干燥方法
樣品的干燥是要除去固體、液體、氣體樣品中的水分或殘存溶劑等,其干燥與否將直拄組分測定的準確性、有機化合物熔點及沸點測定的可靠性。無機基準物質通常在規定烘一定時間,再保存在干燥器中;液體有機化合物在蒸餾前須先干燥;某些有機反應“絕對無水”條件下進行,不但原料及溶劑要干燥,還要防止空氣中水汽的侵入;有物在進行波譜分析前也必須完全干燥。
干燥方法一般可分為物理法和化學法兩種。
物理法有揮發、吸附、分餾、共沸蒸餾等,一般無機樣品可用揮發法除去水分,有機的大量水分則可利用分餾、共沸蒸餾等除去。離子交換樹脂和分子篩因內部有空隙或可吸附水分子并利用加熱釋放所吸附的水,也可用作干燥劑且可反復使用。
化學法則是用干燥劑去水。按其去水作用可分為兩類:第一類能與水可逆地結合生,如無水氯化鈣、無水硫酸鎂等;第二類則與水不可逆地生成新的化合物,如金屬鈉、五氧化二磷等。實驗室中應用較廣的是第一類干燥劑。
一、固體樣品的干燥
固體樣品的干燥主要是除去殘留在固體中的少量水分和低沸點有機溶劑。其方法如下。
(1)自然干燥適用于在空氣中穩定、不吸潮的固體。將樣品于干燥潔凈的表面皿、濾紙或其他敞口容器中薄薄攤開,上覆透氣物體以防灰塵落入,任其在空氣中通風晾干。此法最簡便、最經濟。
(2)加熱干燥適用于熔點較高且遇熱不分解的固體。將樣品置于表面皿或蒸發皿中用恒溫干燥箱或紅外燈烘干,注意加熱溫度必須低于樣品的熔點。在較高溫度易分解的樣宜用真空恒溫干燥箱于較低溫度下烘干。
(3)干燥器干燥干燥器是存放干燥物品防止吸濕的玻璃儀器,適用于干燥易吸潮、分解或升華的物質。其底部盛有干燥劑,上擱一帶孔圓瓷板以承放容器,磨口處涂有凡士林以防止水汽進入。開關干燥器時,應一手朝里按住干燥器下部,用另一手握住蓋上的圓頂平推。當放入熱的物體時,為防止空氣受熱膨脹把蓋子頂起而滑落,可反復推、關蓋子幾次以放出熱空氣,直至蓋子不再容易滑動為止。搬動干燥器時,應同時按住蓋子,以防蓋子滑落。
干燥器分為普通干燥器和真空干燥器,前者干燥效率不高且所需時間較長,一般用于保存易吸潮的藥品。后者干燥效率較好,但真空度不宜過高,用水泵抽至蓋子推不動即可。啟蓋前,必須首先緩緩放入空氣以防止氣流沖散樣品,然后啟蓋。
干燥器應注意保持清潔,不得存放潮濕的物品,且只在存放或取出物品時打開,物品取出或放入后,應立即蓋上。底部所放的干燥劑不能高于底部高度的1/2處,以防沾污存放的物品。干燥劑失效后,要及時更換。
二、液體樣品的干燥
由于自然條件下呈液態又需干燥的無機物不多,以有機樣品的干燥(去水)為主。
1.利用分餾或生成共沸混合物去水
利用此法可除去樣品中的大量水,細節參見本手冊第二分冊的相關內容。
2.使用干燥劑去水
(1)干燥劑的選擇,除考慮干燥劑的干燥效能外,還有以下要求:①不溶于該有機化合物中;②不與被干燥有機物發生化學反應或起催化作用;③干燥速度快,吸水量大,價格低廉。
通常是先選用第一類干燥劑,僅在需徹底干燥的情況下再用第二類干燥劑除去殘留的量水分。
(2)干燥劑的效能,干燥劑的效能是指達到平衡時液體被干燥的程度。對于形成水合物的無機酸鹽類干燥劑,常用吸水后結晶水的蒸氣壓來表示。如硫酸鈉和氯化鈣能分別形10個和6個結晶水的水合物,其吸水容量達1.25和0.97;兩者的蒸氣壓在25℃時分別253.27Pa及39.99Pa,硫酸鈉的吸水量較大但干燥效能弱,氯化鈣則反之。故在干燥含量較多又不易干燥的化合物時,常先用吸水量較大的干燥劑除去大部分水,然后再用干燥效能強的干燥劑。
(3)干燥劑的用量,干燥劑的用量需根據水在液體中的溶解度、液體的分子結構以及干燥劑的吸水量來估計。干燥含親水基團化合物(如醇、醚、胺等)時要過量得多些,但具體用量很難規定,通常每10ml液體需0.5～1g。
(4)干燥過程,干燥前,要盡量分凈待干燥液體中的水,然后將樣品置于錐形瓶中,加入干燥劑(顆粒大小要適宜,太大吸水緩慢,過細則吸附有機物較多且難以分離),塞緊瓶口,振蕩片刻,靜置觀察。若發現干燥劑黏結于瓶壁,則應補加干燥劑,放置至少半小時以上(最好過夜)。有時干燥前液體顯渾濁,干燥后可變為澄清,以此作為水分已基本除去的標志。已干燥的液體可直接濾入蒸餾瓶中進行蒸餾。
三、氣體的干燥
氣體的干燥主要用吸附法。
1.用吸附劑吸水
吸附劑是指對水有較大親和力,但不與水形成化合物,且加熱后可重新使用的物質,如氧化鋁、硅膠等。前者吸水容量可達其質量的15%～20%;后者可達其質量的20%～30%。
2.用干燥劑吸水
裝干燥劑的設備一般有干燥管、干燥塔、U形管及各種形式的洗氣瓶。前三者裝固體,后者裝液體干燥劑。根據待干燥氣體的性質、潮濕程度、反應條件及干燥劑的用量可選擇不同設備。
下列措施有助于提高干燥效果:①無水氯化鈣、生石灰等易碎裂的干燥劑以顆粒狀為佳(以免吸潮后結塊堵塞);②應注意洗氣瓶的進、出口,且氣體流速不宜過快;③用后應立即關閉各通路,以防吸潮。
加熱方法
化學實驗中樣品不同其加熱方法也不同,通常有直接加熱法(使盛在容器中的物料直接篇從熱源得到熱量,如果熱源是明火,亦叫直火加熱)、熱浴加熱法(使盛有物料的容器通過某一介質而間接得到熱量)等,如非必需,實驗室應盡量避免直接明火加熱。
一、固體加熱方法
1.在試管中直接用酒精燈加熱
無機元素定性實驗中可根據圖2-9所示方式直接加熱試管里的固體。注意:試管口應低于底部,以免水蒸氣回落而使試管破裂。
2.在坩堝中灼燒
固體放入坩堝后,將坩堝放在泥三角上,用煤氣燈(或酒精燈、酒精噴燈)加熱坩堝灼燒(開始用小火,使坩堝均勻受熱),灼燒一段時間后,停止加熱,在泥三角上稍冷后,用坩堝鉗夾住放入干燥器內。
3.在蒸發皿中加熱
當加熱較多固體物質時,可把固體放在蒸發皿中進行,蒸發皿可直接放在鐵圈上。加熱過程中應注意充分攪拌樣品,使之受熱均勻。
4.管式爐和馬弗爐加熱
管式爐和馬弗爐一般都可以加熱到1000℃以上,并適宜于某一溫度下長時間加熱。
二、液體加熱方法
1.直接加熱
直接加熱(又稱直火加熱)的優點是升溫快,熱度高;缺點是器皿受熱不易均勻,溫度不易控制,容器(特別是玻璃容器)容易破裂,物料也可能由于局部過熱而分解。因而,減壓蒸餾、低沸點和易燃物料都不宜用直火加熱。
如果物料盛在玻璃容器如燒杯、燒瓶等容器中,則需在熱源與容器之間加一鐵絲網或石棉鐵絲網,以保護容器。
2.熱浴加熱
熱浴包括水浴、油浴、砂浴等。
電熱套是由玻璃纖維包裹著電熱絲織成的碗狀半圓形的加熱器,可以密切地貼合在燒瓶的周圍,因而加熱較為均勻。有可調控溫裝置,可以提供100℃以上的溫度。
有時為使反應盡快進行,可借助回流裝置使反應物質在較長時間保持沸騰,此時物料蒸氣不斷在冷凝管內冷凝而退回反應瓶中,不會逃逸損失。回流時控制液體蒸氣的高度不超過冷凝管的1/3。回流裝置種類較多。
無論采用何種加熱方法,如果液體中不存在空氣,容器壁又光滑潔凈,就很難形成氣化中心,即使液體溫度超過沸點也難以沸騰,形成過熱現象。過熱液體一旦沸騰,大量的大氣泡便會劇烈沖出,形成“暴沸”。因此,在蒸餾或回流加熱時,都應在液體中加少許沸石。沸石是一種多孔性材料,受熱時會在沸石孔隙中產生一連串小氣泡,形成許多氣體中心,使液體均勻沸騰。使用沸石時應注意:
①先投入沸石,后加入液體。切忌在加熱液體的過程中添加沸石,否則會由于沸石急劇地釋放出大量的氣泡而引起暴沸,使液體沖出容器。
②一旦中途停止加熱,液體就會進入沸石空隙而使其失效,因此,須重新添加沸石。
③有攪拌的加熱可不加沸石,因攪拌器起到了沸石的作用。一端封口的毛細管、短玻璃管、不規則的碎玻璃塊等有時也可代替沸石使用。
三、微波加熱介紹
微波是指頻率在300MHz到300×103MHz的電磁波。被加熱介質物料中的水分子是極分子,在快速變化的高頻電磁場作用下,其極性取向將隨著外電場的變化而變化,造成分子的運動和相互摩擦效應。此時微波場的場能轉化為介質內的熱能,使物料溫度升高,產生熱化和膨化等一系列物化過程而達到微波加熱的目的。
微波加熱具有波動性、高頻性、熱特性和非熱特性四大基本特性。
(一)微波加熱原理特性
1.選擇性
物質吸收微波加熱的能力主要由其介質損耗因數來決定。介質損耗因數大的物質對微波加熱的吸收能力就強,相反,介質損耗因數小的物質吸收微波加熱的能力也弱。由于各物質的損耗因數存在差異,微波加熱就表現出選擇性加熱的特點。水分子屬極性分子,介電常數較大,其介質損耗因數也很大,對微波加熱具有強吸收能力。而蛋白質、碳水化合物等的介電常數相對較小,其對微波加熱的吸收能力比水小得多。因此,對于蛋白質、碳水化合物來說,含水量的多少對微波加熱效果影響很大。
微波射到金屬上就發生反射,金屬不能吸收或傳導微波;微波可以穿過玻璃、塑料等絕緣材料,但不會消耗能量。因此,用微波對物質加熱,不能用金屬材料,而只能用玻璃、陶瓷、塑料等絕緣材料做成的容器。
2.穿透性
微波加熱比其他用于輻射加熱的電磁波如紅外線、遠紅外線等的波長更長,因此具有更好的穿透性。微波加熱透入介質時,介質材料內部、外部幾乎同時加熱升溫,形成體熱源狀態,大大縮短了常規加熱中的熱傳導時間,且在條件為介質損耗因數與介質溫度呈負相關關系時,物料內外加熱均勻一致。
3.熱慣性小
微波加熱對介質材料是瞬時加熱升溫,能耗也低。另外,微波加熱的輸出功率隨時可調,介質溫升可無惰性地隨之改變,不存在“余熱”現象,有利于自動控制和連續化生產的需要。
(二)微波加熱的生物效應機制
當微波加熱作用于生物體時,在生物控制系統的作用和調節下,生物體必然要建立新的平衡狀態以適應外界電磁環境條件的變化,因此也就必然產生某些生物效應。微波加熱的生物效應主要是由微波加熱的熱效應引起的,其次是由非熱效應引起的。
1.微波加熱的熱效應
微波加熱對生物體的熱效應是指由微波加熱引起的生物組織或系統受熱而對生物體產生的生理影響。熱效應主要是生物體內有機分子在微波加熱高頻電場的作用下反復快速取向轉動而摩擦生熱;體內離子在微波加熱作用下振動也會將振動能量轉化為熱量;一般分子也會吸收微波加熱能量后使熱運動能量增加。如果生物體組織吸收的微波加熱能量較少,它可借助自身的熱調節系統通過血循環將吸收的微波加熱能量(熱量)散發至全身或體外。如果微波加熱功率很強,生物組織吸收的微波加熱能量多于生物體所能散發的能量,則引起該部位體溫升高。而局部組織溫度升高將產生一系列生理反應,如使局部血管擴張,并通過熱調節系統使血液循環加速,組織代謝增強,白細胞噬作用增強,促進病理產物的吸收和消散等。
2.微波加熱的優點
微波加熱自身的特性決定了微波加熱具有以下優點。
①加熱迅速,均勻。不需熱傳導過程,且具有自動熱平穩性能,避免過熱。
②加熱質量高,營養破壞少,能最大限度地保持食品的色,香、味,減少食品中維素的破壞,有利于氨基酸,維生素等組分的測定。
③安全、衛生,無污染,微波對食品的殺菌能力較強。微波加熱被控制在金屬制成的加熱室內和波導管中工作,所以微波加熱泄漏被有效地抑制,沒有放射線危害及有害氣體排放,不產生余熱和粉塵污染。既不污染食物,也不污染環境,還不破壞樣品的原始組成。微波加熱殺菌除了熱效應之外還有生物效應,許多病菌在微波加熱不到100℃時就全部殺死。
④節能高效。由于含有水分的物質極易直接吸收微波加熱而發熱,沒有經過其他中轉換環節,因此除少量的傳輸損耗外幾乎無其他損耗。比一般常規加熱省電30%～50%。
⑤具有快速解凍功能。在微波加熱場中,凍結食品從內到外同時吸收微波加熱能量,使凍結食品整體發熱,容易形成整體均一的解凍,縮短解凍時間,迅速越過-50～0℃這個易發生蛋白質變性、食品變色變味的溫度帶,以保持食品的品質不致下降,也能保障冷凍保字的被分析樣品中的相關參數不發生變異。
3.微波加熱的非熱效應
微波加熱的非熱效應是指除熱效應以外的其他效應,如電效應、磁效應及化學效應等。主微波加熱電磁場的作用下,生物體內的一些分子將會產生變形和振動,使細胞膜功能受到影響,細胞膜內外液體的電狀況發生變化,引起生物作用的改變,進而可影響中樞神經系統等。微波加熱干擾生物電(如心電、腦電、肌電、神經傳導電位、細胞活動膜電位等)的節律,會導致心臟活動、腦神經活動及內分泌活動等一系列障礙。當生物體受強功率微波加熱照射時,熱效應是主要的(一般認為,功率密度在10mW/cm2者多產生微熱效應,且頻率越高產生熱效應的閾強度越低);長期的低功率密度(1mW/cm2以下)微波加熱輻射主要引起非熱效應。
(三)微波加熱的應用
①微波在農業科學上的應用。微波加熱對許多發芽率低或發芽慢的農作物或林木種子做了催芽試驗,以探索能否提高發芽率。通常低含水率種子受加熱處理的影響大,也能忍受較高溫度不致受損。在相同升溫(45℃)下,微波加熱處理可顯著促進芽活力,熱處理則可以顯著促進根活力;利用200W功率的微波加熱處理可以顯著提高白蘭瓜種子的發芽率及萌發活力,因為這一功率的微波加熱能有效地激活白蘭瓜種子萌發期的淀粉酶,加速物質和能量的代謝,從而提高種子萌發活力。
②微波的生物效應在醫學上的應用。微波加熱的生物效應可以用來診斷各種腫瘤、胸部疾病、肺氣腫、肺水腫,測量動脈血管壁的厚度等。特別是利用微波加熱生物效應治療腫瘤:根據腫瘤組織的血液循環和導熱性能比正常組織差(在受到微波加熱照射時,腫瘤組織的溫升比周圍的正常組織通常要高出1～3℃)的特點,利用微波將腫瘤病灶的溫度升至43℃左右,這種高溫環境抑制了原發腫瘤和轉移腫瘤的血管生長,破壞腫瘤細胞的結構,從而使腫瘤細胞凋亡。將微波加熱熱療與放射性治療以及化學治療結合則可收到更好的治療治果。
③微波加熱在化學反應控制和輔助萃取等方面有諸多應用。