2.6　加热与冷却

许多化学反应在室温下反应很慢甚至不能进行，常需在加热条件下加快反应，一般情况下温度每升高10℃，反应速率就会增加一倍；也有一些反应，因反应非常剧烈，常释放出大量热能而使反应难以控制，或者反应产物在常温下容易分解，需控制在室温或低于室温条件下进行，这时，就需要对反应体系进行冷却。除此之外，许多操作如蒸馏、重结晶等也都需要加热或冷却。所以加热和冷却技术是化学实验中十分普通而又非常重要的实验技术。

2.6.1　加热

实验中常用的加热方式有直接加热（如酒精灯、煤气灯、电炉、电热套等加热）和间接加热（使用各种热浴如水浴、油浴等）。玻璃仪器容易受热不均而破裂，所以使用酒精灯或喷灯加热烧杯或烧瓶时，要使用石棉网隔离。如果要控制温度，或尽量使反应物受热均匀，避免局部过热而分解时最好是用热浴间接加热。实验室常用的加热装置如图2-28所示。

为了避免直接加热可能带来的问题，根据具体情况，可选用下列间接加热的方式。

（1）空气浴加热　利用热空气间接加热，实验室中常用在石棉网上加热和用电热套加热。

把容器放在石棉网上加热，注意容器不能紧贴石棉网，要留0.5～1.0cm间隙，使之形成一个空气浴，这样加热可使容器受热面增大，但加热仍不很均匀。这种加热方法不能用于回流低沸点、易燃的液体或减压蒸馏。

电热套是一种较好的空气浴，它是由玻璃纤维包裹着电热丝织成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，但要注意，蒸馏过程中，随着容器内物质的减少，会使容器壁过热而引起蒸馏物的炭化。故要选择适当大一些的电热套，蒸馏时不断调节电热套的高低位置，以避免炭化。

（2）水浴加热　水浴用于加热温度低于80℃的体系。加热器皿可用铜质或铝质锅，也可用烧杯。将容器浸在水中（水的液面要高于容器内液面），但切勿使容器接触水浴底，调节火焰，把水温控制在所需要的温度范围内。如果需要加热到接近100℃，可用沸水浴或蒸汽浴加热。

（3）油浴加热　油浴加热温度范围一般为100～250℃，其优点是温度容易控制，容器内物质受热均匀。油浴所达到的最高温度是取决于所用油的品种。实验室中常用的油见表2-7。甘油适用于反应温度140～150℃的加热，温度过高，甘油易分解。植物油如豆油、菜子油、蓖麻油等加热温度一般为200～220℃，为了防止植物油在高温下分解，常加入1% 对苯二酚等抗氧剂。透明的液体石蜡油可加热到220℃以上，温度过高并不分解，是实验中最常用的油浴，但易燃烧。

油浴加热的缺点是温度过高时会有油烟冒出，达到油的燃点会自燃，明火容易引起火灾，油蒸气还会污染环境。

使用油浴操作时应注意以下几点。①油量不能过多，一般约为油锅容量的1/2。②油锅上面应盖上两个半圆形石棉板（中间留一圆孔，恰好放入烧瓶），以防油浴燃烧或溅入水滴爆溅。③油浴中应悬挂一支温度计随时观察温度，以便随时调节加热，油浴温度应比反应温度高出20℃，但不能超过油浴所能达到的最高温度。最好使用调压器，方便调整加热温度。④油浴着火时，应立即关闭热源，再用大块石棉布将火闷熄，切不可用水或沙土灭火，否则会造成火势蔓延，引起火灾。⑤停止加热时，将烧瓶提离油浴液面，用铁夹悬空夹住，待烧瓶外壁黏附的油流尽后再用布或软纸将瓶壁擦干净。⑥加热油使用时间较长时应及时更换，否则易出现溢油着火。

（4）砂浴加热　要求加热温度较高时，可采用砂浴。砂浴可加热到350℃。一般将干燥的细砂平铺在铁盘中，把容器半埋入砂中（底部的砂层要薄些）。在铁盘下加热，因砂导热效果较差、温度分布不均匀，所以砂浴的温度计水银球要靠近反应器。由于砂浴温度不易控制，故在实验中使用较少。

（5）微波辐射加热　将微波加热技术应用于化学实验室中样品的加热，消解，有效成分的提取，无机，有机物的反应等，可以大大地加快进程。其常用的操作方法有三种：密封管法、连续流动法和敞开口法。密封管法是将反应物密封在高压管内进行加热反应；连续流动法是将反应物存储于容器中，用泵泵入安装在微波炉中的蛇形管中，经微波辐射后送到接收器中；敞开口法一般只局限于无溶剂的反应。可以将反应物浸渍到氧化铝或硅胶之类的无机载体上，干燥后再微波加热。微波加热用于干燥从水溶液中析出的固体物质时尤为方便快捷。

2.6.1.1　液体的加热

（1）在水浴上加热　适用于在100℃以上易变质的溶液或纯液体。

（2）直接加热　适用于在较高温度下不分解的溶液或纯液体。一般把装有液体的器皿放在石棉网上，用煤气灯加热。试管中的液体一般可直接放在火焰上加热（见图2-29），但易分解的物质仍应放在水浴中加热。在火焰上加热试管中的液体时，应注意以下四点：①应该用试管夹夹住试管的中上部，不能用手拿住试管加热；②试管应稍微倾斜，管口向上；③应使液体各部分受热均匀，先加热液体的中上部，再慢慢往下移动，然后不时地上下移动，不要集中加热某一部分（这样做容易引起暴沸，使液体冲出管外）；④不要把试管口对着别人或自己，以免发生意外。

2.6.1.2　固体的加热

（1）在试管中加热　所盛固体药品不得超过试管容量的1/3。块状或粒状固体一般应先研细，并尽量将其在管内铺平。加热的方法与在试管中加热液体时相同，有时也可把盛固体的试管固定在铁架台上加热（见图2-30），但是必须注意，应使试管口稍微向下倾斜，以免凝结在管口的水珠流至灼热的管底，使试管炸裂。先来回将整个试管预热，然后用氧化焰集中加热。一般随着反应进行，灯焰从试管内固体药品的前部慢慢往后部移动。

（2）在蒸发皿中加热　加热较多的固体时，可把固体放在蒸发皿中进行。但应注意充分搅拌，使固体受热均匀。

（3）在坩埚中灼烧　当需要在高温加热固体时，可以把固体放在坩埚中灼烧（见图2-31）。应使用煤气灯的氧化焰加热坩埚，而不要让还原焰接触坩埚底部（还原焰温度低）。开始时，火不要太大，坩埚均匀地受热，然后逐渐加大火焰将坩埚烧至红热。灼烧一定时间后，停止加热，在泥三角上稍冷后，用坩埚钳夹持放在干燥器内。要夹持高温的坩埚时，必须先把坩埚钳放在火焰上预热一下。坩埚钳用后应将其尖端向上平放在石棉网上冷却。

2.6.2　冷却技术

随着科学技术的发展，制冷技术也在不断提高。利用深度冷却，可使很多在室温下不能进行的反应，如负离子反应或有些有机金属化合物的反应都能顺利进行。在普通有机实验中，也普遍使用低温操作，如重氮化反应、亚硝化反应等。有的放热反应，常产生大量的热，使反应难以控制，会引起易挥发化合物的损失，或导致有机物的分解或增加副反应，为了除去过剩的热量，亦需用冷却技术转移多余热量，使反应正常进行。

此外，为了减少固体化合物在溶剂中的溶解度，使其易于析出结晶，也常需要冷却。将反应物冷却的最简单的方法，就是把盛有反应物的容器浸入冷水中冷却。有些反应必须在室温以下的低温进行，这时最常用的冷却剂是冰或冰与水的混合物，后者由于能和器壁接触得更好，它的冷却效果比单用冰好。如果有水存在，并不妨碍反应的进行，也可以把冰块投入反应物中，这样可以更有效地保持低温。传统的制冷方法是机械冷却和使用制冷剂冷却。实验室中常用的冷却方法如下。

（1）自然冷却　将欲冷却的物品放置在空气中，让其自然冷却至室温。

（2）吹风冷却和流水冷却　当实验需要快速冷却时，可将盛有待冷却物品的器皿放在冷水流中冲淋或用鼓风机吹风冷却。

（3）制冷剂冷却　要使体系的温度低于室温时，可选用合适的制冷剂冷却，常见的制冷剂及其制冷温度见表2-8。

应当注意的是：当温度低于-38℃时，不能使用水银温度计测温度，因为水银在-38.87℃时会凝固，此时可用内装甲苯、正戊烷等有机溶剂的低温温度计。为了方便读数，可加入少许颜料。液氮的使用应当在有经验的教师指导下进行操作。

（4）回流冷却　许多有机化学反应需要使反应物在较长时间内保持沸腾才能完成。为了防止反应物以蒸气逸出，常用回流冷凝装置进行回流冷却，使蒸气不断地在冷凝管内冷凝成液体，返回反应器中。为了防止空气中的湿气浸入反应器或吸收反应中放出的有毒气体，可在冷凝管上口连接CaCl2干燥管或气体吸收装置（图2-32）。为了使冷凝管的套管内充满冷却水，应从下面的入口通入冷却水，水流速度能保持蒸气充分冷凝即可。进行回流操作时，也要控制加热，蒸气上升的高度一般以不超过冷凝管的1/3为宜。

（5）制冷机冷却　用制冷机冷却可以不使用化学试剂，减少了对环境的污染。尤其是当前发展出来的电子冷却技术，它是应用某些半导体材料的特性而冷却的一项新兴技术，电子冷却是直接将电能转化为热能，这样就省掉了压缩机、冷媒、介质管道等机械冷却环节，在消除污染的同时还大大降低了生产成本，因此更易使大家接受，应用前景十分广阔。