以免乙醚蒸气冷凝不下来而逸散到室内。当收集到约70mL乙醚，且蒸馏速度显著下降时，即可停止蒸馏。瓶内所剩残液倒入指定的回收瓶中，切不可将水加入残液中。将蒸馏收集的乙醚倒入干燥的锥形瓶中，加入1g钠屑或1g钠丝，然后用带有氯化钙干燥管的软木塞塞住，或在木塞中插入一末端拉成毛细管的玻璃管，这样可以防止潮气侵入并可使产生的气体逸出。放置24h以上，使乙醚中残留的少量水和乙醇转化为氢氧化钠和乙醇钠。如不再有气泡逸出，同时钠的表面较好，则可储放备用。如放置后，金属钠表面已全部发生作用，需重新压入少量钠丝，放置至无气泡发生。这样制得的无水乙醚可符合一般无水要求。

如需要更纯的乙醚，则在除去过氧化物后，再用0．5%高锰酸钾溶液与乙醚一起振摇，使其中含有的醛类氧化成酸，然后依次用5%氢氧化钠溶液、水洗涤，经干燥、蒸馏，再加入钠丝。

3．加氢操作

（1）加氢原理。

有机化合物在催化剂存在下与氢气发生的加成反应称为催化加氢，催化加氢可用于碳碳双键和三键直接加氢，也可用来还原不饱和官能团和一些卤化物。

催化加氢分为液相催化加氢和气相催化加氢两大类，根据作用时压力的大小可分为常压催化加氢和加压催化加氢。本节介绍常压催化加氢。

常用的催化剂有镍、钼、钯、钴和铁等的活性粉末。

（2）加氢装置。

常压催化加氢装置如图2－50所示。

图2-50　常压催化加氢装置

A—氢化瓶；B—储气瓶（80～100mL，两端有两通活塞和标有刻度的玻璃桶）；C—平衡瓶

（3）加氢操作。

往氢化瓶中加入反应物及催化剂。氢化反应开始前，提高平衡瓶使储气瓶中注满水。旋转活塞1、2和3，使储气瓶与氢气袋相通。将平衡瓶放置在低处，用排水集气法慢慢向储气瓶中充氢气，充满后切断储气瓶与气源间的通路。关闭活塞3，旋转活塞2，使氢化瓶与真空系统相通，抽真空。旋转活塞2、3，使氢化瓶与氢气袋相通，向氢化瓶内充氢气，如此抽真空、充气重复2～3次。

调节平衡瓶，使其水面与储气瓶中水面相平，记下储气管中氢气的体积，并把平衡瓶放回高处，旋转活塞1使储气瓶和氢化瓶相通，开始搅拌进行氢化。

每隔5min记录一次吸氢体积（量体积时，仍要放下平衡瓶，使其水面与储气瓶中水面相平），用所记录的数据作时间－吸氢体积曲线。当储气瓶中氢气体积不再明显变化时，反应基本完成。打开活塞3，使氢气袋与大气相通，放掉氢气袋中残存的氢气，滤去催化剂，经后处理得产物。

4．光化学反应

有机化合物的光化学反应是比较近代的内容，在目前有机合成工作中有重要意义，在各方面的应用也日益广泛。

分子中的电子受激发后，有一个趋向，即从较高能量轨道回到低能量轨道中，从而使它处于基态，这个过程中伴有能量的释放。如果能量以光的形式释放出来，就有发光现象产生（荧光或磷光）。有时像一些化学反应的结果一样，可能直接形成一个处于激发态的分子。如果激发态的分子是发光的（发射光），表示化学能转变成光能。过程为：反应物→生成处于激发态的产物（发光）→基态物。

下面以光能释放实验——鲁米诺的氧化为例介绍。

鲁米诺是环状的3－氨基苯二甲酰肼，是一个杂环化合物。当鲁米诺的碱性液用铁氰化钾和过氧化氢（氧化剂）的混合液处理时，鲁米诺转化成激发态的3－氨基邻二甲酸根的双阴离子。反应的方程式如下：

所以实验前须准备两种溶液，溶液A是碱性的鲁米诺溶液，溶液B是铁氰化钾和过氧化氢的混合溶液，然后在暗室里将两种溶液混合，就能观察到发射光（蓝绿色光）的现象。

实验操作：称取0．2g鲁米诺，溶于10mL10%的氢氧化钠水溶液和90mL水中，此即溶液A（或配1／4量）；将20mL 3%的铁氰化钾水溶液与20mL 3%的过氧化氢和160mL水混合，此即溶液B；用175mL水稀释25mL溶液A，在暗室里，将此溶液与溶液B一起倒入1L锥形分液漏斗中，振荡溶液，并进行观察，当颜色褪去时，再由滴液漏斗里加入几毫升10%的碱液（NaOH）并再次进行振荡、观察，记录现象。

2.2　物质的分离和提纯

经过任一反应所得到的物质，一般总是与许多其他物质（其中包括进行反应的原料、副产物、溶剂等）共存于反应体系中，因此要得到较纯的物质，常需从复杂的混合物中分离出所要的物质。随着近代合成的发展，分离提纯的技术将愈来愈显示它的重要性。对于化学工作者来说，具有熟练的分离和提纯的操作技术是必需的。

2.2.1　重结晶

重结晶是提纯固体有机化合物常用的方法之一。它适用于产品与杂质性质差别较大、产品中杂质含量小于5%的体系。

固体物质在溶剂中的溶解度与温度密切相关。一般说来，温度升高，溶解度增加。所以若把固体溶解在热溶剂中达到饱和，然后使其冷到室温或降至室温以下，即会有一部分结晶析出。利用溶剂与被提纯物质和杂质的溶解度不同，让杂质全部或大部分留在溶液中（或被过滤除去），从而达到提纯的目的。显然，选择合适的溶剂对于重结晶是很重要的一步。

1．溶剂的选择

（1）单一溶剂的选择。

被提纯的化合物，在不同溶剂中的溶解度与化合物本身的性质以及溶剂的性质有关，通常，极性化合物易溶于极性溶剂，反之，非极性化合物则易溶于非极性溶剂。借助资料、手册可以了解已知化合物在某种溶剂中的溶解度，但最主要是通过实验方法进行选择。

所选溶剂必须具备以下条件。

①不与被提纯化合物起化学反应。

②温度高时，化合物在溶剂中溶解度大，室温或低温下溶解度很小；而杂质的溶解度应该非常大或非常小（这样可使杂质留在母液中，不随提纯物析出；或使杂质在热滤时滤出）。

③溶剂沸点较低，易挥发，易与被提纯物分离除去。

④价格便宜、毒性小，回收容易，操作安全。

选择溶剂的具体方法是：取约0．10g（或更少）待重结晶的样品，放入一支小试管中，滴入约1mL（或更少）某种溶剂，振荡，观察是否溶解。若不加热很快全溶，表明产物在此溶剂中的溶解度太大，不宜作此产物重结晶的溶剂；若不溶，加热后观察是否全溶，如仍不溶，可小心加热并分批加入溶剂至3～4mL，若沸腾下仍不溶解，说明此溶剂也不适用。反之，如能使样品溶在1～4mL沸腾溶剂中，室温下或冷却能自行析出较多结晶，则此溶剂适用。以上仅仅是一般方法，实际实验中要同时选择几个溶剂用同样方法比较收率，选择其中最优者。在热溶解过程中，因不易辨别是因溶剂不够溶解不完全，还是含有不溶性杂质。此时，宁可先进行一次热过滤，将滤渣再次加适量溶剂溶解，两次滤液分别处理。常用的重结晶溶剂有水、乙酸、甲醇、乙醇、丙酮、乙醚、石油醚、环己烷、苯、甲苯、乙酸乙酯、二氯甲烷、二氯乙烷、三氯甲烷、四氯化碳、甲乙酮、乙腈等。有时很难选择一种较为理想的单一溶剂，这时应考虑选择混合溶剂。

分离混合物，可采用分步结晶，即用少量溶剂加热使部分溶解，进行热过滤，再加入新的溶剂溶解滤渣，再热过滤，分别收集各部分的滤液。一般来说，溶解度大的物质在首次滤液中结晶出来，溶解度小的在二次滤液中，这样可使混合物得以分离。但是对于少量产品的分离，用色谱柱分离效果更佳。

溶解过程中，由于条件掌握不好，被纯化固体有机物有时会呈油状物析出，其中包含有杂质和少量溶剂。遇到这种情况，应注意两点：首先，所选溶剂的沸点应低于溶质的熔点；其次，若不能选择出沸点较低的溶剂，则应在比熔点低的温度下进行热溶解。例如：乙酰苯胺熔点为114℃，用水重结晶时，加热至83℃就熔化成为油状物。这时，在水层中含有已溶解的乙酰苯胺，而在熔化成油状的乙酰苯胺中含有水。所以对待类似于乙酰苯胺的物质，当用水重结晶时，就应该遵循以下原则：所配制的热溶液要稀释一些，但这会使重结晶的产率降低；乙酰苯胺在低于83℃下热溶解，过滤后让母液慢慢冷却。

（2）混合溶剂的选择。

相对于单一溶剂重结晶的操作，初学者较难掌握混合溶剂热溶液的配制。有的化合物在许多溶剂中不是溶解度太大，就是太小，很难选择一种合适的溶剂。这时，可考虑用混合溶剂。方法是：选用一对能互相溶解的溶剂，样品易溶于其中一种溶剂，而难溶或几乎不溶于另一种溶剂。具体操作如下。

①按照选择溶剂的方法，试出混合溶剂各自量的比例。

②将被重结晶物质加热溶解于适量的易溶溶剂中。

③趁热过滤，以除去不溶性杂质。

④用滴管逐滴加入热的不易溶的溶剂，直至出现混浊，且不再消失为止。

⑤再加热使其澄清，若不澄清，可再加极少量的易溶溶剂，使其刚好澄清。

⑥将此热溶液在室温下放置，冷却析出结晶。

⑦如冷后析出油状物，则需调整两溶剂的比例，再进行实验，或另换一对溶剂，有时也可以将两种溶剂按比例预先混合好，再进行重结晶。

值得强调的是，制备好的热溶液必须经过热过滤，以除去不溶杂质。有时某些物质易于析出结晶，在过滤过程中结晶在滤纸上析出，阻碍继续过滤，处理不妥，产品损失很多，在小量实验中，影响严重。此时需小心将析出物与滤纸一同返回，重新制备热溶液，这种情况下，宁可将热溶液配制得稍稀一些。若热过滤溶液中含有少量不溶性杂质，热溶液呈混浊状，且不能用简单过滤除去，可在溶液中加入少量活性炭煮沸5min，活性炭吸附色素和树脂状物质后，再趁热过滤。

当在非极性溶剂（如苯、石油醚）中脱色时，活性炭效果不好，可改用氧化铝脱色的方法。

常用的混合溶剂有水－乙醇、水－丙酮、水－乙酸、乙醚－丙酮、乙醇－乙醚－乙酸乙酯、甲醇－水、甲醇－乙醚、甲醇－二氯乙烷、氯仿－醇、石油醚－苯、石油醚－丙酮、氯仿－乙醚、苯－乙醇。

2．重结晶的操作方法

重结晶操作过程为：饱和溶液的制备→脱色→热过滤→冷却结晶→过滤和洗涤→干燥。

（1）饱和溶液的制备。

这是重结晶操作过程的重要步骤，其目的是用溶剂充分分散产物和杂质，有利于提纯。一般用水作溶剂时，可在烧杯或锥形瓶中进行；而用有机溶剂时，则必须用锥形瓶或圆底烧瓶作为容器，同时，还需安装回流冷凝管，防止溶剂挥发造成火灾。特别是以乙醚作溶剂时，需先用水浴加热到一定温度，熄灭燃气灯后再开始操作。溶解产品时，先在容器中加入几颗沸石和已称好的样品，加少量溶剂，然后加热使溶液沸腾或接近沸腾，再边滴加溶剂边观察固体溶解情况，使产品刚好全部溶解，然后再使其过量约20%，以免热过滤时因温度的降低和溶剂的挥发，结晶在滤纸上析出而造成损失。但溶剂过量太多，又会使结晶析出量太少或根本不能析出，遇此情况，需将过多溶剂蒸出。

如遇较多产品不溶时，应先将热溶液倾出或过滤，于剩余物中再加溶剂加热溶解，如仍不溶，过滤，滤液单独放置或冷却，观察是否有结晶析出；如加热后慢慢溶解，说明产品需要短时间的回流后才能全部溶解。

（2）脱色。

当重结晶的产品带有颜色时，可加入适量的活性炭脱色。活性炭脱色效果和溶液的极性、杂质的多少有关，活性炭在水溶液及极性有机溶剂中脱色效果较好，而在非极性溶剂中效果则不甚显著。活性炭用量一般为固体量的1%～5%，不可过多。若用非极性溶剂，也可在溶液中加入适量氧化铝，摇荡脱色。加活性炭时，应待产品全部溶解后，溶液稍冷再加，切不可趁热加入！否则会引起暴沸，严重时甚至会有溶液被冲出的危险。

（3）热过滤。

过滤的方法有两种，即常压热过滤和减压热过滤。重结晶溶液是一种热的饱和溶液，常需要进行热过滤。在热过滤时应做到：仪器热、溶液热、动作快。

①常压热过滤。常压热过滤是用重力过滤的方法除去不溶性杂质（包括活性炭）的。由于溶液为热的饱和溶液，遇冷即会析出结晶，因此需要趁热过滤。热过滤时所用的漏斗和滤纸须事先用热溶剂润湿温热，或者把仪器放入烘箱预热后使用，有时还需要将漏斗放入铜质热保温套中，在保温情况下过滤。常压热过滤的装置如图2－51所示。

普通漏斗也可以用铁圈架在铁架台上，下面用电热套保温。为了保证过滤速度快，经常采用折叠滤纸，滤纸的折叠方法如图2－47所示。

将滤纸对折，然后再对折成四份；将2与3对折成4，1与3对折成5，如图2－52 （a）所示；2与5对折成6，1与4对折成7，如图2－52（b）所示；2与4对折成8，1与5对折成9，如图2－52（c）所示。这时，折好的滤纸边全部向外，角全部向里，如图2－52 （d）所示；再将滤纸反方向折叠，相邻的两条边对折即可得到图2－52（e）所示的形状；然后将图2－52（e）中的1和2向相反的方向折叠一次，可以得到一个完好的折叠滤纸，如图2－52（f）所示。在折叠过程中应注意：所有折叠方向要一致，滤纸中央圆心部位不要用力折，以免破裂。

图2-51　常压热过滤装置

图2-52　滤纸的折叠方法

热过滤时动作要快，以免液体或仪器冷却后，晶体过早地在漏斗中析出。如发生此现象，应用少量热溶剂洗涤，使晶体溶解进入滤液中。如果晶体在漏斗中析出太多，应重新加热溶解再进行热过滤。

②减压热过滤。减压热过滤的优点是过滤快，缺点是当用沸点低的溶剂时，因减压会使热溶剂蒸发或沸腾，导致溶液浓度变大，晶体过早析出。减压热过滤装置如图2－53所示。抽滤所用滤纸的大小应能恰好覆盖住布氏漏斗底部。先用热溶剂将滤纸润湿，抽真空使滤纸与漏斗底部贴紧。然后迅速将热溶液倒入布氏漏斗中，在液体抽干之前漏斗应始终保持有液体存在，此时，真空度不宜太低。

图2-53　减压热过滤装置

（4）冷却结晶和晶体的过滤与洗涤。

冷却结晶是使产物重新形成晶体的过程。其目的是使产物进一步与溶解在溶剂中的杂质分离。将上述热的饱和溶液冷却后，晶体可以析出，当冷却条件不同时，晶体析出的情况也不同。为了得到形状好、纯度高的晶体，在结晶析出的过程中应注意以下几点。

①应在室温下慢慢冷却至有固体出现时，再用冷水或冰进行冷却，这样可以保证晶体形状好，颗粒大小均匀，晶体内不含杂质和溶剂。否则，当冷却太快时，会使晶体颗粒太小，晶体表面易从液体中吸附更多的杂质，增加洗涤的困难，当冷却太慢时，晶体颗粒有时太大（超过2mm），会将溶液夹带在里边，给干燥带来一定的困难。因此，控制好冷却速度是晶体析出的关键。

②在冷却结晶过程中，不宜剧烈摇动或搅拌，这样会造成晶体颗粒太小。当晶体颗粒超过2mm时，可稍微摇动或搅拌几下，使晶体颗粒大小趋于平均。

③有时滤液已冷却，但晶体还未出现，可用玻璃棒摩擦瓶壁促使晶体形成，或取少量溶液，使溶剂挥发得到晶体，将该晶体作为晶种加入到原溶液中。液体中一旦有了晶种或晶核，晶体将会逐渐析出。晶种的加入量不宜过多，而且加入后不要搅动，以免晶体析出太快，影响产品的纯度。

④有时从溶液中析出的是油状物，此时，更进一步的冷却可以使油状物成为晶体析出，但含杂质较多。此时，应重新加热溶解，然后慢慢冷却，当油状物析出时，剧烈搅拌可使油状物在均匀分散的条件下固化，如还是不能固化，则需要更换溶剂或改变溶剂用量，再进行结晶。

⑤用抽滤的方法将冷溶液和结晶分离，容器中残留的晶体用少量滤液冲洗数次一并转入布氏漏斗中，把母液尽量抽尽。然后打开安全阀停止减压，用少量洗涤剂洗涤晶体，再抽干。

（5）晶体的干燥。

为了保证产品的纯度，需要将晶体进行干燥，把溶剂彻底去除。当使用的溶剂沸点比较低时，可在室温下使溶剂自然挥发达到干燥的目的；当使用的溶剂沸点比较高（如水）而产品又不易分解和升华时，可用红外灯烘干；当产品易吸水或吸水后易发生分解时，应用真空干燥器进行干燥。

2.2.2　升华

升华是固体化合物提纯的又一种手段。由于不是所有固体都具有升华性质，因此，它只适用于以下情况：①被提纯的固体化合物具有较高的蒸气压，在低于熔点时，就可以产生足够的蒸气，使固体不经过熔融状态直接变为气体，从而达到分离的目的；②固体化合物中杂质的蒸气压较低，有利于分离。

升华的操作比重结晶要简便，纯化后产品的纯度较高。但是产品损失较大，时间较长，不适合大量产品的提纯。

1．基本原理

升华是利用固体混合物的蒸气压或挥发度不同，将不纯净的固体化合物在熔点以下加热，利用产物蒸气压高、杂质蒸气压低的特点，使产物不经液体过程而直接汽化，遇冷后固化，而杂质则不发生这个过程，而达到分离固体混合物的目的的。

图2-54　固、液、气的三相图

一般来说，具有对称结构的非极性化合物，其电子云密度分布比较均匀，偶极矩较小，晶体内部静电引力小。因此，这种固体都具有蒸气压高的性质。为进一步说明问题，分析图2－54所示的某物质的三相平衡图。图中的三条曲线将图分为三个区域，每个区域代表物质的一相。由曲线上的点可读出两相平衡时的蒸气压。例如：OA线表示固相与气相平衡时固相的蒸气压曲线。O为三条曲线的交点，也是物质的三相平衡点，在此状态下物质的气、液、固三相共存。由于不同物质具有不同的液态与固态处于平衡时的温度与压力，因此，不同的化合物三相点是不相同的。从图中可以看出，在三相点以下，物质处于气、固两相的状态，因此，升华都在三相点温度以下进行，即在固体的熔点以下进行。

与液体化合物的沸点相似，当固体化合物的蒸气压等于外界所施加给固体化合物表面压力相等时，该固体化合物开始升华，此时的温度为该固体化合物的升华点。在常压下不易升华的物质，可利用减压进行升华。

2．升华操作

（1）常压升华。

常用的常压升华装置如图2－55所示。图2－55（a）是实验室常用的常压升华装置。将被升华的固体化合物烘干，放入蒸发皿中，铺匀。取一大小合适的锥形漏斗，将颈口处用少量棉花堵住，以免蒸气外逸，造成产品损失。选一张略大于漏斗底口的滤纸，在滤纸上扎一些小孔后盖在蒸发皿上，用漏斗盖住。将蒸发皿放在沙浴上（或带石棉网上）小火加热，在加热过程中应注意控制温度在熔点以下，慢慢升华。当蒸气开始通过滤纸上升至漏斗中时，可以看到滤纸和漏斗壁上有晶体出现。如晶体不能及时析出，可在漏斗外面用湿布冷却。当升华量较大时，可用图2－55（b）所示装置分批进行升华。

图2-55　常压升华装置

（2）减压升华。

减压升华装置如图2－56所示。将样品放入抽滤管（或瓶）中，在抽滤管中放入“指形冷凝器”，接通冷凝水，将抽气口与水泵连接好，打开水泵，关闭安全瓶上的放空阀，进行抽气。将此装置放入电热套或水浴中加热，使固体在一定压力下升华。冷凝后的固体将凝聚在“指形冷凝器”的底部。

图2-56　减压升华装置

3．注意事项

（1）升华温度一定要控制在固体化合物的熔点以下。

（2）被升华的固体化合物一定要干燥，如有溶剂将会影响升华后固体的凝结。

（3）滤纸上的孔应尽量大一些，以便蒸气上升时顺利通过滤纸，在滤纸的上面和漏斗中结晶，否则将会影响晶体的析出。

（4）减压升华时，停止抽滤时一定要先打开安全瓶上的放空阀，再关泵。否则循环泵内的水会倒吸进入抽滤管中，造成实验失败。

2.2.3　蒸馏

蒸馏是分离、提纯液体有机化合物的最重要、最常用的方法之一。应用蒸馏法不仅可以把挥发性的物质与不挥发性的物质分离，还可以把沸点不同的物质及有色杂质等分离，通过蒸馏还可以测出化合物的沸点，所以它对鉴定纯液体有机物具有一定的意义。

蒸馏法都是利用液体混合物中各组分的沸点不同来分离各组分的。一种液体的蒸气压p是该液体表面的分子进入气相的倾向大小的客观量度。在一定的温度下，该液体的蒸气压是一定的，并不受液体表面的总的压力——大气压（p°）的影响。当液体的温度不断升高时，蒸气压也随之增加，直至该液体的蒸气压等于液体表面的大气压力，即p＝p°，这时就有大量气泡从液体内部逸出，即液体沸腾。定义在p＝p°时的温度为该液体的沸点。一个纯净的液体的沸点，在一定的外界压力下是一个常数。例如，纯水在一个大气压下的沸点为100℃。在室温下具有较高蒸气压的液体的沸点比在室温下具有较低蒸气压的液体的沸点要低。

当一个液体混合物沸腾时，液体上面的蒸气组成与液体混合物的组成不同，蒸气组成富集的是易挥发的组分，即低沸点的组分。假如把在沸腾时液体上面的蒸气进行收集并冷却成液体，这时冷却收集到的液体的组成与蒸气的组成相同。随着易挥发组分的蒸出，液态混合物的易挥发组分将变少，因而沸点稍有升高，这是由于组成发生了变化。当温度相对稳定时，收集到的蒸出液是原来混合物的一个纯组分。蒸馏可以总结为以下三个过程。

（1）加热蒸馏瓶，使液体混合物沸腾。易挥发组分富集于液体上面的蒸气中，不易挥发的组分大多留在原来的液相中。

（2）继续加热，将蒸气冷却并收集到集气瓶里，易挥发组分富集于冷却的蒸气中；蒸馏瓶里液体混合物的总体积变小，不易挥发组分的浓度相对增大。

（3）继续加热，使富集于冷却蒸气中的易挥发组分更多地收集于集气瓶中；在蒸馏瓶里留存下来的液体主要是不易挥发的组分，从而达到分离的目的。

在常压下进行蒸馏时，大气压往往不是760mmHg（0．1MPa），严格说来，应对观察到的点加以校正，但因偏差较小（一般大气压相差20mmHg（2．7kPa），校正值±1℃），所以，对一般实验来说，可忽略不计。在蒸馏时，实际测量的不是溶液的沸点，而是蒸出液的沸点，即蒸出液气液平衡时的温度。

在压力一定时，凡纯净化合物，必有一固定沸点。因此，一般利用测定化合物的沸点鉴别其是否纯净。但必须指出，凡具有固定沸点的液体不一定均为纯净的化合物，这是由于含有两个或两个以上组分的某些化合物，可以形成共沸混合物。共沸混合物不能利用常压蒸馏的方法将其各个组分分开，因为在共沸混合物中，和液体平衡的蒸气组分与液体本身的组成相同。

蒸馏包括常压蒸馏、减压蒸馏、水蒸气蒸馏和分馏等，不同的蒸馏方法适用于不同的分离要求，下面分别作一介绍。

1．常压蒸馏

常压蒸馏是在实验室里常用的一种分离提纯液体有机化合物的方法。常压蒸馏包括把液体变为气体，然后将气体再凝结为液体两个过程。利用蒸馏可以测定纯净化合物的沸点，分离两种或两种以上沸点相差较大（沸点相差至少在30℃以上）的液体混合物，还可以把挥发的液体与不挥发的物质分开。

（1）装置。

常压蒸馏装置主要由汽化、冷凝和接收三大部分组成，主要仪器由蒸馏瓶、蒸馏头、温度计、直形冷凝管、接引管和接收瓶组成（见图2－57）。

图2-57　简单蒸馏装置

在装配过程中应注意以下几点。

①为保证温度测量的准确性，温度计水银球上端应与蒸馏头侧管的下限在同一水平线上。

②冷凝水从下口进入，上口流出，上端的出水口应朝上，以保证冷凝管套管中充满水。

③任何蒸馏或回流装置均不能密封，否则，当蒸气压增大时，轻者蒸气冲开连接口，使液体冲出蒸馏瓶，重者会发生装置爆炸而引起火灾。

④仪器安装顺序是：先在架设仪器的铁台上放好加热浴，再根据加热浴的高低安装蒸馏瓶，瓶底不要触及加热浴底部。用水浴锅时，瓶底应距水浴锅底1cm左右。安装冷凝管的高度应和已装好的蒸馏瓶高度相适应，在冷凝管尾部通过接引管连接接收瓶（可用锥形瓶或梨形瓶，注意不要用烧杯等广口的器皿接收蒸出液）。接收瓶需事先称量并做记录。安装仪器顺序一般总是自下而上、从左到右，要准确端正、竖直。无论从正面或侧面观察，全套仪器的轴线都要在同一平面内。

（2）常压蒸馏操作。

①加料。做任何实验都应先组装仪器后加原料。加液体原料时，先取下温度计和温度计套管，在蒸馏头上口放一个长颈漏斗，注意长颈漏斗下口处的斜面应超过蒸馏头支管，慢慢地将液体倒入蒸馏瓶中。

②加沸石。为了防止液体暴沸，再加入2～3粒沸石。沸石为多孔性物质，刚加入液体中小孔内有许多气泡，它可以将液体内部的气体导入液体表面，形成汽化中心。如热中断，再加热时应重新加入新沸石，因原来沸石上的小孔已被液体充满，不能再起汽化中心的作用。同理，分馏和回流时也要加沸石。

③加热。在加热前，应检查仪器装配是否正确，原料、沸石是否加好，冷凝水是否通入，一切无误后再开始加热。开始加热时，电压可以调得略高一些，一旦液体沸腾，水银球部位出现液滴，开始控制调压器电压，蒸馏速度以每秒1～2滴为宜。蒸馏时，温度计水银球上应始终保持有液滴存在，如果没有液滴说明可能有两种情况：一是温度低于沸点，体系内气－液相没有达到平衡，此时，应将电压调高；二是温度过高，出现过热现象，此时，温度已超过沸点，应将电压调低。

④馏分的收集。收集馏分时，应取下接收容器，换一个经过称量干燥的容器来接收馏分，即产物。当温度超过沸程范围时，停止接收。沸程越小，蒸出的物质越纯。

⑤停止蒸馏。馏分蒸完后，如不需要接收第二组分，可停止蒸馏。应先停止加热，将变压器调至零点，关掉电源，取下电热套。待稍冷却后馏出物不再继续流出时，取下接收瓶，保存好产物，关掉冷却水，按规定拆除仪器并加以清洗。

（3）注意事项。

①蒸馏前应根据待蒸馏液体的体积，选择合适的蒸馏瓶。一般被蒸馏液体占蒸馏瓶容积的2／3为宜，蒸馏瓶越大，产品损失越多。

②在加热开始后发现没加沸石，应停止加热，待稍冷却后再加入沸石。千万不要在沸腾或接近沸腾的溶液中加入沸石，以免在加入沸石的过程中发生暴沸。

③对于沸点较低又易燃的液体，如乙醚，应用水浴加热，而且蒸馏速度不能太快，以保证蒸气全部冷凝。如果室温较高，接收瓶应放在冷水中冷却，在接引管支口处连接一根橡胶管，将未被冷凝的蒸气导入流动的水中带走。

④在蒸馏沸点高于130℃的液体时，应用空气冷凝管冷凝。主要原因是温度高时，如用水作为冷却介质，冷凝管内、外温差增大，易使冷凝管接口处局部骤冷而断裂。

2．减压蒸馏

液体的沸点与压力有关，随外界压力的降低而降低，所以借助于真空泵降低系统内的压力可降低液体的沸点，这种系统压力在1个大气压（101．325kPa）以下的蒸馏称为减压蒸馏。

某些沸点较高的有机化合物在加热还未达到沸点时往往发生分解或氧化的现象，所以不能用常压蒸馏，使用减压蒸馏便可避免这种现象的发生。因为当蒸馏系统内的压力减小后，其沸点便降低，当压力降低到1333～1999Pa时，许多有机化合物的沸点可以比其常压下的沸点降低80～100℃。因此，减压蒸馏对于分离或提纯沸点较高或性质比较不稳定的液态有机化合物具有特别重要的意义。所以，减压蒸馏亦是分离提纯液态有机物常用的方法。

在进行减压蒸馏前，应先从文献中查阅该化合物在所选择的压力下的相应沸点，如果文献缺乏此数据，可用下述经验规律大致推算，以供参考。当蒸馏在1333～1999Pa下进行时，压力每相差133．3Pa（1mmHg），沸点相差约1℃；也可以用图2－58所示的压力－温度关系图来查找，即从某一压力下的沸点便可近似地推算出另一压力下的沸点。例如，水杨酸乙酯在常压下的沸点为234℃，减压至1999Pa （15mmHg）时，沸点为多少度？可在图2－58中B线上找到234℃的点，再在C线上找到1999Pa的点，然后通过两点连一条直线，该直线与A线的交点为113℃，即水杨酸乙酯在1999Pa时的沸点约为113℃。

图2-58　液体在常压下的沸点与减压下的沸点的近似关系图

（1）减压蒸馏装置。

减压蒸馏装置由蒸馏、抽气以及在它们之间的保护和测压装置三部分组成。抽气减压是由水泵（简单减压蒸馏）或油泵来完成的。减压蒸馏装置如图2－59、图2－60所示。

①蒸馏部分。蒸馏部分由圆底烧瓶、克氏蒸馏头（为避免减压蒸馏时瓶内液体由于沸腾而冲入瓶内）、冷凝管、接引管和接收器组成。在克氏蒸馏头带有支管一侧的上口插温度计，另一口则插一根末端拉成毛细管的厚壁玻璃管，毛细管的下端要伸到离瓶底1～2mm处。毛细管的上端有一段带螺旋夹的橡皮管，在减压蒸馏时，调节螺旋夹，使极少量的空气经毛细管进入圆底烧瓶液体中，冒出小气泡，成为沸腾中心，同时又起一定的搅拌作用。这样可以防止液体暴沸，使液体保持平稳。在蒸馏中若要收集不同馏分，则可用多头接引管。蒸馏时，根据馏程范围可转动多头接引管收集不同馏分。接收器可用圆底烧瓶、抽滤瓶或厚壁试管等耐压器皿，但不能用锥形瓶。

图2-59　简单减压蒸馏装置

1—克氏蒸馏头；2—冷凝管；3—接引管；4—接收器；5—安全瓶；6—水银压力计

图2-60　真空泵（油泵）减压蒸馏装置

1—螺旋夹；2—克氏蒸馏头；3—毛细管；4—真空接收器

②减压部分。实验室通常用水泵或真空泵（又称油泵）进行减压。

a．水泵减压。水泵所能达到的最低压力为当时的水的蒸气压。例如，水温在6～8℃时，水的蒸气压为0．93～1．07kPa；在夏天，若水温为30℃，则水的蒸气压在4．2kPa左右。用循环水泵代替简易的水泵更方便、实用、节水。用循环水泵减压时，在蒸馏装置与泵之间都要装一个由抽滤瓶改装成的安全瓶（又称缓冲瓶），旋转瓶上的两通旋塞，可调节系统内压力和在实验结束后放气，同时亦可防止水或泵油的倒吸。

b．油泵减压。真空泵一般可将系统内压力降至267～533Pa，好的真空泵能降低到13．3Pa。真空泵的工作效能取决于其机械结构及油的好坏，油的蒸气压必须很低。使用真空泵时需要注意防护保养，不使有机物、水和酸等的蒸气进入泵内。易挥发的有机物的蒸气被泵内油所吸收，就会增加油的蒸气压，影响抽真空的效能；酸气会腐蚀泵的机件；水蒸气凝结后与油形成浓稠的乳浊液，会破坏真空泵的工作。为了保护真空泵，必须在接收器和真空泵之间安装安全瓶、冷却阱和几种吸收塔（见图2－60）。

图2-61　水银压力计

③测压。实验室通常用水银压力计来测量减压后的系统压力。水银压力计有开口和封闭式两种（见图2－61）。使用开口式水银压力计时，两臂汞柱高度之差即为大气压力与系统内压力之差，因此蒸馏系统内的实际压力是当天大气压力（以mmHg为单位）减去这一汞柱。在封闭式水银压力计中，两臂汞柱高度之差即为蒸馏系统内的压力。

（2）减压蒸馏操作要点。

①仪器装好后，应空试系统是否密封。具体方法如下。泵打开后，将安全瓶上的放空阀关闭，拧紧毛细管上的螺旋夹，待压力稳定后，观察压力计（表）上的读数是否到了最小或是否达到所要求的真空度。如果没有，说明系统内漏气，应进行检查。检查方法：首先将真空接引管与安全瓶连接处的橡胶管折起来用手捏紧，观察压力计（表）的变化，如果压力马上下降，说明装置内有漏气点，应进一步检查装置，排除漏气点；如果压力不变，说明自安全瓶以后的系统漏气，应依次检查安全瓶和泵，并加以排除或请指导教师排除。漏气点排除后，应重新空试，直至压力稳定并且达到所要求的真空度时，方可进行下面的操作。

②加入待蒸馏液体，量不能超过蒸馏瓶容积的1／2。开始减压，调节螺旋夹，使蒸馏瓶内液体中有连续平稳的小气泡通过（如无气泡可能因毛细管阻塞，应予以更换）。开启冷凝水，用适当的热浴加热蒸馏。加热时，克氏瓶的圆球部分至少有2／3浸入浴液中。在浴液中放一温度计，控制浴液的温度使之比待蒸馏液的温度高20～30℃，使蒸馏速度控制在每秒1～2滴。在整个蒸馏过程中，都要密切注意瓶颈上的温度计以及测压系统压力计的读数。蒸馏开始时，有低沸点的馏分，待观察到沸点不变时，转动真空接引管（一般用双股接引管，当要接收多组馏分时可采用多股接引管），开始接收馏分。在压力稳定及化合物较纯时，沸程应控制在1～2℃范围内。

③停止蒸馏时，应先将加热器撤走，待稍冷却后，打开毛细管上的螺旋夹，慢慢地打开安全瓶上的放空阀，使压力计（表）恢复到零的位置，再关泵。否则由于系统中压力降低，会发生油或水倒吸回安全瓶或冷却阱的现象。

④为了保护油泵系统和泵中的油，在使用油泵进行减压蒸馏前，应将低沸点的物质先用简单蒸馏的方法去除，必要时可先用水泵进行减压蒸馏。加热温度以产品不分解为准。

（3）注意事项。

①减压蒸馏时，蒸馏瓶和接收瓶均不能使用不耐压的平底仪器（如锥形瓶、平底烧瓶等）和薄壁或有破损的仪器，以防止由于装置内处于真空状态，外部压力过大而引起爆炸。

②减压蒸馏的关键是装置密封性要好，因此在安装仪器时，应在磨口接头处涂抹少量凡士林，以保证装置密封和润滑。温度计一般用一小段乳胶管固定在温度计套管上，根据温度计的粗细来选择乳胶管内径，乳胶管内径略小于温度计直径较好。

③蒸出液接收部分，通常使用燕尾管，连接两个梨形瓶或圆底烧瓶。在安装接收瓶前需先称每个瓶的质量，并做记录以便计算产量。

④在使用水泵时应特别注意因水压突然降低，使水泵不能维持已经达到的真空度，蒸馏系统中的真空度比此时水泵所产生的真空度高，因此，水会流入蒸馏系统沾污产品。为了防止这种情况，需在水泵和蒸馏系统间安装安全瓶。

⑤减压蒸馏时，可用水浴、油浴、空气浴等加热，浴温需较蒸馏物沸点高30℃以上。

图2-62　旋转蒸发器

3．旋转蒸发器蒸馏

旋转蒸发器可用来回收、蒸发有机溶剂。由于它使用方便，近年来在有机实验中被广泛使用。它利用一台电机带动可旋转的蒸发器（一般用圆底烧瓶）、冷凝管、接收瓶，如图2－62所示。此装置可在常压或减压下使用，可一次进料，也可分批进料。由于蒸发器在不断旋转，可免加沸石而不会暴沸。同时，液体附于壁上形成了一层液膜，加大了蒸发面积，使蒸发速度加快。使用时应注意以下几点。

①减压蒸馏时，当温度高、真空度低时，瓶内液体可能会暴沸。此时，及时转动插管开关，通入冷空气降低真空度即可。对于不同的物料，应找出合适的温度与真空度，以平稳地进行蒸馏。

②停止蒸发时，先停止加热，再切断电源，最后停止抽真空。若烧瓶取不下来，可趁热用木槌轻轻敲打，以便取下。

4．水蒸气蒸馏

水蒸气蒸馏主要用于蒸馏与水互不混溶、不反应且具有一定挥发性［一般在近100℃时，蒸气压不少于665Pa（5mmHg）］的有机化合物。水蒸气蒸馏广泛用于在常压蒸馏时达到沸点后易分解物质的提纯和从天然原料中分离出液体和固体产物。

当对一互不混溶的挥发性混合物进行蒸馏时，在一定温度下，每种液体将显示其各自的蒸气压，而不被另一种液体所影响，它们各自的分压只与各自纯物质的饱和蒸气压有关，而与各组分的摩尔分数无关。即，其总压为各分压之和，即

由此可以看出，混合物的沸点将比其中任何单一组分的沸点都低。在常压下用水蒸气（或水）作为其中的一相，能在低于100℃的情况下将高沸点组分与水一起蒸出来。综上所述，一个由不混溶液体组成的混合物将在比它的任何单一组分（作为纯化合物时）的沸点都要低的温度下沸腾，用水蒸气（或水）充当这种不混溶相之一所进行的蒸馏操作称为水蒸气蒸馏。

水蒸气蒸馏中，两个不混溶液体的混合物在比其中任何单一组分的沸点都低的温度下沸腾，这一行为可用非理想溶液中最低共沸混合物的形成原理来解释。可把不混溶液体的行为看作是由两种流体间的极度不相溶性造成的，两种分子间的引力远远小于同种分子间的引力，这就使混合物的蒸气压比单一组分的蒸气压高，形成了最低共沸混合物，蒸馏时沸点不变，组成一定。

（1）馏出液组成的计算。

水蒸气蒸馏中冷凝液的组成由所蒸馏化合物的相对分子质量以及在此蒸馏温度时它们相应的蒸气压来决定。即

式中：mA、m水分别为被蒸出有机物和水的质量；MA、M水分别为被蒸出有机物和水的相对分子质量；p°A、p°水分别为某温度下纯的被蒸出有机物和纯水的蒸气压。

（2）水蒸气蒸馏装置。

水蒸气蒸馏装置一般由蒸气发生器和蒸馏装置两部分组成（见图2－63）。这两部分在连接部分要尽可能紧凑，以防止蒸气在通过较长的管道后部分冷凝成水，从而影响水蒸气蒸馏的效率。

图2-63　水蒸气蒸馏装置

水蒸气发生器有两种，如图2－64所示。一种是由铜或铁板A制成，在装置的侧面安装一个水位计B，以便观察发生器内的水位，一般水位最高不要超过2／3，最低不要低于1／3。在发生器的上边安装一根长的玻璃管C，将此管插入发生器底部，距底部距离1～2cm，可用来调节体系内部的压力并可防止系统发生堵塞时出现危险，蒸气出口管与冷却阱G连接，见图2－64（a）。冷却阱是一支玻璃三通管，它的一端与发生器连接，另一端与蒸馏瓶连接，下口接一段软的橡皮管，用螺旋夹夹住，以便调节蒸气量。另一种最简单、最常用的是由蒸馏瓶（500mL左右）组装而成的简易水蒸气发生器，见图2－64（b）。无论使用哪种水蒸气发生器，在与蒸馏系统连接时管路越短越好，否则水蒸气冷凝后会降低蒸馏瓶内温度，影响蒸馏效果。

图2-64　水蒸气发生器

（3）操作要点。

①蒸馏瓶可选用圆底烧瓶，也可用三口瓶。被蒸馏液体的体积不应超过蒸馏瓶容积的1／3。将混合液加入蒸馏瓶后，打开冷却阱上的螺旋夹。开始加热水蒸气发生器，使水沸腾。当有蒸气从冷却阱下面喷出时，将螺旋夹拧紧，使蒸气进入蒸馏系统。调节进气量，保证蒸气在冷凝管中全部冷凝下来。

②在蒸馏过程中，若在插入水蒸气发生器中的玻璃管内，蒸气突然上升至几乎喷出时，说明蒸馏系统内压增高，系统内可能发生堵塞。应立刻打开螺旋夹，移走热源，停止蒸馏，待故障排除后方可继续蒸馏。当蒸馏瓶内的压力大于水蒸气发生器内的压力时，将发生液体倒吸现象，此时，应打开螺旋夹或对蒸馏瓶进行保温，加快蒸馏速度。

③当馏出液不再混浊时，用表面皿取少量馏出液，在日光或灯光下观察是否有油珠状物质，如果没有，可停止蒸馏。

④停止蒸馏时先打开冷却阱上的螺旋夹，移走热源，待稍冷却后，将水蒸气发生器与蒸馏系统断开。收集馏出物或残液（有时残液是产物），最后拆除仪器。

上面所述的是一般水蒸气蒸馏方法，如果只要少量的水蒸气就可以把所有的有机物蒸出，则可以省去水蒸气发生器，而直接将有机化合物与水一同放入蒸馏烧瓶中，然后加热蒸馏烧瓶使之产生水蒸气进行蒸馏。

5．简单分馏

简单分馏主要用于分离两种或两种以上沸点相近且混溶的有机溶液。分馏在实验室和工业生产中广泛应用，工程上常称为精馏。

简单蒸馏只能使液体混合物得到初步的分离。为了获得高纯度的产品，理论上可以采用多次部分汽化和多次部分冷凝的方法，即将简单蒸馏得到的馏出液，再次部分汽化和冷凝，以得到纯度更高的馏出液。而将简单蒸馏剩余的混合液再次部分汽化，则得到易挥发组分含量更低、难挥发组分含量更高的混合液。只要上面这一过程足够多，就可以将两种沸点相差很近的有机溶液分离成纯度很高的易挥发组分和难挥发组分两种产品。简言之，分馏即为反复多次的简单蒸馏。在实验室常采用分馏柱来实现，而工业上采用精馏塔。

（1）分馏装置。

分馏装置与简单蒸馏装置类似，不同之处是在蒸馏瓶与蒸馏头之间加了一根分馏柱，如图2－65所示。分馏柱的种类很多，实验室常用韦氏分馏柱。半微量实验一般用填料柱，即在一根玻璃管内填上惰性材料，如玻璃（陶瓷）或螺旋形、马鞍形等各种形状的金属小片。

图2-65　简单分馏装置图

（2）分馏过程及操作要点。

当液体混合物沸腾时，混合物蒸气进入分馏柱（可以是填料塔，也可以是板式塔），蒸气沿柱身上升，通过柱身进行热交换，在塔内进行反复多次的冷凝—汽化—再冷凝—再汽化过程，以保证达到柱顶的蒸气为纯的易挥发组分，而蒸馏瓶中的液体为难挥发组分，从而高效率地将混合物分离。分馏柱沿柱身存在着动态平衡，不同高度段存在着温度梯度和浓度梯度，此过程是一个热和质的传递过程。为了得到良好的分馏效果，应注意以下几点。

①在分馏过程中，不论使用哪种分馏柱，都应防止回流液体在柱内聚集，否则会减少液体和蒸气的接触面积，或者使上升的蒸气将液体冲入冷凝管中，达不到分馏的目的。为了避免这种情况的发生，需在分馏柱外面包一定厚度的保温材料，以保证柱内具有一定的温度梯度，防止蒸气在柱内冷凝太快。当使用填充柱时，往往由于填料装得太紧或不均匀，造成柱内液体聚集，这时需要重新装柱。

②对分馏来说，在柱内保持一定的温度梯度是极为重要的。在理想情况下，柱底的温度与蒸馏瓶内液体沸腾时的温度接近。柱内自下而上温度不断降低，直至柱顶接近易挥发组分的沸点。一般情况下，柱内温度梯度的保持是通过调节馏出液速度来实现的，若加热速度快，蒸出速度也快，会使柱内温度梯度变小，影响分离效果。若加热速度慢，蒸出速度也慢，会使柱身被流下来的冷凝液阻塞，这种现象称为液泛。为了避免上述情况出现，可以通过控制回流比来实现。所谓回流比，是指冷凝液流回蒸馏瓶的速度与柱顶蒸气通过冷凝管流出速度的比值。回流比越大，分离效果越好。回流比的大小根据物系和操作情况而定，一般回流比控制在4∶1，即冷凝液流回蒸馏瓶的速度为每秒4滴，柱顶馏出液的速度为每秒1滴。

③液泛能使柱身及填料完全被液体浸润，在分离开始时，可以人为地利用液泛将液体均匀地分布在填料表面，充分发挥填料本身的效率，这种情况称为预液泛。一般分馏时，先将电压调得稍大些，一旦液体沸腾就应注意将电压调小，当蒸气冲到柱顶还未达到温度计水银球部位时，通过控制电压使蒸气保证在柱顶全回流，这样维持5min。再将电压调至合适的位置，此时，应控制好柱顶温度，使馏出液以每2～3s1滴的速度平稳流出。

2.2.4　萃取

从固体或液体混合物中分离所需要的化合物，常用的操作之一是萃取。它广泛用于物质的纯化，应用萃取可从固体或液体混合物中提取所需要的化合物，如从天然产物中获得各种生物碱、脂肪、蛋白质、芳香油和中草药的有效成分等都可以用萃取的方法。洗涤也是萃取的一种方法，利用此法可将产物中的少量杂质去除。按萃取两相的不同，萃取可分为液－液萃取、液－固萃取、气－液萃取。在此介绍液－液萃取和液－固萃取。

1．液－液萃取

（1）基本原理。

在欲分离的液体混合物中加入一种与其不溶或部分互溶的液体溶剂，形成两相系统，利用液体混合物中各组分在两相中的溶解度和分配系数的不同，易溶组分较多地进入溶剂相，从而实现混合液的分离。

组分在两相之间的平衡关系是萃取过程的热力学基础，它决定过程的方向，是推动力和过程的极限。液－液平衡有两种情况：①萃取剂与原溶液完全不互溶；②萃取剂与原溶液部分互溶。

当萃取剂与原溶液完全不互溶时，溶质A在两相间的平衡关系如图2－66所示。图中纵坐标表示溶质在萃取剂中的质量分数y，横坐标表示溶质在原溶液中的质量分数x。图中平衡曲线又称分配曲线。

由此可以看出，简单的萃取过程为：将萃取剂加到混合液中使其相混合，因溶质在两相中的分配为达到平衡，而溶质在萃取剂中的平衡浓度高于在原溶液中的浓度，于是溶质从混合液向萃取剂中扩散，使溶质与混合液中的其他组分分离，因此萃取是两相间的传质过程。溶质A在两相间的平衡关系还可以用平衡常数K来表示。

式中：CA为溶质在萃取剂中的浓度；CB为溶质在原溶液中的浓度。

图2-66　溶质A在两相间分配平衡

温度一定时，K是一个常数，通常称为分配系数，可将其近似看作溶质在萃取剂和原溶液中的溶解度之比。

（2）萃取效率。

用一定量的溶剂进行一次或多次萃取时，萃取效率满足如下关系式：

式中：Wn为经n次萃取后溶质在原溶液中残留量；W0为萃取前被萃取物的总量；K为分配系数；V为原溶液的体积；S为萃取剂的用量；n为萃取次数，n＝1，2，3，…。

因KV／（KV＋S）总是小于1，所以n越大萃取效果越好，也就是说将全部萃取剂分为多次萃取比一次萃取的效果要好。

（3）萃取剂的选择。

被分离物在萃取剂与原溶液两相间的平衡关系是选择萃取剂首先要考虑的问题。分配系数的大小对萃取过程有着重要影响，分配系数大表示被萃取组分在萃取相中溶解度大，萃取过程中萃取剂的用量小，溶质易被萃取出来，同时要考虑萃取剂对杂质的溶解度要小；在液－液萃取中两相间应保持一定的密度差，有利于两相分层；萃取后萃取剂应易于回收；此外，价格便宜、操作方便、溶剂沸点不宜过高、化学稳定性好也是应考虑的条件。

实验室常用的萃取剂有：乙醚、苯、四氯化碳、氯仿、石油醚、二氯甲烷、二氯乙烷、正丁醇、乙醇、甲醇、乙酸乙酯、丙酮等。

（4）操作方法。

萃取通常用分液漏斗。使用前须在活塞处涂少量凡士林，旋转几圈将凡士林涂均匀。然后，于漏斗中放入水，振荡，检查两个塞子处是否漏水，确实不漏水后再使用。

在萃取（或洗涤）时，先将液体与萃取用的溶剂由分液漏斗的上口倒入，盖好盖子，右手捏住漏斗上口颈部，并用食指压紧漏斗盖，以免盖子松开，左手握住旋塞，拇指压紧活塞，见图2－67。然后把漏斗放平，前后摇动或做圆周运动，使液体振动起来，两相充分接触。在振动过程中要注意不断放气，以免萃取或洗涤时内部压力过大，造成漏斗塞被顶开，使液体喷出。放气时，将漏斗的上口向下倾斜，下部支管指向斜上方，液体集中在下面，用控制活塞的拇指和食指打开活塞，放气，但要注意不要对着人，一般振荡两三次就放气一次。振荡数次以后，将分液漏斗放在铁环上（最好把铁环用石棉绳缠扎起来），将漏斗塞子上的小槽对准漏斗上的通气孔，静置，使乳浊液分层。

图2-67　常量萃取时手握分液漏斗的姿势

图2-68　微量萃取法

当分液漏斗的液体分成清晰的两层以后，就可以进行分离。分离液层时，下层液体应经旋塞放出，上层液体应从上口倒出。

将萃取相（即有机相）放入一个干燥好的锥形瓶中，萃余相（水相）再加入新萃取剂继续萃取。重复以上操作过程，萃取完后，合并萃取相，加入干燥剂进行干燥。干燥后，先将低沸点的物质和萃取剂用简单蒸馏的方法蒸出，然后视产品的性质选择合适的纯化手段。

当被萃取的原溶液量很少时，可采取微量萃取技术进行萃取。取一支离心分液管，放入原溶液和萃取剂，盖好盖子，用手摇动分液管或用滴管向液体中鼓气，使液体充分接触，并注意随时放气。静置分层后，用滴管将萃取相吸出，在萃余相中加入新的萃取剂继续萃取（见图2－68）。之后的操作如前所述。

在萃取操作中应注意以下几个问题。

①分液漏斗中的液体不宜太多，以免摇动时影响液体接触而使萃取效果下降。

②液体分层后，上层液体由上口倒出，下层液体由下口经活塞放出，以免污染产品。

③在溶液呈碱性时，常产生乳化现象。有时由于存在少量轻质沉淀，两液相密度接近，两液相部分互溶等都会引起分层不明显或不分层。此时，静置时间应长一些，或加入一些食盐，增加两相的密度，使絮状物溶于水中，迫使有机物溶于萃取剂中；或加入几滴酸、碱、醇等，以破坏乳化现象。如上述方法不能将絮状物破坏，在分液时，应将絮状物与萃余相（水层）一起放出。

④液体分层后应正确判断萃取相（有机相）和萃余相（水相），一般根据两相的密度来确定，密度大的在下面，密度小的在上面。如果一时判断不清，应将两相分别保存起来，待弄清后再弃掉不要的液体。

2．液－固萃取

（1）萃取原理。

液－固萃取的原理与液－液萃取类似。常用的方法有浸取法和连续提取法。

（2）萃取方法。

①浸取法。将溶剂加入到被萃取的固体物质中加热，使易溶于萃取剂的物质提取出来，然后再进行分离纯化。当使用有机溶剂作萃取剂时，应使用回流装置。

②连续提取法。一般使用索氏（Saxhlet）提取装置来进行，如图2－69所示。将固体物质研细，放入滤纸筒内，上、下开口处应扎紧，以防固体逸出。将其放入提取器的提取筒中，滤纸筒不宜太紧，以加大液体和固体的接触面积；但也不能太松，否则不好装入提取筒中。滤纸筒的高度不要超过虹吸管顶部。从提取筒上口加入溶剂，当发生虹吸时，液体流入蒸馏瓶中，再补加过量溶剂（根据提取时间和溶剂的挥发程度而定），一般30mL左右即可。

图2-69　索氏（Saxhlet）提取装置

图2-70　微型固-液萃取装置

装上冷凝管，通入冷却水，加入沸石后开始加热。液体沸腾后开始回流，液体在提取筒中蓄积，使固体侵入液体中。当液面超过虹吸管顶部时，蓄积的液体带着从固体中提取出来的易溶物质流入蒸馏瓶中。继续使用上述方法，再进行第二次提取。这样反复三次左右，可几乎将固体中易溶物质全部提取到液体中来。提取过程结束后，将仪器拆除，对提取液进行分离。图2－70为微型固－液萃取装置。

在提取过程中应注意调节温度，因为随着提取过程的进行，蒸馏瓶内的液体不断减少，当从固体物质中提取出来的溶质较多时，温度过高会使溶质在瓶壁上结垢或炭化。当物质受热易分解和萃取温度较高时不宜使用此方法。

2.2.5　色谱分离技术

前边介绍了蒸馏、萃取、重结晶和升华等有机化合物的提纯方法。然而，经常遇到化合物的物化性质十分相近的情况，这时用以上几种方法均不能得到较好的分离。用色谱分离技术可以得到满意的结果。

按分离原理色谱可分为吸附色谱（adsorption chromatography，利用吸附剂表面对样品不同组分吸附能力的差别来分离）、分配色谱（partition chromatography，利用样品中不同的组分在指定的两相中有不同的分配系数来分离）、离子交换色谱（ion chromatography，利用离子型化合物各离子组分与离子交换剂表面带电荷进行可逆性离子交换能力的差别而实现分离）和尺寸阻排色谱（size exclusion chromatography，利用样品中不同组分的分子大小不同，受阻情况不同加以分离，也称为凝胶色谱）等。按操作条件色谱又可分为柱色谱（colum chromatography，CC）、薄层色谱（thin layer chromatography，TLC）、纸色谱（paper chromatography，PC）、气相色谱（gas chromatography，GC）和高效液相色谱（high performance liquid chromatography，HPLC）等。

1．薄层色谱

（1）原理。

薄层色谱（TLC）是一种快速、微量而简单的色谱方法。它常用来分离和鉴定混合物中的各组分，精制化合物，对有机合成反应进行监控，寻找柱色谱的最佳分离条件等。它通常是在玻璃板上均匀铺上一薄层吸附剂而制成薄层板，用毛细管将样品溶液点在起点处，把薄层板置于盛有溶剂的容器中，待溶剂到达前沿后取出，晾干，显色，测定斑点的位置等一系列过程来完成的。

吸附薄层色谱是使用最为广泛的方法，其原理是在层析过程中，主要发生物理吸附。由于物理吸附具有普遍性、无选择性，当固体吸附剂与多元溶液接触时，它对溶质、溶剂分子都可以产生一定程度的吸附。其次，由于吸附过程是可逆的，被吸附的物质在一定条件下可以被解吸。在层析过程中，展开剂是不断供给的，所以处于原点上的溶质不断地被解吸。解吸出来的溶质随着展开剂向前移动，遇到新的吸附剂，溶质和展开剂又会部分被吸附而建立暂时的平衡，这一暂时平衡立即又被不断移动上来的展开剂所破坏，使部分溶质解吸并随移动相向前移动，形成了吸附—解吸—吸附—解吸的交替过程。溶质在经历了无数次这样的过程后移动到一定的高度。由于混合物中的各个组分对吸附剂（固定相）的吸附能力不同，当展开剂（流动相）流经吸附剂时，发生无数次吸附和解吸过程，吸附力弱的组分随流动相迅速向前移动，吸附力强的组分滞留在后，由于各组分具有不同的移动速率，最终得以在固定相薄层上分离。

TLC除了用于分离外，更主要的是通过与已知结构化合物相比较，来鉴定少量有机混合物的组成。此外经常利用TLC寻找柱色谱的最佳分离条件。

在定性分析中，主要依据是比移值——Rf值。它是指某种化合物在薄层板上上升的高度与展开剂上升高度的比值。表示如下：

图2－71所示的是三组分混合物展开后各个组分的Rf值。对于同一种化合物，当展开条件相同时，Rf值是一个常数。但是，由于影响Rf值的因素较多，如展开剂、吸附剂、薄层板的厚度、温度等均能影响Rf值，因此同一化合物的Rf值与文献会相差较大。在实验中常采用的方法是，在同一块板上同时点一个已知物和一个未知物，进行展开，通过计算Rf值来确定是否是同一化合物。

图2-71　三组分混合物的薄层色谱

（2）吸附剂。

薄层色谱常用的吸附剂是硅胶或氧化铝，常用的黏合剂是煅石膏（2CaSO4· H2O）、羧甲基纤维素钠等。其所用吸附剂的颗粒比柱色谱中用的小，一般为260目以上。颗粒太大时，表面积小，吸附量少，样品随展开剂移动速度快，分离效果不好；颗粒太小时，样品随展开剂移动速度慢，斑点不集中，效果也不好。

硅胶是无定形多孔性物质，略具酸性，适用于酸性物质的分离和分析。薄层色谱用的硅胶分为硅胶H（不含黏合剂）、硅胶G（含煅石膏黏合剂）、硅胶HF254（含荧光物质，可于波长254nm紫外光下观察荧光）、硅胶GF254（既含煅石膏，又含荧光剂）等类型。与硅胶相似，氧化铝也因含黏合剂或荧光剂而分为氧化铝G、氧化铝GF254及氧化铝HF254。

黏合剂除上述的煅石膏外，还可用淀粉、羧甲基纤维素钠。通常又将薄层板按加黏合剂和不加黏合剂分为两种，加黏合剂的薄层板称为硬板，不加黏合剂的薄层板称为软板。

氧化铝的极性比硅胶大，比较适用于分离极性较小的化合物（烃、醚、醛、酮、卤代烃等），由于极性化合物能被氧化铝较强烈地吸附，分离效果较差，Rf值较小；相反，硅胶适用于分离极性较大的化合物（羧酸、醇、胺等），而非极性化合物在硅胶板上吸附较弱，分离效果较差，Rf值较大。

吸附剂的活性取决于吸附剂的含水量，含水量越高，活性越低，吸附剂的吸附能力越弱；反之则吸附能力强。吸附剂的含水量和活性等级关系如表2－6所示。

表2-6　吸附剂的含水量和活性等级关系

一般常用的是Ⅱ和Ⅲ级吸附剂，Ⅰ级吸附性太强，而且易吸水，V级吸附性太弱。

（3）展开剂。

薄层色谱分离成败最重要的一点是如何选择合适的展开剂。这一问题的解决在很大程度上还要依赖于实验，一些原则和规律仅供参考。

选择展开剂时，首先要考虑展开剂的极性以及对被分离化合物的溶解度。在同一种吸附剂薄层上，通常展开剂的极性大，对化合物的洗脱能力也大，Rf值也就大。

单一溶剂的极性强弱与介电常数有关，在一般情况下，介电常数大则表示溶剂极性大。单一溶剂极性的递增顺序加下：

石油醚＜正己烷＜环己烷＜四氯化碳＜苯＜甲苯＜氯仿＜二氯甲烷＜乙醚＜乙酸乙酯＜吡啶＜异丙醇＜丙酮＜乙醇＜甲醇＜水。

通常在各类文献资料中所列各类溶剂极性大小的排列次序，有时会随着不同作者所选用的溶剂纯度的不同（含水及杂质）而导致极性大小的顺序有差异。

使用单一溶剂作为展开剂，溶剂组分简单，分离重现性好。而对于混合溶剂，二元、三元甚至多元展开剂，一般占比例较大的主要溶剂起溶解和基本分离作用；占比例较小的溶剂起调整、改善分离物的Rf值和对某些组分的选择作用。主要溶剂应选择不易形成氢键的溶剂，或选择极性比分离物低的溶剂，以避免Rf值过大。

多元溶剂展开剂首先要求溶剂互溶，被分离物应能溶解于其中。极性大的溶剂易洗脱化合物并使其在薄板上移动；极性小的溶剂会降低极性大溶剂的洗脱能力，使Rf值减小；中等极性的溶剂往往起着极性相差较大溶剂的混溶作用。有时在展开剂中加入少量酸、碱可以使某些极性物质的斑点集中，提高分离度。当需要在黏度较大的溶剂中展开时，则需在其中加入降低展开剂黏度、加快展开速率的溶剂。在环己烷－丙酮－二乙胺－水（10∶5∶2∶5）的展开剂系统中，水的极性最大，环己烷最小。加入环己烷，是为了降低分离物的Rf值；丙酮则起着混溶和降低展开剂黏度的作用，比例最少的二乙胺是为了控制展开剂的pH值，使分离的斑点不拖尾，分离清晰。

由实验确定某一被分离物需用混合溶剂为展开剂时，往往是选用一个极性强的溶剂和一个极性弱的溶剂并按不同比例调配。具体操作是：在非极性溶剂中加入少量极性溶剂，极性由弱到强，比例由小到大，以求得到适合的比例。

当样品中含有羰基时，在非极性溶剂中加入少量丙酮；当样品中含有羟基时，于非极性溶剂中加入少量甲醇、乙醇等；当样品中含有羧基时，可加入少量的甲酸、乙酸；当样品中含有氨基时，可加入少量六氢吡啶、二乙胺、氨水等。总之，加入的溶剂应与被测物的官能团相似。表2－7列举了TLC分离某些化合物时所用的吸附剂和展开剂。

表2-7　TLC分离某些化合物时所用的吸附剂和展开剂

展开剂的极性大小对混合物的分离有较大的影响。如果展开剂的极性远远大于混合物中各组分的极性，那么展开剂将代替各个组分而被吸附剂吸附，这样各个组分将几乎完全留在流动相里，各个组分则具有较高的Rf值；反之，如果展开剂的极性大大低于各个组分的极性，那么，各个组分将被吸附于吸附剂上，而不能被展开剂所迁移，即Rf值为零。一般来说，溶剂的展开能力与溶剂的极性成比例。根据列出的常用溶剂的极性次序，有些混合物使用单一的展开剂就可以分开；但更多的是需要采用混合展开剂才能加以分离，混合展开剂的极性介于单一溶剂的极性之间。

（4）操作方法。

①薄层板的制法。薄层板分为“干板”与“湿板”。干板在涂层时不加水，一般用氧化铝作吸附剂时使用。这里主要介绍湿板。湿板的制法有以下几种。

a．涂布法：利用涂布器铺板。

b．浸入法：两块干净玻璃片背靠背贴紧，浸入吸附剂与溶剂调制的浆液中，取出后分开，晾干。

c．平铺法：把吸附剂与溶剂调制的浆液倒在玻璃片上，用手轻轻振动至平。

最后一种方法比较简便，在实验室较为常用。具体操作是：取5g硅胶G与13 mL 0．5%～1%的羧甲基纤维素钠水溶液，在烧杯中调匀，铺在清洁干燥的玻璃片上，可铺4～10cm玻璃片8～10块，薄层的厚度约为0．25mm。室温晾干后，在110℃烘箱内活化0．5h，取出放冷后即可使用。

图2-72　薄层板点样

②点样。将样品用低沸点溶剂配成1%～5%的溶液，用内径小于1mm的毛细管点样（见图2－72）。点样前，先用铅笔在薄层板上距一端1cm处轻轻画一条横线作为起始线，然后用毛细管吸取样品，在起始线上小心点样，斑点直径不超过0．2cm；如果需要重复点样，应待前一次点样的溶剂挥发后，方可重复再点，以防止样点过大，造成拖尾、扩散等现象，影响分离效果。若在同一板上点两个样，样点间距应在1～1．5cm。待样点干燥后，方可进行展开。

③展开。薄层展开要在密闭的器皿中进行（见图2－73），如广口瓶或带有橡皮塞的锥形瓶都可作为展开器。加入展开剂的高度为0．5～1．0cm，可在展开器中放一张滤纸，以使器皿内的蒸气很快地达到气液平衡，待滤纸被展开剂饱和以后，把带有样点的板（样点一端向下）放入展开器内，并与器皿成一定的角度，同时使展开剂的水平线在样点以下，盖上盖子。当展开剂上升到离板的顶部约1cm处时取出，并立即用铅笔标出展开剂的前沿位置，待展开剂干燥后，在紫外灯下观察斑点的位置。

图2-73　薄层色谱展开

④显色。被分离的样品本身有颜色，薄层展开后，即可直接观察到斑点。商品硅胶GF254是在硅胶G中加入0．5%的荧光粉；硅胶HP254是在硅胶H中加入了0．5%的硅酸锌锰。这样的荧光薄层在紫外灯下，薄层本身显荧光，样品斑点成暗点。如果样品本身具有荧光，经层析后可直接在紫外灯下观察斑点位置。使用一般吸附剂，在样品本身无色的情况下需使用显色剂。以下列出几种通用性的显色剂及显色操作。

a．碘。0．5%碘的氯仿溶液：热溶液喷雾在薄板上，当过量碘挥发后，再喷1%的淀粉溶液，出现蓝色斑点。碘蒸气：将少许碘结晶放入密闭容器中，容器内为饱和碘蒸气，将薄板放入容器后几分钟即显色，大多数化合物呈黄棕色。还可在容器内放一小杯水，增加湿度，提高显色灵敏度。

b．硫酸。浓硫酸与甲醇等体积小心混合后冷却备用；15%浓硫酸的正丁醇溶液；5%浓硫酸的乙酸酐溶液；5%浓硫酸的乙醇溶液；浓硫酸与乙酸等体积混合。

使用以上任一硫酸试液喷雾后，在空气中干燥15min，于110℃加热至显色，大多数化合物炭化呈黑色，胆甾醇及其脂类有特殊颜色。

c．紫外灯显色。如果样品本身是发荧光的物质，可以把板放在紫外灯下，在暗处可以观察到这些荧光物质的亮点。如果样品本身不发荧光，可以在制板时，在吸附剂中加入适量的荧光指示剂，或者在制好的板上喷荧光指示剂。板展开并干燥后，把板放在紫外灯下观察，除化合物吸收了紫外光的地方呈现黑色斑点外，其余地方都是亮的。

d．显色操作。如图2－74所示，把几粒碘的结晶放在广口瓶内，放进展开并干燥后的板，盖上瓶盖，直到暗棕色的斑点足够明显时取出，立即用铅笔画出斑点的位置。这种方法是基于有机物可与碘形成分子配合物（烷和卤代烷除外）而带有颜色。板在空气中放置一段时间，由于碘升华，斑点即消失。

图2-74　碘熏显色

⑤计算Rf值。

2．柱色谱

（1）原理。

柱色谱一般有吸附色谱和分配色谱两种。实验室中最常用的是吸附色谱，吸附色谱又根据吸附剂的性质可分为正向色谱（吸附剂的极性较大）和反向色谱（吸附剂的极性较小，如C18等）两大类。其原理都是利用混合物中各组分在不相混溶的两相（即流动相和固定相）中吸附和解吸的能力不同，也可以说在两相中的分配不同，当混合物随流动相流过固定相时，发生了反复多次的吸附和解吸过程，从而使混合物分离成两种或多种单一的纯组分。

为了进一步理解色谱原理，下面对正向柱色谱的分离过程作一简单介绍。常用的吸附剂有氧化铝、硅胶等。将已溶解的样品加入已装好的色谱柱中，然后，用洗脱剂（流动相）进行淋洗。样品中各组分在吸附剂（固定相）上的吸附能力不同，一般来说，极性大的吸附能力强，极性小的吸附能力相对弱一些。当用洗脱剂淋洗时，各组分在洗脱剂中的溶解度也不一样，因此，被解吸的能力也就不同。根据“相似相溶”原理，极性化合物易溶于极性洗脱剂中，非极性化合物易溶于非极性洗脱剂中。一般是先用非极性洗脱剂进行淋洗。当样品加入后，无论是极性组分还是非极性组分均被固定相吸附（其作用力为范德华力），当加入洗脱剂后，非极性组分由于在固定相（吸附剂）中吸附能力弱，而在流动相（洗脱剂）中溶解度大，首先被解吸出来，被解吸出来的非极性组分随着流动相向下移动，与新的吸附剂接触再次被固定相吸附。随着洗脱剂向下流动，被吸附的非极性组分再次与新的洗脱剂接触，并再次被解吸出来，随着流动相向下流动。而极性组分由于吸附能力强，且在洗脱剂中溶解度又小，因此不易被解吸出来，随流动相移动的速度比非极性组分要慢得多（或根本不移动）。这样经过一定次数的吸附和解吸后，各组分在色谱柱中形成了一段一段的色带，随着洗脱过程的进行从柱底端流出。每一段色带代表一个组分，分别收集不同的色带，再将洗脱剂蒸发，就可以获得单一的纯净物质。

（2）吸附剂。

选择合适的吸附剂作为固定相对于柱色谱来说是非常重要的。常用的吸附剂有硅胶、氧化铝、氧化镁、碳酸钙和活性炭等。实验室一般使用氧化铝或硅胶，在这两种吸附剂中氧化铝的极性更大一些，它是一种高活性和强吸附的极性物质。通常市售的氧化铝分为中性、酸性和碱性三种。酸性氧化铝适用于分离酸性有机物质；碱性氧化铝适用于分离碱性有机物质，如生物碱和烃类化合物；中性氧化铝应用最为广泛，适用于中性物质的分离，如醛、酮、酯、醌等有机物质。市售的硅胶略带酸性。由于样品被吸附到吸附剂表面上，因此颗粒大小均匀、比表面积大的吸附剂分离效率最佳。比表面积越大，组分在流动相和固定相之间达到平衡就越快，色带就越窄。通常使用的吸附剂颗粒大小以100～150目为宜。

化合物的吸附性和它们的极性成正比，化合物分子含有极性较大的基团时吸附性也较强。氧化铝对各种化合物的吸附性按下列次序递减：酸和碱＞醇、胺、硫醇＞酯、醛、酮＞芳香族化合物＞卤化物、醚＞烯烃＞饱和烃。

（3）洗脱剂。

在柱色谱分离中，洗脱剂的选择也是一个重要的因素。一般洗脱剂的选择是通过薄层色谱实验来确定的。具体方法：先用少量溶解好（或提取出来）的样品，在已制备好的薄层板上点样，用少量展开剂展开，观察各组分点在薄层板上的位置，并计算Rf值。哪种展开剂能将样品中各组分完全分开，即可作为柱色谱的洗脱剂。有时，单纯一种展开剂达不到所要求的分离效果，可考虑选用混合展开剂。

选择洗脱剂的另一个原则是：洗脱剂的极性不能大于样品中各组分的极性。否则会由于洗脱剂在固定相上被吸附，迫使样品一直保留在流动相中。在这种情况下，组分在柱中移动得非常快，很少有机会建立起分离所要达到的化学平衡，影响分离效果。

另外，所选择的洗脱剂必须能够将样品中各组分溶解，但不能同被分离组分竞争与固定相的吸附。如果被分离的样品不溶于洗脱剂，那么各组分可能会牢固地吸附在固定相上，而不随流动相移动或移动很慢。

有时用一种洗脱剂不能将各组分分开，这时可采用混合洗脱剂或分步淋洗的方法进行分离。使用分步淋洗时，应先使用极性小的洗脱剂将最容易脱附的组分分离。然后加入由不同比例的极性溶剂配成的混合洗脱剂将极性大的化合物淋洗下来。常用洗脱剂的极性按如下次序递增：己烷、石油醚＜环己烷＜四氯化碳＜三氯乙烯＜二硫化碳＜甲苯＜苯＜二氯甲烷＜氯仿＜乙醚＜乙酸乙酯＜丙酮＜丙醇＜乙醇＜甲醇＜水＜吡啶＜乙酸。

图2-75　常用的色谱柱

常用的混合洗脱剂的极性按如下次序递增：氯仿＜环己烷－乙酸乙酯（80∶20）＜二氯甲烷－乙醚（60∶40）＜环己烷－乙酸乙酯（20∶80）＜乙醚＜乙醚－甲醇（99∶1）＜乙酸乙酯＜四氢呋喃＜正丙醇＜乙醇＜甲醇。

（4）柱色谱装置。

色谱柱是一根带有下旋塞或无下旋塞的玻璃管，如图2－75所示。一般来说，吸附剂的质量应是待分离物质质量的25～30倍，所用柱的高度和直径比应为10∶1～4∶1。

（5）操作方法。

①装柱。装柱前应先将色谱柱洗干净，进行干燥。在柱底铺一小块脱脂棉，再铺约0．5cm厚的石英砂，然后进行装柱。装柱分为湿法装柱和干法装柱两种，下面分别加以介绍。

a．湿法装柱：将吸附剂（氧化铝或硅胶）用洗脱剂中极性最低的洗脱剂调成糊状，在柱内先加入约3／4柱高的洗脱剂，再将调好的吸附剂边敲打边倒入柱中，同时，打开下旋活塞，在色谱柱下面放一个干净并且干燥的锥形瓶或烧杯，接收洗脱剂。当装入的吸附剂有一定高度时，洗脱剂下流速度变慢，待所用吸附剂全部装完后，用流下来的洗脱剂转移残留的吸附剂，并将柱内壁残留的吸附剂淋洗下来。在此过程中，应不断敲打色谱柱，以使色谱柱填充均匀并没有气泡。柱子填充完后，在吸附剂上端覆盖一层约0．5cm厚的石英砂。覆盖石英砂的目的是：使样品均匀地流入吸附剂表面；当加入洗脱剂时，它可以防止吸附剂表面被破坏。在整个装柱过程中，柱内洗脱剂的高度始终不能低于吸附剂最上端，否则柱内会出现裂痕和气泡。

b．干法装柱：在色谱柱上端放一个干燥的漏斗，将吸附剂倒入漏斗中，使其成为一细流，连续不断地装入柱中，并轻轻敲打色谱柱柱身，使其填充均匀，再加入洗脱剂湿润。也可以先加入3／4的洗脱剂，然后再倒入干的吸附剂。因为硅胶和氧化铝的溶剂化作用易使柱内形成缝隙，所以这两种吸附剂不宜使用干法装柱。

②样品的加入及色谱带的展开。装柱完毕后，当溶剂下降到吸附剂表面时，停止排液，把液体样品加入色谱柱中（如需分离的样品为固体要先溶解，所用的溶剂一般是展开色谱的第一洗脱剂）。样品加完后，打开下旋活塞，使液体样品进入石英砂层后，再加入少量的洗脱剂将壁上的样品洗下来，待这部分液体进入石英砂层后，再加入洗脱剂进行淋洗，直至所有的色带被展开。色谱带的展开过程也就是样品的分离过程。在此过程中应注意以下事项。

洗脱剂应连续平稳地加入，不能中断。样品量少时，可用滴管加入。样品量大时，用滴液漏斗作储存洗脱剂的容器，控制好滴加速度，可得到更好的效果。

在洗脱过程中，应先使用极性最小的洗脱剂淋洗，然后逐渐加大洗脱剂的极性，使洗脱剂的极性在柱中形成梯度，以形成不同的色带环。也可以分步进行淋洗，即将极性小的组分分离出来后，再改变极性，分离出极性较大的组分。

在洗脱过程中，样品在柱内的下移速度不能太快，但是也不能太慢（甚至过夜），因为吸附表面活性较大，时间太长会造成某些成分被破坏，使色谱扩散，影响分离效果。通常流出速度为每分钟5～10滴，若洗脱剂下移速度太慢，可适当加压或用水泵减压。

当色谱带出现拖尾时，可适当提高洗脱剂极性。

③样品中各组分的收集。当样品中各组分带有颜色时，可根据不同的色带用锥形瓶分别进行收集，然后分别将洗脱剂蒸除得到纯组分。但是大多数有机物质是无色的，可采用等分收集的方法，即将收集瓶编好号，根据使用吸附剂的量和样品分离情况来进行收集，一般用50g吸附剂，每份洗脱剂的收集体积约为50mL。如果洗脱剂的极性增加或样品中组分的结构相近时，每份收集量应适当减小。将每份收集液浓缩后，以残留在烧瓶中物质的质量为纵坐标，收集瓶的编号为横坐标绘制曲线图，确定样品中的组分数。还可以在吸附剂中加入磷光体指示剂，用紫外线照射来确定。一般用薄层色谱进行监控是最为有效的方法。

3．纸色谱

纸色谱属于分配色谱的一种。它对样品的分离不是靠滤纸的吸附作用，而是以滤纸为惰性载体，以吸附在滤纸上的水或有机溶剂作为固定相，流动相（展开剂）是被水饱和过的有机溶剂，根据样品各成分在两相溶剂中分配系数的不同而分离的。

纸色谱具有操作简单、分离效能较高、所需仪器设备廉价、应用范围广等特点，因而在有机化学、分析化学、生物化学等方面得到广泛应用，主要用于化合物的分离和鉴定，尤其对亲水性较强的成分如糖、酚、氨基酸的分离应用较多。但其缺点是所需时间较长，因为在展开过程中，溶剂的上升速度随着高度的增加而减慢。纸色谱的操作过程与薄层色谱基本相同，具体操作步骤如下。

（1）选择滤纸。

滤纸应厚薄均匀，全纸平整无折，滤纸纤维松紧适合。将滤纸切成纸条，大小可自行选择，一般约为3cm×15cm，5cm×20cm，5cm×30cm或8cm×50cm。操作时手只允许接触滤纸的顶端。在距滤纸一端1cm处用铅笔画一条终点线，在距滤纸另一端2cm处轻轻画一起点线和点样标记，靠其外缘约1cm再画一条剪纸线［见图2－76（a）］。

图2-76　纸色谱装置

（2）选择流动相。

根据被分离物质的不同选用合适的展开剂。展开剂应对被分离物质有一定的溶解度，溶解度太大，被分离物质会随展开剂跑到前沿；溶解度太小，则被分离物质留在原点附近，使分离效果不好。此外，展开剂的选择不仅与被分离化合物的性质有关，而且也受固定相左右。选择展开剂时应注意下列几点。

对能溶于水的化合物，可直接以吸附在滤纸上的水作固定相（即直接用滤纸），以能与水混溶的有机溶剂（如醇类等）作展开剂。

对难溶于水的极性化合物，应选择非水性极性溶剂作固定相，如N，N－二甲基甲酰胺等，以不能与固定相混溶的非极性化合物作流动相，如环己烷、苯、四氯化碳、氯仿等。

对不溶于水的非极性化合物，应以非极性溶剂如液体石蜡、α－溴萘等作固定相，以极性溶剂如水、含水的乙醇、含水的酸等作流动相。

以上几点只是选择展开剂的一般原则。要选择合适的流动相，还必须查阅有关资料，并通过实验验证。通常使用的流动相不是单一的。

（3）点样、展开、显色及Rf值的计算。

取少量试样，用水或易挥发的有机溶剂（如乙醇、丙酮、乙醚等）将它完全溶解，配制成约1%的溶液。用毛细管吸取少量试样溶液，在滤纸上按点样标记分别点样，控制点样直径在2mm左右，每个样点相距10～20mm。如果溶液太稀，一次点样不够，可以重复几次，但重复点样时，必须待已点样品的溶剂挥发掉，并要点在同一位点的中心上。然后将其晾干或在红外灯下烘干。等样点干燥后，沿图2－76（a）中的EF线剪去下端部分，并沿虚线剪去两斜角。

于层析缸中注入展开剂，将点样后的滤纸（层析纸）悬挂在层析缸中，让展开剂蒸气饱和10min。再将点有试样的一端浸入展开剂液面约0．6cm处，但试样斑点的位置必须在展开剂液面之上，见图2－76（b）。当展开剂到达前沿线时，停止展开，取下滤纸。

如果化合物本身有颜色，就可直接观察到斑点；如果化合物本身无色，可在紫外灯下观察有无荧光斑点，也可在溶剂蒸发后，用合适的显色剂喷雾显色，用铅笔画出斑点的位置。对于未知样品显色剂的选择，可先取样品溶液一滴，点在滤纸上，而后滴加显色剂，观察有无色点产生。

Rf值的计算方法同薄层色谱。

4．凝胶色谱

凝胶色谱又称凝胶层析、排阻层析，是化学和生物化学中一种常用的分离手段。层析所用的凝胶属于惰性载体，不带电荷，吸附力弱，操作条件比较温和，可在相当广的温度范围内进行，不需要有机溶剂，并且对分离成分理化性质的保持有独到之处。凝胶层析对于高分子物质有很好的分离效果，特别是具有不改变样品生物学活性的优点，因此广泛用于蛋白质（包括酶）、核酸、多糖等生物分子的分离纯化，同时还应用于蛋白质相对分子质量的测定、脱盐、样品浓缩等。

（1）凝胶层析的基本原理。

凝胶层析是依据分子大小这一物理性质进行分离纯化的。凝胶层析的固定相是惰性的珠状凝胶颗粒，颗粒的内部具有立体网状结构，形成很多孔穴。当含有不同分子大小的组分样品进入凝胶层析柱后，各个组分就向固定相的孔穴内扩散，扩散程度取决于孔穴的大小和组分分子大小。比孔穴孔径大的分子不能扩散到孔穴内部，完全被排阻在孔外，只能在凝胶颗粒外的空间随流动相向下流动，它们经历的流程短，流动速度快，所以首先流出；较小的分子则可以完全渗透进入凝胶颗粒内部，经历的流程长，流动速度慢，所以最后流出；分子大小介于两者之间的分子在流动中部分渗透，渗透的程度取决于它们分子的大小，所以它们流出的时间介于两者之间，分子越大的组分越先流出，分子越小的组分越后流出。这样样品经过凝胶层析后，各个组分便按分子从大到小的顺序依次流出，从而达到了分离的目的（见图2－77）。

图2-77　凝胶层析分离示意

1—凝胶颗粒；2—小分子；3—中等分子；4—大分子

层析用的凝胶一般都呈球形。凝胶柱的分辨率和流速与凝胶颗粒的大小有关。颗粒大，流速快，但分离效果差；颗粒小，分离效果较好，但流速慢。一般比较常用的颗粒大小是100～200目。

凝胶的种类很多，常用的凝胶主要有葡聚糖凝胶（dextran）、聚丙烯酰胺凝胶（polyacrylamide）、琼脂糖凝胶（agarose）以及聚丙烯酰胺和琼脂糖之间的交联物。另外，还有多孔玻璃珠、多孔硅胶、聚苯乙烯凝胶等。

①葡聚糖凝胶。葡聚糖凝胶是指由天然高分子——葡聚糖与其他交联剂交联而成的凝胶，商品名分别为Sephadex和Sephacryl。

Sephadex的亲水性很好，在水中极易膨胀，不同型号的Sephadex吸水率不同，它们的孔穴大小和分离范围也不同。序号中数字越大的，排阻极限越大，分离范围也越广。

Sephadex在水溶液、盐溶液、碱溶液、弱酸溶液以及有机溶液中都比较稳定，可以多次重复使用。Sephadex稳定工作的pH值一般为2～10。强酸溶液和氧化剂会使交联的糖苷键水解断裂，所以要避免Sephadex与强酸和氧化剂接触。Sephadex在高温下稳定，可以煮沸消毒，在100℃下煮沸40min对凝胶的结构和性能都没有明显的影响。Sephadex适用于以有机溶剂为流动相，分离脂溶性物质，如胆固醇、脂肪酸、激素等。

Sephacryl的分离范围很广，排阻极限可以达到108，远远大于Sephadex的范围，所以它不仅可以用于分离一般的蛋白，也可以用于分离蛋白多糖、质粒，甚至较大的病毒颗粒。Sephacryl与Sephadex相比，另一个优点就是它的化学和机械稳定性更高。Sephacryl耐高温，在各种溶剂中很少发生溶解或降解，可以用各种去污剂、胍、脲作为洗脱液，其稳定工作的pH值一般为3～11。另外，Sephacryl的机械性能较好，可以以较高的流速洗脱，比较耐压，分辨率也较高。所以Sephacryl相比Sephadex可以实现相对比较快速而且较高分辨率的分离。

②聚丙烯酰胺凝胶。聚丙烯酰胺凝胶商品名为Bio－Gel P，其分离范围、吸水率等性能基本近似于Sephadex。聚丙烯酰胺凝胶在水溶液、一般的有机溶液、盐溶液和酸中的稳定性较好，在pH值为1～10时也比较稳定，但在较强的碱性条件下或较高的温度下，易发生分解。聚丙烯酰胺凝胶非常亲水，基本不带电荷，所以吸附效应较小。另外，聚丙烯酰胺凝胶不像葡聚糖凝胶和琼脂糖凝胶那样容易生长微生物。聚丙烯酰胺凝胶对芳香族、酸性及碱性化合物略有吸附作用，使用离子强度略高的洗脱液就可以避免。

③琼脂糖凝胶。琼脂糖是从琼脂中分离出来的天然线性多糖，由D－半乳糖（D－galactose）和3，6－脱水半乳糖（anhydrogalactose）交替构成的多糖链。它在100℃时呈液态，当温度降至45℃以下时，多糖链以氢键方式相互连接形成双链单环的琼脂糖，经凝聚即成为束状的琼脂糖凝胶。琼脂糖凝胶在pH值为4～9和室温下稳定性要超过一般的葡聚糖凝胶和聚丙烯酰胺凝胶，另外，其机械强度和孔穴的稳定性好于前两种凝胶。琼脂糖凝胶对样品的吸附作用很小，洗脱时速度可以比较快。琼脂糖凝胶的排阻极限大，分离范围广，适合分离大分子物质，但分辨率较低。琼脂糖凝胶不耐高温，使用温度以0～30℃为宜。

（2）凝胶层析操作。

①凝胶的用量和层析柱选择。选择好凝胶的类型后，要根据选择的层析柱估算出凝胶的用量。由于市售的葡聚糖凝胶和丙烯酰胺凝胶通常是无水的干胶，所以要计算干胶用量：

干胶用量＝柱床体积／凝胶的床体积

由于凝胶处理过程以及实验过程可能有一定损失，所以一般凝胶用量在计算的基础上再增加10%～20%。

层析柱大小主要是根据样品量的多少以及对分辨率的要求来进行选择的。一般来讲，层析柱的长度对分辨率影响较大，长的层析柱分辨率要比短的高；但层析柱长度过长，会引起柱子不均一、流速过慢等，给实验操作带来一些困难。一般柱长度不超过100cm，为得到高分辨率，可以将柱子串联使用。层析柱的直径和长度比一般在（1∶100）～（1∶25）之间。用于分组分离的凝胶柱，如脱盐柱对分辨率要求较低，所以一般比较短。

②凝胶柱的制备。凝胶型号选定后，将干胶颗粒悬浮于5～10倍量的蒸馏水或洗脱液中充分溶胀，之后将极细的小颗粒倾泻出去。若自然溶胀费时较长，可加热使溶胀加速，即在沸水浴中将湿凝胶浆逐渐升温至近沸，1～2h即可达到凝胶的充分溶胀。加热法既可节省时间又可消毒。

凝胶的装填：将层析柱与地面垂直地固定在架子上，下端流出口用夹子夹紧，柱顶安装一个带有搅拌装置的较大容器，柱内充满洗脱液，将凝胶调成较稀薄的浆液盛于柱顶的容器中，然后在微微地搅拌下使凝胶下沉于柱内，凝胶粒水平上升，到达所需高度后，拆除柱顶装置，用相应的滤纸片轻轻盖在凝胶床表面。稍放置一段时间，再开始流动平衡，流速应低于层析时所需的流速。在平衡过程中逐渐增大层析的流速，千万不能超过最终流速。平衡凝胶床过夜，使用前要检查层析床是否均匀，有无“纹路”或气泡，或加一些有色物质来观察色带的移动，如果带狭窄、均匀平整，说明层析柱的性能良好，若出现歪曲、散乱、变宽，则必须重新装柱。

③加样和洗脱。凝胶床经过平衡后，在床顶部留下数毫升洗脱液，使凝胶床饱和，再用滴管加入样品。一般样品体积应不大于凝胶总床体积的5%～10%。样品浓度与分配系数无关，故样品浓度可以提高。但对于相对分子质量较大的物质，溶液的黏度将随浓度增加而增大，从而使分子运动受限。样品加入后打开流出口，使样品渗入凝胶床内，当样品液面恰与凝胶床表面相平时，再加入数毫升洗脱液冲洗管壁，使其全部进入凝胶床后，将层析床与洗脱液储瓶及收集器相连，预先设计好流速，然后分步收集洗脱液，并对每一份洗脱液做定性、定量测定。

④凝胶柱的使用、凝胶的回收与保存。凝胶柱一次装柱后可以反复使用，不必特殊处理，并且不影响分离效果。为了防止凝胶染菌，可在一次层析后加入0．02%的叠氮钠，在下次层析前应将抑菌剂除去，以免干扰洗脱液的测定。

凝胶不再使用时可将其回收，一般方法是将凝胶用水冲洗干净并滤干，依次用70%、90%、95%乙醇脱水平衡至乙醇浓度达90%以上，滤干，再用乙醚洗去乙醇、滤干、干燥保存。湿态保存方法是在凝胶浆中加入抑菌剂或用水冲洗至中性，密封后高压灭菌保存。

（3）凝胶层析的应用。

①脱盐。高分子（如蛋白质、核酸、多糖等）溶液中的低相对分子质量杂质，可以用凝胶层析法除去，这一操作称为脱盐。凝胶层析脱盐操作简便、快速，蛋白质和酶类等在脱盐过程中不易变性。适用的凝胶为Sephadex G－10、15、25或Bio－GelP－2、4、6，柱长与直径之比为5～15，样品体积可达柱床体积的25%～30%。为了防止蛋白质脱盐后溶解度降低形成沉淀吸附于柱上，一般用乙酸铵等挥发性盐类缓冲溶液使层析柱平衡，然后加入样品，再用同样的缓冲溶液洗脱，收集的洗脱液用冷冻干燥法除去挥发性盐类。

②分离提纯。凝胶层析是依据相对分子质量不同来进行分离的。尤其是对于一些大小不同但物理化学性质相似的分子，用其他方法较难分开的情况下，这一分离特性使它成为分离纯化生物大分子的一种重要手段。目前，凝胶层析法已广泛用于酶、蛋白质、氨基酸、多糖、激素、生物碱等物质的分离提纯。

③测定高分子物质的相对分子质量。将一系列已知相对分子质量的标准品放入同一凝胶柱内，在同一条件下层析，记录每分钟成分的洗脱体积，并以洗脱体积对相对分子质量的对数作图，在一定相对分子质量范围内可得一直线，即相对分子质量的标准曲线。测定未知物质的相对分子质量时，可将此样品加在测定了标准曲线的凝胶柱内洗脱后，根据物质的洗脱体积，在标准曲线上查出它的相对分子质量。

5．气相色谱

气相色谱简称GC，它目前发展极为迅速，已成为许多工业部门（如石油、化工、环保等部门）必不可少的工具。气相色谱主要用于分离和鉴定气体及挥发性较强的液体混合物，对于沸点高、难挥发的物质可用高效液相色谱进行分离鉴定。

气相色谱按固定相的物态不同可分为气－固色谱法（固定相为固体吸附剂）和气－液色谱法（固定相为涂在载体上或毛细管壁上的液体）。前者属于吸附色谱，后者属于分配色谱。本节主要介绍气－液色谱。

（1）原理。

气相色谱中的气－液色谱法属于分配色谱，其原理与纸色谱类似，都是利用混合物中各组分在固定相与流动相之间分配情况不同，从而达到分离的目的。所不同的是气－液色谱中的流动相是载气，固定相是吸附在载体上的液体。载体是一种具有热稳定性和惰性的材料，常用的载体有硅藻土、聚四氟乙烯等，载体本身没有吸附能力，对分离不起什么作用，只是用来支撑固定相，使其停留在柱内。分离时，先将含有固定相的载体装入色谱柱中。色谱柱通常是一根弯或螺旋状的不锈钢管，内径约为3mm，长度由1m到10m不等。当配成一定浓度的溶液样品，用微量注射器注入汽化室后，样品在汽化室中受热迅速汽化，随载气（流动相，仅用于载送试样的惰性气体，如氢、氮、氦等）进入色谱柱中，由于样品中各个组分的极性和挥发性不同，汽化后的样品在柱中固定相和流动相之间不断地发生分配平衡，分离过程如图2－78所示。从图中可以看出，挥发性较高的组分由于在流动相中溶解度大，因此随流动相迁移快，而挥发性较低的组分在固定相中的溶解度大于在流动相中的溶解度，而随流动相迁移慢。这样，易挥发的组分先随流动相流出色谱柱，进入检测器鉴定，而难挥发的组分随流动相移动得慢，后进入检测器，从而达到分离的目的。

图2-78　样品在气相色谱中的分离过程

（2）气相色谱仪。

气相色谱仪的流程包括：载气系统、进样系统、色谱柱分离系统、检测系统和数据处理及记录系统等五部分（见图2－79）。

图2-79　气相色谱流程图

1—高压钢瓶；2—减压阀；3—载气净化干燥管；4—针形阀；5—流量计；
6—压力表；7—进样汽化器；8—色谱柱；9—检测器；10—记录仪

气相色谱仪的型号有许多种，现以GC112A型为例介绍其主要部件。

①载气系统。

a．气源。气源为气相色谱提供洁净、稳定的连续气流。GC112A型气相色谱仪的气路由载气（氮气）、氢气和空气三种气路组成。后两种气路供氢火焰离子化检测器使用。气体由高压钢瓶提供，其压力为（10～15）×103 kPa。充灌不同气体的钢瓶涂有不同颜色的色带作为标记，以防意外事故的发生。

b．载气净化干燥管。气相色谱仪所用的氮气纯度不应低于99．99%，氢气纯度不应低于99．9%，空气中不应含有水、油和污染性气体。所以三种气体在进入色谱仪前必须经过净化器处理。GC112A型气相色谱仪的净化器由净化管和开关阀组成，连在气源和仪器之间。净化管中装有硅胶和5A分子筛，可吸附水分和其他有害气体。使用一段时间后，硅胶和分子筛应取出，并分别在105℃和400℃下烘烤2～3h，冷却后再继续使用。

c．针形阀、稳流阀和稳压阀。气相色谱分析要求载气流速稳定，其压力变化应小于1%，为此使用针形阀、稳流阀和稳压阀。GC112A型气相色谱仪采用机械刻度式稳流阀和针形阀来调节三种气体的流量。当上游稳压阀提供稳定的输入气压时，稳流阀上的每一个刻度与所代表的流量呈标准曲线关系。具体流量可从相应的刻度－流量曲线表查得（注意流量与气体种类有关）。刻度－流量曲线的精度约为0．5%，高于通常的转子流量计，所以该仪器省去了转子流量计。

②进样系统。GC112A型气相色谱仪的进样器结构如图2－80所示。气相色谱分析要求液体试样瞬间汽化，因此需通过控制汽化温度使进样器的加热金属块具有足够的热容量。汽化管内径细，总容积小，气体样品进样后，随同载气直接进入色谱柱。

图2-80　GC112A型气相色谱仪进样器

1—散热器；2—密封硅橡胶垫；
3—汽化管；4—色谱柱；5—柱接头

③色谱柱分离系统。色谱柱是色谱仪的重要部件之一。色谱柱的分离效能涉及固定液和载体的选择、固定液和载体的配比、固定液的涂渍状况和固定相的填充状况等许多因素。应根据具体分析要求，选择合适的固定相装填于色谱柱中。色谱柱管的材质有不锈钢、玻璃等。其长度一般为1～6m，内径为2～6mm。

④检测器。检测器是气相色谱仪中的另一个重要部件，最常用的有热导检测器（TCD）和氢火焰离子化检测器（FID），下面分别作一介绍。

a．热导检测器。利用各种物质具有不同的热传导性质，它们在热敏元件上传热过程的差异可产生电信号。在一定的组分浓度范围内，电信号的大小与组分的浓度呈线性关系，因此热导检测器是浓度型检测器。该检测器有两臂和四臂两种，池体一般采用不锈钢材料，在池体上有孔径相同的呈平行对称的两孔道或四孔道。将阻值相等的铼钨丝或其他金属丝热敏元件装入孔道，分别作参比臂和测量臂，构成两臂或四臂的热导检测器。后者比前者的灵敏度高一倍。两臂热导检测器是将两根材料相同、长度一样且电阻值相等的热敏电阻丝作为惠斯通（Wheatstone）电桥的两臂，利用含有样品气的载气与纯载气热导率的不同，引起热敏丝的电阻值发生变化，使电桥电路不平衡，产生信号。这些信号通过衰减器在记录仪上产生相应组分的色谱峰。热导检测器结构简单，稳定性比较好，而且对所有物质都有响应，因此应用比较广泛。

b．氢火焰离子化检测器。氢火焰离子化检测器简称氢火焰离子化检测器，是另一种常用的检测器。它对含碳有机化合物有很高的灵敏度，一般比热导检测器的灵敏度高几个数量级，但它对某些物质，如H2O、CO2、CCl4等几乎没有响应。氢火焰离子化检测器的稳定性好，对载气流速波动、检测器温度变化等不敏感，而且它有较宽的线性范围，在106以上。同时它还具有结构简单、响应快、死体积小等优点，是一种较为理想的检测器。

在氢气和空气燃烧形成的火焰里，只有极少数的离子生成，如果在火焰之间安一对电极并加一定电压，就可以收集到10～12A的微电流。若向燃烧的火焰中引入少量的有机物，由于有机物的电离，产生较多离子，此电流将急剧增加，增大的电流与引入有机物的速率成正比。因此，检测增大的电流就可以对引入的有机物进行检测和定量，这就是氢火焰离子化检测器的基本原理。关于有机物在氢火焰离子化检测器中的离子化机理，至今还不十分清楚。目前，被普遍接受的是化学电离的机理，即认为有机物在火焰中发生自由基反应而被电离。

GC112A型气相色谱仪的氢火焰离子化检测器结构如图2－81所示，其主要部件是火焰喷嘴、发射极（或称极化极）和收集极。

图2-81　GC112A型气相色谱仪的氢火焰离子化检测器

⑤温度控制系统。除气态试样可在室温下直接进行气相色谱分析外，在所有液态试样的色谱分析中，对色谱柱、检测器、进样器以及程序升温等的温度都必须严格进行控制，因为这将直接影响到色谱柱的选择性和分离效率，检测器的灵敏度和稳定性，关系到实验的成败。因此每一台色谱仪中都有一套温度控制系统。

（3）气相色谱仪的操作步骤。

以GC112A型气相色谱仪为例，介绍仪器的操作步骤。该仪器是国产通用型气相色谱仪，仪器配有双氢火焰离子化检测器，具有双气路、双进样器系统，可进行填充柱或毛细管柱分析。图2－82是该仪器的原理框图和外形图。

GC112A型气相色谱仪操作步骤如下。

①开机前确认以下部位正常：

a．载气（氮气）、氢气及空气的外气路无漏气；

b．所使用的色谱柱已经安装好；

c．FID检测器连接为双检测器方式。

图2-82　GC112A型气相色谱仪的原理框图

②打开载气（氮气）气源，调节低压阀螺杆至低压表指示500kPa。调节气路面板上的两个载气稳流阀，将A、B两路载气流量调到合适值。

③打开主机电源，在仪器面板上设定柱箱、进样器和检测器的温度。设定方法如下：

a．按【柱箱】→按【初始温度】→按数字键（所设的温度值）→按【键入】；

b．按【进样器】→按数字键（所设的进样温度值）→按【键入】；

c．按【换挡】→按【检测器】→按数字键（所设的FID检测器温度值）→按【键入】；

d．按【起始】，柱箱、进样器和检测器开始升温。当三者均达到设定值时，面板上的（准备）灯亮。

④在放大器面板上设定FID放大器状态。步骤如下：

a．按【量程】→按数字“2”（量程为108）（数字“0”代表量程1010；数字“1”代表量程为109）；

b．按【极性】→按数字“1”（输出设定为“＋”）（按数字“2”表示输出设定为“－”）。

⑤待进样器、检测器和柱箱温度达到设定值后，打开空气、氢气气源，使空气低压阀指示约500kPa，氢气低压阀指示约300kPa，并在仪器顶部的气路面板上调节两组针形阀旋钮，使A、B两路空气和氢气流量适当。

⑥打开计算机，进入PJ－2000色谱工作站的采样窗口，调节至基线监视状态。

⑦在FID放大器面板上分别按两个点火按钮（FIDA和FIDB），点火（按住几秒钟后放开）。检查点火是否成功，检查的方法有两种：一是观察点火时色谱工作站的采样窗口中基线是否出现一个向上或向下的大的抖动；二是用一个表面皿放在离子室的“放空口”，若表面皿上有水蒸气凝结，说明火已点燃。

⑧从PJ－2000色谱工作站“样品采集”窗口观察基线是否漂移。待基线平稳后即可进样分析。

⑨实验完毕后，首先关闭氢气和空气旋钮，待灭火后，在仪器面板上设定柱箱、进样器和检测器温度均为50℃。当温度下降到50℃后，依次关主机电源、气源等。

（4）进样操作要点。

①进样时要求注射器垂直于进样口。左手扶着针头，以防针头弯曲。右手拿注射器，食指卡在注射器芯子和注射器管的交界处，这样可避免当针插到气路中由于载气压力较高把芯子顶出，影响正常进样。

②注射器取样时，应先用被测试液洗涤5～6次，然后缓慢抽取一定量试液。若有空气带入注射器，可将针头向上，待空气排除后，再排除多余的试液便可进样。实验完成后，应及时用乙醚或丙酮清洗注射器多次，以免注射器堵塞。

③进样时要求操作稳当、连贯、迅速，进样针位置及速度、针尖停留和拔出速度都会影响进样重现性。一般进样相对误差为2%～5%。

④要经常注意更换进样器上的硅橡胶密封垫片，该垫片经10～20次穿刺进样后，气密性降低，容易漏气。

（5）气相色谱分析。

图2－83为三组分混合物的气相色谱图。当每一组分从柱中洗脱出来时，在色谱图上出现一个峰，当空气随试样被注射进去后，由于空气挥发性很高，它和载气一样，最先通过色谱柱，故第一个峰是空气峰。从试样注入到一个信号峰的最大值时所经过的时间称为某一组分的保留时间，例如，图中A组分的保留时间用tr（A）表示为3．6min，在色谱条件相同的情况下，一个化合物的保留时间是一个常数，无论这个化合物是以纯的组分或以混合物进样，这个值不变。为了比较保留时间，测量时必须使用同一色谱柱，进样系统以及柱系统有相同的温度，并且载气和流速等条件完全相同。气相色谱可用于定性分析及定量分析。

图2-83　三组分混合物的气相色谱图

①定性分析。比较未知物与已知物的保留时间，可以鉴定未知物。若在相同的色谱条件下，未知物与已知物的保留时间相同，可以认为两者相同，但不能绝对地认为两者相同，因为许多有机化合物具有相同的沸点，许多不同的有机化合物在特定的色谱条件下可能会有相同的保留时间。为了准确地鉴定未知物，必须保证在几种极性不同的固定液柱中未知物与已知物都有相同的保留时间。如果未知物和已知物在相同的色谱条件下，在任意一种柱上保留时间不同（±3%），那么这两个化合物不相同。

另一种定性鉴定的方法称为峰（面积）增高（大）法，即把怀疑的某纯化合物掺进混合物，与未掺进前的色谱进行比较，看峰的高度（面积）有无变化，若某一个峰增高（面积增大），那么可以确定两者相同。

当各个组分从气相色谱仪出口分离出来时，用冷的捕集器可以分别接收，以便进行进一步的分析鉴定。

②定量分析。气相色谱用于定量分析少量挥发性混合物的根据是：被分析组分的质量（或浓度）与色谱峰面积成正比，通过测量相应的峰面积，可以确定混合物组成的相对量。

最简单的测量峰面积的方法是三角形峰面积的近似值法，即用峰高H乘以半峰高W1／2，得峰面积A（见图2－84）。

图2-84　峰面积计算

A＝HW1／2

这个方法快速，并能给出较准确的结果（要求峰形是对称的）。如果峰宽狭窄到以至不能准确测量的话，可以使用一个较快的记录速率，使狭峰变为较宽的峰。

相对峰面积的测量，也可以采用把峰剪下来，在分析天平上称其质量。好的定量记录纸每单位面积的质量相同，被剪下峰的质量正比于峰的相对面积。这个方法准确度高，特别适用于不对称峰面积的测量。

还有一种测量峰面积的方法称为峰高定量法，即用峰的高度代替峰面积，这种方法快速，但准确度稍差。

峰面积确定后，混合物中各个组分的质量分数可用每一组分的面积除以总的峰面积乘以100%，即

式中：Ai为任一组分峰面积；A1，A2，…，An为各组分峰面积；wi为任一组分的质量分数。

定量分析还可以采用定量校正因子法，具体内容请参看相关书籍。

2.2.6　离子交换分离法

离子交换分离法主要用于溶液中离子的分离与富集，它利用离子交换剂与溶液中离子间发生交换反应来实现离子的分离，该法不但可分离异性离子，也可以分离同性且性质相近的离子混合物。元素的提取、有机物的纯化精制及水的净化中都用到这种分离技术。

1．离子交换剂及其分离性能

许多物质如无机氧化物、难溶盐、天然与人工合成泡沸石以及具有活性功能的有机聚合物都具有一种离子与另一种离子发生交换的能力。实验室典型的无机材料离子交换剂是采取把交换活性基团通过化学方法键合在硅胶的—OH上的；典型的有机离子交换剂是离子交换树脂，它是通过化学方法在聚苯乙烯、酚醛、聚甲基丙烯酸等聚合物的网状骨架结构上键合上具有交换作用的官能基，这些聚合物有的呈凝胶态，有的呈大孔态固相，它们不溶于水、酸、碱和大多数有机溶剂，与弱氧化剂或还原剂不发生作用，仅是键合的活性官能基与外界离子发生交换反应。离子交换剂的交换容量是指每克树脂可交换的离子的物质的量（mmol）。

常用离子交换树脂根据其活性官能基的性质及化学活性可分为阳离子交换树脂、阴离子交换树脂、两性离子交换树脂和特殊性能离子交换树脂等，详见表2－8。

表2-8　离子交换树脂分类

离子交换剂对离子的交换亲和力一般随离子电荷的增大、水合离子的半径变小、极化度的增大而增大。如强酸性阳离子交换树脂对阳离子亲和序为：

一价阳离子 Li＋＜H＋＜Na＋＜NH4＋＜K＋＜Rb＋＜Cs＋＜Tl＋＜Ag＋

二价阳离子 Mg2＋＜Zn2＋＜Co2＋＜Cu2＋＜Ni 2＋＜Ca2＋＜Cr2＋＜Pb2＋＜Ba2＋

强碱性阴离子交换树脂对阴离子的亲和序为：

显然，若将离子混合物注入离子交换柱中，在流动条件下交换时，亲和力强的离子必然不断与亲和力弱的离子竞争交换，置换取代弱亲和力离子的位置并造成不同的迁移速度，在交换柱的上下形成按亲和力大小排布的被交换离子分层排布的梯度，这就是离子交换法分离离子的依据。

当然也可以利用高浓度的弱亲和力离子逆向取代被交换于树脂上的高亲和力离子，这正是利用了离子交换反应的可逆特性，即交换反应条件改变时，交换的方向可以被改变。通过改变条件，被交换上的离子又能据其亲和力从小到大而被依次洗脱下来，达到最后的分离。这也是离子交换剂可再生、反复使用的原因所在。

螯合性离子交换树脂对离子的交换作用则是由于其活性基团具有配位螯合物阳离子的作用，使离子形成螯合物被分离。但螯合物稳定性一般随pH值变化而改变，通过改变洗脱剂pH值，可使螯合物解离而被洗出。

2．离子交换分离的操作

离子交换分离一般采用流动法，其操作方法与吸附色谱柱分离法基本相同。待分离混合液由柱上口缓缓加入进行交换反应，再用同酸度溶剂洗涤未交换离子，最后加洗脱剂洗脱分离出交换离子。洗脱实际上是交换的逆过程。

操作中值得注意的是离子交换剂的选择。一般来说，若分离物质是金属离子或有机碱类，可选用阳离子交换剂。若为无机阴离子或有机酸类，则选用阴离子交换剂。有时对金属离子可先与配位剂形成带负电荷的配合物离子，再选用阴离子交换剂实施分离。

3．洗脱剂及洗脱的方法和原理

被交换于树脂上的离子的分别洗脱分离是离子交换分离法中的重要步骤。常用的洗脱分离方法有以下几种。

（1）利用亲和力的差异分离。

由于被交换结合的各种离子与交换剂的亲和力不同，当采用洗脱剂洗脱时，亲和力小的离子先被分离出来。但随着洗脱剂浓度的不断增大，使离子根据与交换剂亲和力的大小由小到大依次被洗脱分离。如采用二价乙二胺阳离子为洗脱剂分离二价和三价金属离子时，在0．1mol·L－1浓度下，二价离子依次洗脱分离，在0．5mol·L－1浓度下，三价离子依次洗脱。

（2）改变洗脱剂酸度的洗脱分离。

改变酸度实际上对阴、阳离子交换剂来说就是通过改变洗脱剂的H＋或OH－的浓度，使被交换结合离子逆向交换脱出，达到分离离子的目的。对螯合性或氧化还原性交换剂，则是利用pH值的改变，使原交换反应产物稳定性下降，分解洗脱出待分离的离子。例如，α－羟肟螯合树脂可在pH＝3．5的乙酸盐溶液中交换螯合溶液的铜（Ⅱ）离子，当采用0．1mol·L－1乙酸洗脱时，可使螯合物分解，分离出铜（Ⅱ）离子。

（3）利用配位剂洗脱分离。

许多有机酸和无机酸对金属离子有选择性配位作用，可形成不同稳定性的配合物离子，当其稳定性大于被交换结合的离子稳定性时，就可利用配位剂作洗脱剂从交换剂上洗脱并夺取已被交换结合的离子，一般能与配位剂形成最稳定配合物的离子优先被洗脱下来。如利用0．1～0．6mol·L－1 HBr的配位作用，可依次洗脱出汞（Ⅱ）、铋（Ⅱ）、锌（Ⅱ）和铜（Ⅱ）离子，形成它们与溴的配合物，其他阳离子则仍留在交换柱上。具有配合作用的无机酸有HF、HCl、HBr、HI、HSCN及H2SO4，有机酸则大多具有配合作用。

（4）利用有机溶剂增强洗脱分离能力。

与水溶液相比，有机溶剂可大大提高金属离子与配位剂形成的配合物的稳定性，有利于实施离子的有效分离。如在稀盐酸洗脱时，逐步加入丙酮（从40%到95%），可在阳离子交换柱中依次分离出锌（Ⅱ）、铁（Ⅱ）、钴（Ⅱ）、铜（Ⅱ）和锰（Ⅱ）离子，这是因为在有机溶剂中金属阳离子与无机阴离子形成配合物比在水中要容易且稳定得多。

2.2.7　膜分离技术

膜是很薄的一层物质，这层物质可以是固态或者液态。膜分离是利用天然或人工合成的固态薄膜来实施混合溶液或混合气体中所需的物质分子或离子的有效分离的。这种膜材料由于其组成和结构上的特殊性，使它们具有规律的微孔结构，或具有电性，或具有某些独特的物理、化学活性，可选择性地分离液相或气相混合物中存在的某些物质。如天然膜、动物膜（膀胱）的渗透现象，海带在海水中富集碘的作用，这些都是由于膜的功能性选择分离作用，因此，也称这种膜为功能性分离膜。用于实际分离的膜一般有固膜和液膜两类。

1．固膜分离法

（1）固膜的组成与分类。

常见的固膜分离根据膜性质及膜孔隙大小分为离子交换膜（IEM）、离子膜（IM）、渗透膜（DM）、反渗透膜（ROM）、超滤膜（UFM）、微孔过滤膜（MFM）、功能性无孔质膜（FSM）等。

其中功能性无孔质膜是由高分子材料制成的，常用于1×10－7 cm以下微小粒子的分离。它与前几种固膜不同的是膜中没有结构造成的孔隙，它的分离机理是利用该高分子链间小于1×10－7 cm的无规间隙。当被分离的低分子物质置于膜中时，借助分离物质形成的浓度梯度在其中扩散移动，在达到膜的另一侧时，借助外场作用脱离出来。这种膜由于高分子化学结构不同、所连接功能基不同，导致待分离物质分子在其中扩散性能也不同，故此膜可进行有选择性的精细分离。

固膜分离发展到今天，已是一种较成熟的分离技术。其中离子交换膜和空心纤维已大量应用于工业分离。

（2）固膜分离的机理。

固膜的组成基本上都是经过交联的有机高分子化合物，这种膜的分离作用主要是基于膜物质结构形成的分子间隙或孔径，可筛分大小不同的分子或离子；有的则是基于膜的电荷性，靠静电作用选择性地分离透过不同电性的离子；也有的是基于膜的离子交换作用来实现物质的分离。

2．液膜分离法

液膜分离是利用成膜溶剂在两个组成不同且相互溶解的溶液之间形成一层与两溶液不相溶的液膜（见图2－85）来实现膜两侧溶液中物质的渗透分离的。由于液膜极薄，又具有液体的流动性，因此液膜对分离物质有极高的迁移流通量，这是一般固膜所无法比拟的。

图2-85　液膜结构示意图

（1）液膜的组成与分类。

液膜组成中膜溶剂占90%以上，这是成膜的基本物质，具有一定黏度，能保证成膜具有较高机械强度，不易破裂。其次膜中表面活性剂量占总量的1%～5%，利用其亲水基、疏水基在膜两侧表面的定向排列来稳定液膜形状，固定界面。由上述两种物质组成的膜称为非流动载体液膜。另一类液膜的组成除上述两物质外，还在膜中引入适量的可溶于液膜的流动载体（占膜总量的1%～5%）。所谓流动载体是指能溶解于膜中并对欲分离物在膜中的溶解能起到增溶作用的物质，或可与欲分离物发生配位、离子交换反应，生成可溶于膜相的化合物的物质。总之，它的存在可促进欲分离物在膜内的迁移输送，这类膜称为流动载体液膜。

（2）液膜分离的机理。

处于分离液中的液膜，由于周边环境的不同，可能发生如图2－86所示的物理化学过程。

图2-86　液膜分离机理

①选择性渗透是利用A在液膜内外的浓度梯度以及膜溶剂对A的可溶解性，使A由外相迁移渗透至内腔相［见图2－86（a）］。

②液内化学反应是利用内腔相存在的R试剂与A反应生成不溶于膜的P，使外相的A无限制渗透至内腔相，形成A的逆浓度梯度渗透，促进了分离的效果［见图2－86（b）］。

③膜相化学反应是利用膜中的流动载体R1与不溶于膜溶剂的A在相界面发生化学反应，生成溶于膜的P1，促进A在膜相中的溶解，再利用膜内腔相存在的R2试剂与P1在内相界面发生交换反应、酸碱反应、配合反应或同离子效应等，使A及其他化合物形成P2转移至内膜相，同时再生出的R1回到膜中，保证了膜中流动载体R1的有效浓度。整个过程实际上促进了A不断迁移到内腔相，这里R2与P1间的反应其实是促进A与R1反应的动力源，起到代谢泵的作用［见图2－86（c）］。

④利用分离物A在液相和膜相中溶解度不同，使A部分萃取至膜相中［见图2－86（d）］。

⑤利用液膜界面的表面自由能，使物质D吸附在膜表面层［见图2－86（d）］。

对于非流动载体液膜，其分离机理符合①和②。其中②可促进分离物逆浓度梯度分离。在分离水中的微量酚时（见图2－87），所用有机液膜可萃取水中的酚。若液膜泡内腔相含氢氧化钠，则钠离子可与移向内腔的酚反应，生成不溶于液膜的苯酚钠，防止了内腔酚的反向渗透，降低了酚在内腔相的浓度。这种现象的发生进一步促使外相中的酚向膜内迁移，直至外相中酚被彻底分离清除。

图2-87　液膜脱酚机理

（3）液膜分离的实验操作。

实验室液膜分离所用的液膜有隔膜形和球形两种。

①隔膜液膜。它多在多孔薄层固体表面靠吸附、涂覆或用膜溶剂溶胀高分子膜，通过膜溶剂控制其分离渗透性能来实现。

也有的用如图2－88（a）、图2－88（b）所示的液层形式形成无支撑液膜。

②球形液膜。球形液膜分单滴形和乳状液形两种，见图2－88（c）、图2－88（d）。乳状液较常用，其液滴小、表面积大、稳定，故物质渗透快、分离效率高，且便于操作。

乳状液液膜分离工序如图2－89所示。其中制膜液、混合、沉降分离和破乳是操作中的关键环节。

图2-88　液膜结构

A—含杂质溶液；B—待分离溶液；C—液膜；
δ—膜厚度；Ro—乳状液膜珠粒外径；
ri—乳状液膜珠粒内径

图2-89　乳状液膜分离工序

2.3　谱学分析技术

近年来，国内外有机化学实验中已广泛使用现代分析仪器测定有机化合物的结构。鉴定有机化合物结构最常用的波谱方法有：红外光谱（infrared spectroscopy，IR）、核磁共振（nuclear magnetic resonance，NMR）、紫外光谱（ultraviolet spectrophotometry，UV）、质谱（MS）和X衍射（X－ray）等。除质谱外，这些波谱方法都是利用不同波长的电磁波与物质分子的相互作用而建立起来的测定方法。波谱法具有微量、快速及不破坏被测样品的结构等优点，它的出现促进了复杂有机化合物的研究和有机化学的发展。

2.3.1　紫外及可见吸收光谱

1．紫外及可见吸收光谱的原理

紫外及可见吸收光谱又称电子光谱，因为紫外光和可见光的能量大致与分子内部的价电子能级差相当，用紫外或可见光照射分子时，能引起价电子的能级跃迁。

在普通有机分子中有三种不同性质的价电子：形成单键的σ电子，形成双键、三键的π电子以及未成键的n电子。通常情况下，成键电子（σ或π电子）处于基态（即在成键轨道σ或π上），当分子吸收了紫外或可见光的能量后，它们就跃迁到相应较高能级的反键轨道（σ＊或π＊）上，处于非键轨道上的n电子也能跃迁到反键轨道上。跃迁主要有四种方式：σ→σ＊，π→π＊，n→σ＊，n→π＊。其中σ和σ＊之间的能级差最大，即σ→σ＊跃迁所需要的能量最大，用于激发的电磁波波长最短；n→π＊跃迁所需的能量最小，用于激发的电磁波波长最长。共轭双键中的π→π＊跃迁所需的能量低于孤立双键π→π＊，共轭体系越大，π→π＊跃迁所需能量越低，吸收波长越长。图2－90给出了几种电子跃迁所需要的电磁波波长区域。由于一般用于检测有机物紫外及可见光谱的商品仪器检测范围大致在190～800nm，所以实际上只能检测n→π＊，共轭的π→π＊以及部分n→σ＊跃迁的信号。

图2-90　几种电子跃迁的位置

由此可见，只有分子中含有下述基团的化合物才能检测到紫外或可见光谱：①双键上有杂原子的基团，如C═ O、C═ N、C═ S、NO2等，这些基团都能发生n→π＊跃迁；②共轭双键（或三键），如C═ C—C═ C、C═ C—C═ O和苯环等，它们都能发生共轭的π→π＊跃迁。这些在紫外和可见光区域能产生吸收带的基团称为生色团。饱和烃和大部分饱和烃的简单衍生物，如醇、醚、胺、氯代烃等都检测不到紫外信号，也就是说不能用紫外光谱来研究。

通常把n→π＊跃迁产生的吸收带称为R带；把共轭的π→π＊跃迁产生的吸收带称为K带；把苯环或其他芳香环产生的吸收带称为B带和E带。R带的特征是吸收波长较长，在270～300nm吸收强度弱，摩尔吸光系数ε＜100L·mol－1·cm－1；K带的吸收波长比R带小，但吸收强度很大，ε＞104 L·mol－1·cm－1；B带的吸收强度中等，ε≥102 L·mol－1·cm－1，在非极性溶剂中会产生精细结构，苯环的B带在270nm左右。图2－91是2，5－二甲基－2，4－己二烯溶解在甲醇中，浓度为5．95×10－5 mol·L－1时的紫外光谱。其横坐标为波长λ（nm），纵坐标为吸光度A。从图中可以看到紫外吸收峰很宽，通常用最大吸收波长λmax，即一个吸收峰吸光度最大处的波长，来表示该峰的位置。利用化合物是否有紫外光谱，紫外光谱中吸收带的位置和强度，能够判断化合物中是否有生色团，有什么样的生色团，进而确定化合物的类型。但必须注意，紫外光谱是某种特定结构的价电子跃迁产生的吸收光谱，两个不同的化合物只要它们引起紫外光谱的结构单元（生色团及相连部分的基团）相同，就会产生十分相近的紫外光谱。因此用紫外光谱进行定性分析有相当大的局限性。

图2-91　2，5-二甲基-2，4-己二烯的紫外光谱

与可见光吸收光谱一样，在选定波长下，吸光度与物质的浓度符合朗伯－比耳定律，即

式中：A为吸光度；I0为入射光强度；I为透射光强度；ε为摩尔吸光系数；c为物质的量浓度；l为样品厚度。利用上式可以进行紫外光谱的定量分析。

2．紫外－可见分光光度仪的操作步骤（以TU－1800PC型为例）

（1）开机。首先打开辅助设备（如打印机等），然后打开光度计电源开关，最后打开计算机电源开关，进入Windows操作环境。确认样品室中无挡光物，在【开始】菜单下选择【程序】→【TU－1800】→【TU－1800UVWin窗口软件】启动TU－1800控制程序，光度计开始自检，出现初始化工作画面，整个自检过程约需4min。仪器还需要预热15～30min后才能开始测量。

（2）选择测量方式。本仪器共有四种测量方式可供选择：光谱测量——测量样品的光谱曲线；光度测量——测量样品相应波长的吸光度；定量测定——测量并计算样品浓度；时间扫描——记录样品在相应波长的吸光度随时间变化的曲线。单击工具条上相关的按钮或选择菜单【应用】→【××××】（相关的测量方式），打开相应的工作窗口。

（3）设定测量参数。单击工具条上“参数设定”按钮或选择菜单【配置】→【参数】，在弹出的相应测量方法的参数设定对话框中设定参数，按“确认”键确认。

（4）测量。由于在测量样品之前必须对空白样品进行校正，整个测量过程有两步，一是对空白样品进行校正，二是对待测样品进行测定。

（5）数据处理。按需要对光谱图作放大、缩小、平滑、检出峰值等处理，可选择菜单【数据处理】→【××××】（指相应的处理方式）；如需要对测量数据编辑、删除等可选择菜单【编辑】→【××××】（指相应的编辑操作方式）。

（6）打印。单击工具条上“打印”按钮或选择菜单【文件】→【打印】功能即可打印测量结果。与Windows软件一样，可以通过选择菜单【文件】→【页面设置】以及【文件】→【打印机设置】等功能设置不同的打印效果。

该仪器的操作流程图如图2－92所示。

图2-92　TU-1800PC型仪器的操作流程图

2.3.2　红外光谱

1．红外光谱的基本原理

用红外光照射分子时，能引起分子中振动能级的跃迁，因此，红外光谱又称作分子振动光谱。有机化合物大部分重要基团的振动频率出现在波长为2．5～50μm的中红外区，所以通常所说的红外光谱是指中红外光谱。红外光谱图的横坐标是波长（μm）或频率，频率以波数（cm－1）表示，波数和波长互为倒数，即ν（cm－1）＝104／［λ（μm）］；纵坐标是吸收强度，一般用透光率T（%）表示，图2－93是2－甲基－1－戊烯的红外光谱图。

化合物分子中各种不同的基团是由不同的化学键和原子组成的，因此它们对红外光的吸收频率必然不同，这就是利用红外光谱测定化合物结构的理论基础。

图2-93　2-甲基-1-戊烯的红外光谱图

实际上化合物分子的运动是多种多样的，有整个分子的平动、转动、分子内原子的振动等，但只有分子内的振动能级才相应于红外光的能量范围。因此化合物的红外光主要是原子之间的振动产生的，有人也称之为振动光谱。因原子间的振动与整个分子和其他部分的运动关系不大，所以不同分子中相同官能团的红外吸收频率基本相同，这就是红外光谱得以广泛应用的主要原因。

分子内原子在其平衡位置附近的振动有许多种方式，例如，线性CO2分子有如图2－94所示的四种振动方式。

图2-94　线性CO2分子的四种振动方式

其中，原子沿着键轴方向来回运动，振动过程中键长发生变化的振动称为伸缩振动，见图2－94（a）、图2－94（b）；原子在垂直于化学键的方向上运动，见图2－94（c）、图2－94（d），这种振动称为弯曲振动或变形振动。如果再细分的话，可分为对称伸缩振动［见图2－94（a）］，不对称伸缩振动［见图2－94（b）］，面内弯曲振动［见图2－94（c）］，面外弯曲振动［见图2－94（d）］等等。多原子分子的振动可分为以下几种方式（见图2－95）。

图2-95　多原子分子的振动方式

按统计学规律计算，一个由N个原子组成的线性分子有3 N－5种振动方式（振动自由度），非线性分子有3 N－6种振动方式。理论上，每一种振动都有一定的频率，当红外光的频率与其相等时，分子就可能吸收红外光的能量，跃迁到较高能级上，而在红外谱区将产生一组吸收峰。由于种种原因，实际红外谱图上的吸收峰与分子基团振动数目并不相等。例如，在上述CO2分子中有四种振动方式，而其红外谱图中只有两个吸收峰。这是因为：一是对称伸缩振动中的正、负电荷中心在振动过程中始终重叠，即没有偶极矩的变化，这种没有偶极矩变化的振动是非红外活性的；二是不对称伸缩振动和面外变形振动两种振动方式实际上是相同的，它们具有相同的振动频率，故发生简并。

一个基团的某种振动方式具有特定的频率，频率的大小由如下振动方程确定。

式中：ν为频率，以cm－1表示；c为光速；k为化学键的力常数；μ为折合质量，若为双原子分子，m1、m2分别为两个原子的质量，则

由振动方程可知，随着化学键强度增加，振动频率向高波数方向移动，随着基团折合质量增大，振动频率向低波数方向移动。为了便于研究，将红外光谱区4000～400cm－1划分为四个区域：4000～2500cm－1区域是含氢基团的伸缩振动区；2500～2000cm－1区域是三键和累积双键的伸缩振动区；2000～1500cm－l区域是双键的伸缩振动区；1500～1000cm－1区域是单键的伸缩振动区。通常又将4000～1500cm－1区域称为基团特征频率区，把1500cm－1以下的区域称为指纹区。基团特征频率区中的吸收峰具有很大的特征性，它能用于确定化合物中是否存在某些官能团。例如，在双键区1700cm－1左右出现强吸收峰，说明被测物中含有羰基；如果在2000～1500 cm－1的双键区中没有吸收峰，则说明被测物中不含有羰基、苯环等。指纹区与基团特征频率区不同，其中的吸收峰特征性差，但对分子整体结构十分敏感，一般用于与标准红外谱图比较。如果两个化合物的红外谱图中，不仅基团特征频率区的吸收峰一一对应，而且指纹区的吸收峰位置、形状、强度也一致的话，一般可以判断两个化合物结构相同。与紫外光谱不同，红外光谱的特征性很强，组成分子的原子不同、化学键不同以及基团的空间位置不同都会在红外谱图上显示出来，所以红外光谱是有机物结构鉴定的重要工具。

为了便于初学者解析红外谱图，图2－96列出了常见官能团在红外光谱中的位置。一些重要基团的红外特征吸收频率及更详细的信息可以查阅各种介绍红外光谱的参考书或手册。

2．红外分光光度仪的基本操作步骤

（1）开机。

①打开仪器光学台的电源开关。

②打开计算机的电源开关。

图2-96　主要官能团在红外光谱中的大致分布

③检查光谱仪的工作状态。

（2）收集样品的光谱图。

①设定光谱收集参数：单击菜单【Collect】→【Experiment Setup】，出现相应的对话框，在以下栏目中设定合适的参数后，选择“OK”。

No．of scan（扫描次数）：8。

Resolution（光谱分辨率）：4。

Final format（收集数据的Y轴格式）：Transmittance%。

Correction（校正方式）：None。

在“Background Handling”中选择“Collect background before every sample”。

②收集样品光谱：单击菜单【Collect】→【Collect Sample】，然后按屏幕提示进行操作。

a．在出现“Enter the spectrum title”对话框时，输入待测物谱图的标题，按“OK”。

b．在出现“Please prepare to collect the background spectrum”提示时，检查光路中没有样品后，选择“OK”。计算机收集背景的干涉图，并立即将其转换成单光束图，显示在窗口中。

c．在出现“Please prepare to collect the sample spectrum”提示时，将制好的样品插入样品支架上，然后选择“OK”。计算机收集样品的干涉图，将其转换成单光束图，并作背景扣除处理。在窗口中显示的是扣除背景后的样品红外光谱图。

（3）光谱处理。

①将收集的样品光谱图从透光率T（%）形式转变为吸光度的形式：单击“Abs”（Absorbance）工具按钮。

②作基线校正：单击“Aut Bsln”（Automatic Baseline）工具按钮，窗口中出现两条谱线，其中红色为校正后的谱线（在谱图标题上有“＊”）。

③清除原谱（即未经校正的谱图）：点击原始谱线，即变为红色，且标题上没有“＊”标记，按“Clear”工具按钮。

④将谱图从吸光度形式重新转变为透光率形式：单击“Transmittance%”工具按钮。

⑤在谱图上标注吸收峰的位置。

方法一：单击“Find Pks”（Find peaks）按钮，窗口出现一横线，可单击鼠标左键上下移动，以确定自动标峰的限度。

方法二：单击窗口下方的工具按钮“T”，移动鼠标箭头指向吸收峰峰尖，在按住键盘“Shift”同时按鼠标左键，然后按键盘上的“回车”键确定。

（4）红外标准谱库检索。

①将谱库放入计算机内存：单击菜单【Analyze】→【Library Setup】，在显示的对话框中选择所要用的数据库名称，按“Add”键，再按“OK”键。

②谱库检索：按“Search”工具按钮。计算机给出与所测谱图相似的一个或几个标准谱图及它们的名称、分子式等信息，并提供每一个的匹配程度。

③按屏幕下方的“Close”键可关闭谱库检索窗口，回到原来收集样品谱的窗口。

（5）光谱数据的打印。

按“打印机”工具按钮，即可打印屏幕显示的内容。

（6）光谱数据的存盘。

如要将收集的光谱数据保存下来，就需要将数据存盘。操作方法为：单击菜单【File】→【Save As】，在显示的对话框中输入文件名，然后按“保存”键。

3．测定样品的制备

在测定红外光谱的操作中，固体、气体、流体和溶液样品都可以作红外光谱的测定。

（1）固体样品。

①石蜡油研糊法：将固体样品1～3mg与1滴医用石蜡油一起研磨约2min，然后将此糊状物夹在两片盐板中间即可放入仪器测试。其中石蜡油本身有几个强吸收峰，识谱时需注意。

②熔融法：将熔点低于150℃的固体或胶状物直接夹在两片盐板之间熔融，然后测定其固体或熔融薄层的光谱。此方法有时会因晶型不同，而影响吸收光谱。

③压片法：将1mg样品与300mg KCl或KBr混匀研细，在金属模中加压5min，可得含有分散样品的透明卤化盐薄片，没有其他杂质的吸收光谱，但盐易吸水，操作时需注意。

（2）液体样品。

对液体状态的纯化合物，将1滴样品夹在两片盐板之间以形成一层极薄的膜，即可用于测定。

（3）溶液样品。

溶剂一般用四氯化碳、二硫化碳或氯仿。应用双光束分光计，将纯溶剂作参考。

（4）气体样品。

气体样品一般灌注到专门的抽空的气槽内进行测定。吸收峰的强度可通过调整气槽中样品的压力来达到。

不管哪种状态的样品的测定，都必须保证其纯度大于98%，同时不能含有水分，以避免羟基峰的干扰和腐蚀样品池的盐板。

2.3.3　核磁共振

核磁共振（nuclear magnetic resonance，NMR）技术因能快速方便地测定有机分子的骨架而在有机结构测定中成为最普遍应用的分析技术。

在核磁共振中，发展最早、研究最多、使用最为广泛、积累数据最为丰富的是核磁共振氢谱（1 HNMR）。这是由于1 H的磁旋比较大，且天然丰度接近100%，在核磁共振测定中具有较高的灵敏度，而且1 H是构成有机化合物的主要元素，可以为有机化合物结构分析提供重要的信息。如图2－97所示为丙酰胺的1 HNMR谱。

图2-97　CH3CH2CONH2的氢谱

谱图的横坐标表示化学位移δ，代表谱峰的位置，反映了质子所处的化学环境，这是1 HNMR提供的重要信息之一。化学位移为0的峰为内标物TMS。横坐标上从左至右化学位移δ逐渐减小，而磁场强度逐渐增强。因而，将谱图左端称为低场，右端称为高场。谱图的纵坐标代表谱峰的强度，谱峰的强度可由谱图上台阶状的积分曲线精确地表示出来。积分曲线的画法由左至右，即由低场到高场。每一个积分曲线的高度代表其正下方的谱峰面积，而各谱峰面积与引起该吸收的质子数目成正比，也就是说，积分曲线的高度取决于引起该吸收的氢核数目。在上述谱图中，CH3、CH2、NH2积分曲线高度比为3∶2∶1。因此在分析谱图时，只要通过比较共振峰的面积，可判断各种类型氢核的相对数目，若分子式已知，则可求出每个吸收峰所代表的氢核的绝对数目。谱峰面积是1 HNMR提供的另一个重要信息。在谱图中，由于自旋耦合裂分，有的位置的谱峰呈现多重峰，这是1 HNMR提供的第三个重要信息。由此可见，核磁共振氢谱提供了化学位移、积分面积、自旋耦合等三个方面的重要信息。

要获得一个满意的谱图，最关键的是制备好试样。试样必须是无杂质、高纯度的，若存在固体杂质会使谱图严重失真，此时必须使试样通过毛细吸管，以滤去杂质。非黏稠液体一般加入约3%的TMS作为内标制成测试氢谱的试样。黏稠液体或固体一般溶于适当溶剂中，制成10%～25%的溶液。当然，溶剂必须与样品不反应，并有良好的溶解性能，同时保证在样品化合物共振吸收范围内无吸收。作氢谱时，为避免溶剂干扰，一般采用不含质子的或氘代化合物作溶剂。常用的溶剂有CCl4、CS2、DCCl3、D2O等。当然，如果需要还可采用有商品供应的氘代丙酮、苯和二甲亚砜作溶剂。通常采用含有3%～5%TMS的CS2和DCCl3储备液来配制试样。如果用D2O作溶剂，因TMS不溶，故可采用DSS［（CH3）3SiCH2CH2CH2SO3Na］作内标。

制成的试样溶液装在直径5mm的特制玻璃管内，测试样品的量一般为0．3～0．5mL。把装有试样的特制玻璃管放在样品管座上即可测试。测试用样品管的管壁和内径必须均匀，否则会影响测试结果。