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冷却浴是实验室常见的操作,最常见的有三种:冰盐浴,干冰溶剂浴和液氮溶剂浴。相对较低冷却浴温度(-30℃~-78℃)一般用 实验室中比较常见的干冰加其他溶剂降温【后附表】,更低的温度则用液氮。 -20℃以上的冷却浴则常用冰盐浴, 最简单的是用水和碎冰的混合物,可冷 却至 0 ℃~ 5 ℃,由于接触面积大它比单纯用冰块有更大的冷却效能。 冰盐混合冷却剂的温度可在 0 ℃以下,例如, 食盐与碎冰的混合物( 33g : 100g ),其温度可由始温 -1 ℃降至 -21 ℃。 冰盐浴不宜用大块的冰 ,而且要均匀混合,冰盐浴保持溶液状态冷却 效果才好, 盐加太多达到共晶温度(Eutectic temperature)而凝结形成颗粒状的冰盐粒,反而不利于热量扩散。 除上述冰浴或冰盐浴外,若无冰时,则可用某些盐类溶于水吸热作为冷却剂使用。
两种盐及水(冰)组成的冷却剂
盐类及其用量(克)
温 度,℃
始 温
冷 冻
对100克水
+20
+20
+20
0
0
0
0
-7.2
-5.8
-14
NH4Cl 31
KNO3 20
NaNO3 53
NaNO3 61
NH4Cl 24
NH4NO3 79
对100克冰
NH4Cl 26
KNO3 13.5
NH4Cl 20
NaCl 40
NH4Cl 13
NaNO3 37.5
NH4NO3 42
NaCl 42
一种盐及水(冰)组成的冷却剂
盐 类
(每100克冰)
温 度,℃
始 温
冷 冻
NH4Cl
KCl
NH4NO3
NaNO3
NaCl
CaCl2·6H2O
乙醇(4℃)
25
30
45
50
33
204
105
-1
-1
-1
-1
-1
0
0
-30
重点来了,上面说了冰盐浴操作上还是有一些缺点的,实验中除了冰盐浴,冰乙醇浴是一种更容易操作的冷却浴,相对于冰盐浴,乙醇是液体更容易混合均匀,省去了撒盐,搅拌混合均匀的麻烦,另外冰乙醇一直是溶液状态,接触面积更大,冷却效果更好。冰乙醇浴除了冷却反应另一个比较好的应用是,减压蒸馏中可以充当冷却液(当然实验室中有低温冷却循环泵更好,如果没有,冰乙醇加一个潜水泵就可以解决,小编亲试,温度可以降到-20℃,这个温度对于一些相对较低沸点的减压蒸馏足够冷却。)
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附表:干冰及液氮冷却浴温度
摄氏度
冷却浴
13
对二甲苯/干冰
12
1,4-二氧六环/干冰
6
环己烷/干冰
5
苯/干冰
2
甲酰胺/干冰
0
碎冰
-5 到 -20
冰盐浴
乙二醇/干冰
-12
环庚烷/干冰
-15
苯甲醇/干冰
-22
四氯乙烯/干冰
四氯化碳/干冰
-25
1,3-二氯苯/干冰
-29
邻二甲苯/干冰
-32
间甲苯胺/干冰
-41
乙腈/干冰(乙腈不要完全冻住)
-42
吡啶/干冰
-47
间二甲苯/干冰
-52
二甘醇二乙醚/干冰
-56
正辛烷/干冰
-60
异丙醚/干冰
-60
氯乙烷/干冰
-68
85%乙醇/干冰
-72
乙醇/干冰
-77
氯仿/干冰
-77
乙酸乙酯/干冰
-78
丙酮/干冰
-83
丙胺/液氮
乙酸乙酯/液氮
-89
正丁醇/液氮
-94
己烷/液氮
丙酮/液氮
甲苯/液氮
-97
甲醇/液氮
-108
异辛烷/液氮
-110
甲基叔丁基醚/液氮
-116
乙醇/液氮
-116
乙醚/液氮
-131
正戊烷/液氮
-160
异戊烷/液氮
-196
液氮
本文上述数据来源于网络,大部分温度没有进行实测,不准确的请大家指出共同学习。干冰的升华温度是-78.5℃,但利用凝固点高于-78.5℃的溶剂做冷却浴时,加入干冰的量不要太多,否则会将溶剂完全冻住,致使温度降到更低。 下面有个通用的冷却浴制备方法更加实用。
感谢用户“鲍瑞洋”的建议:上述表格中一些溶剂不好找,而且好多溶剂降到所需温度后容易结块(如乙腈),不能长时间保持相应温度。利用下方文献中提到的方法,使用不同配比的乙二醇和乙醇干冰浴,可得到从-12℃到-78℃的低温浴。此方法可以长时间保持温度,只需要隔一段时间加入少量干冰保持温度即可。
注意事项:制备冷却浴过程中不要一次性加入大量干冰,否则会过冷结块,温度会直接降到干冰温度(-78℃)。边搅拌,边缓慢加入干冰,直到混合溶剂变粘稠即可,而后再隔一段时间加入少量干冰保持温度。
体积比和温度曲线如下:
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文献见链接:
https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/ed077p629
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