
3.2 化学分析实验基础操作
3.2.1 化学试剂的取用
在化验室中,化学试剂均储存于相应的试剂瓶中。固体试剂储于便于取用的广口试剂瓶内,液体试剂则储于细口试剂瓶中。所有存放试剂的试剂瓶都必须贴有相应的标签。
取用化学试剂的过程中要防止污染试剂瓶中的试剂,须注意以下几点:
① 固体试剂应用洁净干燥的小勺取用,一次不要取出过多。特别是一级或基准试剂,取出的试剂一般不应再装入原试剂瓶中,以防将试剂瓶中的试剂污染。取用强碱性试剂后的小勺应立即洗净,以免腐蚀。
② 液体试剂应倒入量筒中量取或倒入烧杯中,多取的液体试剂一般也不应倒回原试剂瓶中。
③ 取用试剂的工具不得混用。
④ 取用试剂时,瓶塞要按规定放置。玻璃磨口塞、橡胶塞、塑料内封盖要翻过来倒放在洁净处,以免被其他物质沾污,影响原试剂瓶中试剂质量。取用试剂完毕后立即将瓶塞盖好,储存在干燥、清洁的试剂柜内。
3.2.2 玻璃仪器的洗涤与干燥
(1)常用玻璃仪器的类型
化验室中,常用玻璃仪器按其用途可分为容器类仪器、量器类仪器和标准磨口仪器。
① 容器类 常温或加热条件下物质的反应容器、储存容器,包括试管、烧杯、烧瓶、锥形瓶、滴瓶、细口瓶、广口瓶、称量瓶、分液漏斗和洗气瓶。每种类型又有许多不同的规格。使用时要根据用途和用量选择不同种类和不同规格的容器。注意阅读使用说明和注意事项,特别要注意容器加热的方法,以防损坏仪器。
② 量器类 用于度量溶液体积。主要有量筒、移液管(吸量管)、容量瓶和滴定管等。不可以作为实验容器,例如不可以用于溶解、稀释操作。不可以量取热溶液,不可以加热,不可以长期存放溶液。
量器类容器每种类型又有不同规格。应遵循保证实验结果精确度的原则选择度量容器。能否正确地选择和使用度量容器,反映了化验员实验技能水平的高低。
③ 标准磨口仪器 是具有标准内磨口和外磨口的玻璃仪器。使用时根据实验的需要选择合适的容量和合适的口径。相同型号的磨口仪器,具有一致的口径。连接是紧密的,使用时可以互换。
(2)玻璃仪器的洗涤
为了得到准确的实验结果,每次实验前和实验后必须要将实验仪器洗涤干净。尤其是久置变硬不易洗掉的实验残渣和对玻璃仪器有腐蚀作用的废液,一定要在实验后立即清洗干净。一般来说,污物既有可溶性物质,也有灰尘和不溶性物质,还有有机物及油污等。
仪器洗涤是否符合要求,对于检验结果的准确性和精密度均有影响。
① 普通玻璃仪器的洗涤
a.洗刷仪器时,应首先将手用肥皂洗净,以免手上的油污附在仪器上,增加洗刷的困难。
b.如仪器长久存放附有灰尘,先用清水冲去,再按要求选用洁净剂洗刷或洗涤。例如,用毛刷蘸上少量去污粉或洗洁精,将仪器内外全刷一遍,然后边用水冲边刷洗直至肉眼看不见去污粉颗粒或洗洁精的残液时,用自来水冲洗干净,最后用蒸馏水冲洗三次以上。
c.洗干净的玻璃仪器应以不挂水珠为度。用蒸馏水冲洗时,要用顺壁冲洗方法并充分振荡,经蒸馏水冲洗后的仪器,用酸碱指示剂检查冲洗后的蒸馏水应为中性。
注:洗涤容器时应符合少量多次的原则(每次用少量的洗涤剂),既节约试剂,又提高洗涤效率。
② 常用玻璃量器的洗涤 玻璃量器的洗净程度要求较高,有些仪器形状又特殊,不宜用毛刷刷洗,常用洗液进行洗涤。具体洗涤方法如下:
a.滴定管的洗涤 先用自来水冲洗。酸式滴定管将旋塞关闭,碱式滴定管除去乳胶管,用橡胶乳头将管口下方堵住。加入约15mL铬酸洗液,双手平托滴定管的两端,不断转动滴定管并向管口倾斜,使洗液流遍全管(注意:管口对准洗液瓶,以免洗液外溢!),可反复操作几次。洗完后,碱式滴定管由上口将洗液倒出,酸式滴定管可将洗液分别由两端放出,再依次用自来水和蒸馏水洗净。如滴定管太脏,可将洗液灌满整个滴定管浸泡一段时间,此时,在滴定管下方应放一烧杯,防止洗液流在实验台面上。
b.容量瓶的洗涤 先用自来水冲洗,加入适量(15~20mL)洗液,盖上瓶塞,转动容量瓶,使洗液流遍容量瓶内壁,将洗液倒回原瓶,最后依次用自来水和蒸馏水洗净。
c.移液管的洗涤 先用自来水冲洗,用洗耳球吹出管中残留的水。然后将移液管插入铬酸洗液瓶内,按移液管的操作,吸入约1/4容积的洗液。用右手食指堵住移液管上口,将移液管横置过来,左手托住没沾洗液的下端,右手食指松开,平移移液管,使洗液润洗内壁,然后放出洗液于瓶中。最后依次用自来水和蒸馏水洗净。
除了上述清洗方法之外,现在还有超声波清洗器。只要把用过的仪器放在配有合适洗涤剂的溶液中,接通电源,利用声波的能量和振动,就可以将仪器清洗干净。
③ 洗净的标准 凡洗净的仪器,应该是清洁透明的。当把仪器倒置时,器壁上只留下一层既薄又均匀的水膜,器壁上不应挂水珠。
凡是已经洗净的仪器,不要用布或软纸擦干,以免布或纸上的少量纤维附着在器壁上反而沾污了仪器。
(3)玻璃仪器的干燥
玻璃仪器的干燥主要有自然干燥(晾干)、烘烤干燥(烤干)、热气干燥(吹干)、烘箱干燥(烘干)、有机溶剂干燥(快干)等五种方法。
① 自然干燥(晾干) 不急用的仪器,可将洗净的仪器放置在适当的仪器架上或者仪器柜内,让其在空气中自然干燥,倒置可以防止灰尘落入,但要注意放稳仪器。
② 烘烤干燥(烤干) 用煤气灯小心烤干。一些常用的烧杯、蒸发皿等可置于石棉网上用小火烤干。烤干前应擦干仪器外壁的水珠。硬质试管等可用酒精灯加热烤干,从底部烤起,管口向下,以免水珠倒流将试管炸裂,至无水珠后将试管口向上赶尽水汽。
③ 热气干燥(吹干) 对急于干燥和不适合放入烘箱的较大仪器可用电吹风机将其吹干。通常用少量乙醇、丙酮(或最后再用乙醚)倒入已控去水分的仪器中摇洗,然后用电吹风机吹,开始用冷风吹1~2min,当大部分溶剂挥发后吹入热风至完全干燥,再用冷风吹去残余蒸气,不使其又冷凝在容器内。吹风机按冷风→热风→冷风的顺序吹。
④ 烘箱干燥(烘干) 洗净的仪器可放到电热烘干箱内烘干。仪器放进烘箱前应尽量把水倒净,并在烘箱的最下层放一搪瓷盘,接受从容器上滴下的水珠,以免水滴直接滴在电炉丝上,损坏炉丝。
恒温干燥箱(简称烘箱)是实验室常见的仪器,如图3.1所示。 烘箱常用来干燥玻璃仪器,烘干无腐蚀性、热稳定性比较好的化学试剂或试样。但挥发性易燃品或刚用酒精、丙酮淋洗过的仪器切勿放入烘箱内,以免发生爆炸。烘箱带有自动控温装置和温度显示装置。具体使用方法参考烘箱使用说明书。
图3.1 烘箱
烘箱温度为105~110℃,时间为1h左右,适用于一般仪器干燥。玻璃仪器干燥时,应先洗净并将水尽量倒干,放置时应注意平放或使仪器口朝上,带塞的瓶子应打开瓶塞,如果能将仪器放在托盘里则更好。一般在105℃加热一刻钟即可干燥。最好让烘箱降至常温后再取出仪器。如果热时就要取出仪器,应注意用干布垫手,防止烫伤。热玻璃仪器不能碰水,以防炸裂。
称量瓶等在烘干后要放在干燥器中冷却和保存。带实心玻璃塞的仪器及厚壁仪器烘干时要注意缓慢升温并且温度不可过高,以免破裂。带有刻度的量器不可放于烘箱中烘干。
⑤ 有机溶剂干燥(快干) 对于不能加热的厚壁仪器或有精密刻度的仪器,如试剂瓶、吸滤瓶、比色皿、滴定管和移液管等,可加入少量易挥发且与水互溶的有机溶剂(如无水乙醇、乙醚等),转动仪器使溶剂浸润内壁后倒出,如此反复操作2~3次,便可借助残余溶剂的挥发将水分带走。
3.2.3 加热/升温技术
加热是化学实验基本操作的重要部分。不同的温度需要不同的加热器具,不同的化学反应要求不同的加热方式,因此需要选择合适的加热方法。
化学实验室中的加热器具可以分为燃料器具、电加热器和微波加热器。其中,电加热器是分析化学实验中使用最多的一种加热器。本教材着重介绍在化学分析中常用的几种电加热器。
(1)电加热器
分析化学实验室中常用的电加热器主要有电炉、电加热套、电热板、马弗炉、微波炉等。
① 电炉 按功率大小有500W、800W、1000W 等规格,见图3.2。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仪器,这样不仅可以增大加热而积,而且可以使加热更加均匀。温度的高低可以通过调节电阻来控制。
图3.2 电炉
使用电炉时应注意不要把加热的化学试剂溅洒在电炉丝上,以免电炉丝损坏。
② 电热板 电热板是一种均匀加热设备,对于有机物和易燃物的加热尤为适用。电热板升温速度较慢,且受热面是平面的,不适合加热圆底容器,多用作水浴和油浴的热源,也常用于加热烧杯、锥形瓶等平底容器,见图3.3。
图3.3 电热板
电热板的使用与维护:应放在有隔热材料的工作台面上;使用时应先接通电源再开启开关;保持发热铁板的清洁。
③ 马弗炉 属于高温电炉,主要用于高温灼烧或进行高温反应,见图3.4。
图3.4 马弗炉
加热元件是电热丝时,最高使用温度可以达到950℃左右;如果用硅碳棒加热,最高使用温度可以达到1300℃左右。测量这样高的温度,通常使用热电偶温度计。
使用高温炉时应注意的事项:
a.查看高温炉所接电源电压是否与电炉所需电压相符。热电偶是否与测量温度相符,热电偶正、负极是否接反。
b.调节温度控制器的定温调节按钮使定温指针指在所需温度处。打开电源开关升温,当温度升至所需温度时即能恒温。
c.灼烧完毕,先关上电源,不要立即打开炉门,以免炉膛骤冷碎裂,一般当温度降至200℃以下时方可打开炉门,用坩埚钳取出样品。
d.高温炉应放在水泥台上,不可放置在木质桌面上,以免引起火灾。
e.炉膛内应保持清洁,炉周围不要放置易燃物品,也不可放置精密仪器。
④ 微波炉 家用微波炉也可以作为实验室中的加热热源。微波加热基本上属于介电加热效应,微波炉里转换加热模式的效率依赖于分子的性质。
由于玻璃、陶瓷和聚四氟乙烯等非极性材料可以透过微波,因此多作为微波加热容器。金属材料反射微波,其吸收的微波能为零,因此不能作为微波加热容器。在实验中,可以将加热吸收微波能量弱的物质盛入一刚玉坩埚中,再把坩埚放入CuO浴或活性炭浴中,将其置于微波炉中。利用CuO或活性炭能强烈吸收微波,瞬时达到很高温度的性质,来加热吸收微波能量弱的物质。
目前,家用微波炉主要通过控制加热时间和微波功率来调整反应条件。因此,微波加热在化学反应和化学实验中的运用还是一个活跃的研究领域。
(2)加热方法
由于物质的性质不同,加热物质的器具与方法也不同。加热一般分为直接加热和间接加热。最简单的方法是使用加热器具直接加热。
① 直接加热 直接加热是将被加热物直接放在热源中进行加热,如在酒精灯/煤气灯上加热试管或在电炉上以及马弗炉内加热坩埚等。
a.液体的直接加热 当被加热的液体在较高的温度下稳定而不分解,又无着火危险时,可以把盛有液体的器皿放在石棉网上用酒精灯或电炉直接加热。
b.固体物质的灼烧 欲在高温下加热固体物质或灼烧沉淀时,可以把固体放在坩埚中,将坩埚斜放在泥三角上,半盖盖,用酒精喷灯加热。加热时应将灯焰(注意:应使用氧化焰!)直接喷在坩埚盖上再反射到坩埚里面的反应物上直接加热,见图3.5(a)。不要让还原焰接触坩埚底部,以免坩埚底部结上炭黑,见图3.5(b)。夹取坩埚时,必须用干净的坩埚钳夹取。取高温坩埚需预热坩埚钳的尖端或待坩埚冷却后再夹取。坩埚钳用后应平放在桌上或石棉网上,尖端向上,保证坩埚钳尖端洁净[见图3.25(b)]。坩埚耐高温,但不宜骤冷。热坩埚取下后,应放在石棉网上冷却。
图3.5 坩埚的加热方法
(a)用氧化焰火焰加热;(b)在坩埚底部灼烧
若需要更高的温度灼烧,可以使用高温炉(如马弗炉)。用高温炉可以准确地控制灼烧温度与时间。但是使用时要注意根据温度选用合适的反应容器。
直接加热的最大缺点是容易造成受热仪器受热不均,有产生局部过热的危险,且难以控制温度。
② 间接加热 有些物质的热稳定性较差,过热时容易发生氧化、分解或大量挥发逸散,这类物质不宜采用直接加热法,可采用间接加热法。
间接加热是先用热源将某些介质加热,介质再将热量传递给被加热物,这种方法称为“热浴”。常见的热浴方法有水浴、油浴、沙浴等。热浴的优点是加热均匀,升温平稳,并能使被加热物保持一定温度。
a.水浴 水浴是借助被加热的水或水蒸气进行间接加热的方法。凡需均匀受热而又不超过100℃ 的加热都可用水浴。
水浴加热的专用仪器是水浴锅(图3.6),常用铜或铝制成,锅盖是由一组由大到小的同心圆水浴环组成。根据受热器皿底部受热面积的大小选择适当口径的水浴环。水浴锅中的盛水量不得超过其容积的2/3。
图3.6 水浴锅实物图
在加热过程中,由于水分不断蒸发,因此可酌情向锅内增添热水,切勿将水蒸干。加热温度为90℃以下时,可把受热器浸入水浴锅的热水中,但不得与锅底接触,以免受热器受热不均而炸裂;加热温度为100℃时,可把热器放在水浴环上或悬挂于沸水中(切勿与锅底接触),利用沸水的蒸汽或沸水进行加热。如果无水浴锅,也可用烧杯代替。
b.沙浴 沙浴是借助被加热的细沙进行间接加热的方法。凡需均匀受热且加热温度在100~400℃时均可用沙浴。沙浴装置是一个铺有一层均匀细沙(需先洗净并煅烧除去有机杂质)的铁盘。使用时,把要加热的容器埋入沙中,对盘中的沙加热(图3.7)。沙中应插温度计以便控制温度,温度计的水银球要紧靠容器壁。
图3.7 沙浴示意图
因沙子的热传导能力差,沙浴温度分布不均匀,故容器底部的沙要薄些,以使容器易受热,而容器周围的沙要厚些,以利于保温。
c.油浴 用油代替水浴中的水,将加热容器置于热浴中,即为油浴。油浴所能达到的最高温度取决于所用油的种类。甘油可加热至220℃,温度再高会分解。透明石蜡可加热至200℃,温度再高也不分解,但易燃烧,是实验室中最常用的油浴油。硅油和真空泵油加热至250℃仍较稳定。使用油浴时,应在油浴中放入温度计观测温度,以便调整火焰,防止油温过高。在油浴锅内使用电热卷加热,要比明火加热更为安全。再接入继电器和接触式温度计,就可以实现自动控制油浴温度。
注意:使用油浴时要加倍小心,发现严重冒烟时要立即停止加热。还要注意不要让水滴溅入油浴锅。