冷却与冷却剂

2.2　冷却与冷却剂

2.2.1　冷却

使热物体的温度降低而不发生相变化的过程称为冷却。冷却的方法有直接冷却法和间接冷却法两种。在大多数情况下使用间接冷却法，即通过玻璃壁向周围的冷却介质自然散热，达到降低温度的目的。

冷却操作首选的冷却剂是水，具有价廉、不燃、热容量大等优点。其次可选用冰，使用前要敲碎，或使用碎冰和水，均可取得迅速冷却的效果。为了获得更低的冷却温度，可按表2-2所示配制更强的冷却剂。

为了使冰盐混合物能达到预期的冷却温度，按表2-2所示配方在配制冷却剂时要将盐类物质与冰块分别仔细地粉碎，然后仔细地混合均匀，在盛装冷却剂的容器外面，用保温材料仔细地加以保护，使之较长时间地维持在低温状态。如果在配制时，粉碎的冰块过大，混合就不均匀，保温措施差，则所需配制的冷却剂不可能达到预期的低温。如需使用更低温度的冷却剂，可使用如表2-3所示的配方配制冷却剂。

表2-2　冷却剂配方（I）

表2-3　冷却剂配方（Ⅱ）

表2-3中固体CO₂（即干冰）可用保温桶向当地酒厂购买，也可用二氧化碳钢瓶中的二氧化碳（应当在有经验的教师指导下进行操作）。干冰必须在铁研钵（不能用瓷研钵）中很好研碎，操作时应戴护目镜和手套。由于有爆炸的危险，如用保温瓶盛装时，外面应当用石棉绳或类似材料，也可以用金属丝网罩或木箱等加以防护。瓶的上缘是特别敏感的部位，使用时要特别小心，避免碰撞。在配制时，将固体CO₂加入到工业酒精（或其他溶剂）中，并进行搅拌，两者用量并无严格规定，固体CO₂应当过量。用低温温度计进行浴温的测量。

如要使用更低温度的冷却剂，可使用液氮，温度可冷却至−195.81℃，液态空气随其存放时间的长短，温度可以在－193℃～－186℃之间变化。排出蒸气可以使液体的温度更为降低。在适当的液体（戊烷）中滴入或通过液态空气可以得到任意给定的低温。使用液氮或液态空气，应当在有经验的教师指导下进行。

2.2.2　干燥

借助热能使物料中水分（或溶剂）汽化的过程称为干燥。干燥可分为自然干燥和人工干燥两种。在化学工业上，有真空干燥、冷冻干燥、气流干燥、微波干燥、红外线干燥和高频率干燥等方法。

在有机化学实验中，干燥是一种重要的操作。许多有机反应需要在绝对无水的条件下进行，所用的原料及溶媒都应当是干燥的，而且还要防止空气中的水分侵入反应体系与介质。对进入的空气进行干燥处理。通过有机合成操作制得的产品，要经过干燥处理后，才能成为合格的产品。

干燥剂是指能除去潮湿物质（固体、液体、气体）中水分的物质。干燥剂有化学干燥剂和物理干燥剂两种，化学干燥剂是一类能吸去水分而常伴有化学反应的物质（如石灰、五氧化二磷等），物理干燥剂是一类能吸附水分或与水形成共沸混合物，而不伴有化学反应的物质（如用硅胶除空气中水分，用苯除去酒精中水分）。

干燥可分为物理方法和化学方法两大类。

物理方法：使用真空干燥、冷冻干燥、气流干燥、微波干燥、红外线干燥、高频率干燥分馏、共沸蒸馏、吸附等方法进行干燥。

化学方法：使用能与水生成水合物的化学干燥剂进行干燥，如硫酸、氯化钙、硫酸铜及硫酸镁等，以及能与水反应后生成其他化合物者，如磷酸酐、氧化钙、钙、钠、镁及碳化钙等。

1．气体的干燥

将固体干燥剂装填在干燥塔中，需要干燥的气体从塔底部进入干燥塔，经过干燥剂脱水后，从塔的顶部流出。即气体的干燥是在干燥塔内完成的。

化学惰性气体可使用瓶内装有浓硫酸的洗气瓶进行干燥，在该瓶的前后还应安装两只空的洗气瓶作为安全瓶。

在有机反应体系需要防止湿空气入侵时，在反应器连通大气的开口处，都应当装接干燥管，管内盛有氯化钙或碱石灰等干燥剂。

不同性质的气体，应当选择不同类别的干燥剂，如表2-4所示。

分子筛是由SiO₂与Al₂O₃组成，具有均一微孔结构，能将不同大小的分子分离或作为选择性反应的固体吸附剂或催化剂。作为商品出售的分子筛A型3A（或钾A型）只吸附水，不吸附乙烯、乙炔、二氧化碳、氨和更大的分子，是一种比较理想的气体干燥剂。

可用分子筛干燥的气体有：空气、天然气、氩、氦、氧、氢、重整氢、裂解气、乙炔、乙烯、二氧化碳、硫化氢、六氟化硫。干燥后的气体中的含水量小于10mg⋅m⁻³。

表2-4　用于气体干燥的干燥剂

2．液体的干燥

（1）干燥剂脱水

通过将液体与干燥剂放在一起，并不时地激烈振荡而使液体得到干燥。对于含有大量水分的液体，干燥宜分几次进行。每隔一定时间倾出液体，用新干燥剂调换已失效的干燥剂，直至再没有明显数量的水被吸收为止。显然，采用干燥剂脱水的方法进行液体的干燥处理，液体有明显的被干燥剂吸附的损耗，所以投放干燥剂的量要恰当，以干燥脱水达到标准为宜，不宜过多地投放，使损失减少到最低的程度。

在实验室中最常用的干燥剂和适用范围如表2-5所示，供实验者选择。

由表2-5可知，干燥剂的使用要有针对性和回避原则。例如，干燥醇类化合物，不能选用CaCl₂，因为CaCl₂易与醇形成CaCl₂·4C₂H₅OH等，使所要干燥的物质蒙受严重的损失，导致干燥操作的失败。

表2-5　常用的干燥剂

（续表）

检查液体中是否有水，可在液体中加入无水氯化钴（或无水溴化钴），若有水，则无水钴盐从蓝色变为粉红色的水合物。也可以用无水硫酸铜（无色）检验，遇水后变为蓝色。

（2）共沸干燥

利用共沸混合物的形成，可将混合物中的某一组分蒸馏带出。共沸干燥就是将一种既能与水形成共沸混合物，又尽可能（在冷却时）与水不互溶的物质（如苯等，如表2-6所示）加入待干燥的液体中，然后在带有除水器的回流装置中，加热至沸，水与苯形成共沸混合物被蒸出（共沸点温度为69.2℃），蒸气冷却后流出的水滴沉淀于分水器刻度管底部而被放出。常用的带水剂有苯、甲苯、四氯化碳等。对于分离要求不很严格的分水操作，也可在加入带水剂后，用蒸馏的方法，弃去混浊的馏出液，直至馏出液澄清为止。

表2-6　常见的二元与三元共沸混合物

3．固体的干燥

（1）自然晾干

固体干燥可用自然晾干进行干燥操作。将待干燥的样品，放在培养皿中，上面再覆盖一张滤纸，以防污染，置于实验室内，让其自然干燥，约需数日。在实验时间允许时，可采用这种方便的干燥方法。

（2）加热干燥

待干燥的样品，若加热稳定性好，熔点较高，则可将样品置于表面皿（或蒸发皿）内，在水浴或沙浴上加热烘干。也可以采用红外线灯（红外线辐射器）直接辐照试样，进行烘干。在加热烘干过程中，应注意观察，防止过热、熔化，应当控制加热强度。不时用玻璃棒进行翻动，防止试样结块。有些被干燥的物质，在较高温度下会分解，可以采用真空干燥方法，在较低的温度下进行干燥。

在如图2-1（a）所示干燥器内存放的干燥剂，应视待干燥样品的性质而定，可参照表2-5中所列的常用干燥剂进行选择。由于采用抽真空干燥，所以干燥速度较快。

在图2-1（b）中，在圆底烧瓶5中加入适当的溶剂（作为传热介质），其沸点应低于所干燥的物质的熔点，由于有回流装置，可以进行恒温干燥。通过活塞可以由l接真空系统，使干燥仓3内维持一定的真空度，从而加速干燥的进程。干燥仓3内的容积有限，只能干燥处理少量样品。油浴烘箱可以克服普通电热鼓风烘箱由于使用电加热而引起的一些问题（静电问题，明火加热等）。在处理比较大量的固体有机化合物的干燥操作方面，是一种比较安全的干燥仪器。

图2-1　真空干燥器