***声明:本文章所描述的知识仅供参考,不可作为实验室操作的指导材料使用。具体实验室的操作,请以老师所提供的材料为准。***
本系列文章的目的是:
a. 帮助大家标出需要掌握的关键词汇和相关表达;
b. 详细讲解相关的知识要点。
物质的加热方法是一个基础操作。初高中的范围内,含本生灯加热操作的实验比较多。其实在实际的检验工作中,却一般很少使用本生灯加热。水浴锅 (water bath)、烘箱 (oven)或马弗炉 (furnace)用的比较多,比如测样品中水分 (moisture)或灰分 (ash)含量。大家有兴趣的话以后可以慢慢介绍。
那么国外初高中化学实验中,加热的操作对于学生来说,一般是针对烧杯而言。而对试管加热,由于危险性相对较大,一般由老师操作,在通风橱中进行。我们之所以需要学习物质的加热这一skill,主要是因为这是一个重要的基础操作,有助于培养大家的动手能力,需要掌握。
无论什么操作,进实验室后就要戴上三件套,实验眼镜,实验服和实验手套。
对试管加热
若使用本生灯,火焰要调节成小火焰。也就是说通过调节套管,让空气进入量低一些,并且通过调节气阀,使进入的天然气量也低一些。至少要关闭一半以上。加热操作需要使用试管夹 (test tube holder) 夹取试管。试管夹我们国内的可能是以木质为主,国外是以铁或不锈钢为主。将试管夹按压打开,从试管的底部套上去。
试管或沸腾管最好选用borosilicate(硼硅)材质的,因为这种材料会有效防止玻璃在高温下可能发生碎裂。这一点在试管表面就会看到标注。
若加热液体,液体的体积不宜太大,一般为装满试管的1/4到1/3。这主要是为了防止爆沸 (bumping)。加热试管时,试管应倾斜夹取 (hold the test tube at an angle),先将试管在火焰上保持倾斜角度上下移动 (move it up and down),使试管可以均匀受热 (heat it evenly),之后再加热液体的主体部分。爆沸的意思是由于液体受热太剧烈 (is heated very rapidly and strongly),突然沸腾或沸腾程度过于剧烈,生成的水蒸气的量过大,从而将液体从试管中推出 (push out, shoot out)。那么为了减少可能爆沸所带来的危险,我们的方法是,一、降低液体的体积 (limit the volume of liquid);二、使用沸腾管 (boiling tube)。沸腾管的体积更大,给液体更多膨胀的空间 (space for expanding);三、使试管均匀受热;四、加入沸石 (boiling stones)。水沸腾时生成的大量气泡的内部主要成分是水蒸气。由于爆沸发生的主要原因是大量水蒸气同时形成,强大的推力将管中的液体推出。沸石内部具有大量的空洞,能够吸附所生成的水蒸气。这一性质与活性炭相似。加入碎瓷片 (procelain chips)也可以防止爆沸,但原理不同。可能是增强了扰动使防止形成过热液体的原因。所以说加入沸石或碎瓷片是防止爆沸的非常有效的方法。五、既然有可能爆沸,那么试管口就不要对准人,要朝着其他的方向 (point the test tube away from people)。六、如果使用烧杯,那么就要使用石棉网,并持续搅动液体 (use gauze mat and keep stirring)。
bump: 动词表示撞,比如撞到头,撞到别人。名词表示隆起物,比如speed bump - 减速带;也可以表示女性怀孕时的隆起的肚子。这里表示爆沸,可能是与爆沸的性质有关,因为爆沸也是一个大泡突然形成,将液体推出。
还有一个方面,就是要根据实验的要求来选择加热方式。有些实验如果水浴就可以实现,那就没有必要用本生灯直接加热试管。用水壶烧点开水放到烧杯中,这就是热水浴,再将试管放入其中即可。再有比如蒸发实验,用本生灯直接加热盛有盐水的蒸发皿 (evaporating dish),爆沸是一方面,还有就是快干的时候,形成的颗粒会跳起来,也是一个potential risk。那么在这种情况下,我们就可以使用水蒸气来进行加热 - more gently,也就是本生灯加热石棉网上的盛有水的烧杯,用所生成的蒸气直接对蒸发皿加热。
蒸气浴对固体加热时,同样也需要限制固体的量,一般是1/5 (one-fifth full)。并且先对试管均匀加热。比如加热高锰酸钾生成氧气,这个时候所要考虑的是,一、高锰酸钾 (Potassium permanganate)的熔化和蒸发。高温加热下,可以看到高锰酸钾逐渐变成了液体并在试管中形成了紫色蒸气。由于试管口部分温度低,高锰酸钾容易在试管口部分结晶。那么一个潜在的危险就是可能会堵塞导管,发生爆炸。我们采取的措施有在导管口部分放一块棉花来阻挡蒸气进入导管,还有就是要时刻注意生成气泡的多少。如果加热后气泡始终没有在水中持续生成,要立即熄灭火焰,停止实验。这就说明堵塞了。所以对于制氧气的实验要尽量使用排水法,而不是排空气法。二、既然会有爆炸的危险,实验就一定要在通风橱 (fume hood) 中进行。下拉的塑料挡板是最好的保护。
初中过程中还有一个直接加热固体的实验是,study the percentage of water in a hydrated salt - 即测定水合盐中水分的含量。比如可以直接加热五水硫酸铜。
还要考虑的一个问题就是,加热后的器皿,比如试管、蒸发皿、坩埚一定要等温度降到室温后再用手拿 - cooling to room temperature。