基礎(chǔ)有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的操作細(xì)節(jié)
——常壓蒸餾教學(xué)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)談

李芳 ，趙衛(wèi)光

1南開大學(xué)化學(xué)學(xué)院，化學(xué)國家級實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心，天津 300071

2南開大學(xué)化學(xué)學(xué)院，元素有機(jī)化學(xué)研究所，天津 300071

《中國學(xué)生發(fā)展核心素養(yǎng)》認(rèn)為核心素養(yǎng)是“學(xué)生應(yīng)具備的，能夠適應(yīng)終身發(fā)展和社會發(fā)展需要的必備品格和關(guān)鍵能力”[1]?；A(chǔ)有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)是大學(xué)化學(xué)中一門重要的基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)課[2]，筆者對于基礎(chǔ)有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)中的素質(zhì)教育和思政教育曾發(fā)表過多篇論文[3–6]，討論在訓(xùn)練學(xué)生牢固掌握實(shí)驗(yàn)的基本操作和基礎(chǔ)知識的同時(shí)，如何加深學(xué)生對化學(xué)理論和基本概念的理解，提高學(xué)生的動(dòng)手能力和分析問題、解決問題的能力，將來能夠更好地應(yīng)用所學(xué)解決實(shí)際問題。

習(xí)近平主席強(qiáng)調(diào)注重創(chuàng)新發(fā)展，在2014年亞太經(jīng)合組織(APEC)工商領(lǐng)導(dǎo)人峰會上，他指出“惟創(chuàng)新者進(jìn)，惟創(chuàng)新者強(qiáng)，惟創(chuàng)新者勝”。在2021年中央經(jīng)濟(jì)工作會議上，習(xí)近平主席提到“‘致廣大而盡精微’是成事之道[7]”，2022年新年賀詞中再次提到“致廣大而盡精微”。不謀全局者，不足謀一域，而“盡精微”才能決定成敗。實(shí)踐證明，創(chuàng)新往往存在于細(xì)節(jié)之中，細(xì)節(jié)是創(chuàng)新之源。

常壓蒸餾在石油化工及其他化學(xué)工業(yè)中的廣泛應(yīng)用，是液體有機(jī)化合物的一種非常重要的分離提純方法，也是大學(xué)基礎(chǔ)有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)中最重要的實(shí)驗(yàn)基本操作訓(xùn)練之一[8]。近些年來有關(guān)蒸餾的高考題頻繁出現(xiàn)[9]，說明了蒸餾在化學(xué)學(xué)習(xí)各階段的重要性。對于常壓蒸餾操作已有很多討論，如對餾分溫度接收的探討[10]，對實(shí)驗(yàn)中冷凝水、溫度計(jì)水銀球位置的探討[11]，利用蒸餾方法分離混合物的課程設(shè)計(jì)[12]以及從物理化學(xué)蒸氣壓的角度討論蒸餾的原理等[13,14]。然而，無論教材還是文章，對常壓蒸餾的一些操作細(xì)節(jié)都沒有進(jìn)行很深入的討論，很多學(xué)生，包括部分教師都沒能很好地掌握常壓蒸餾操作。本文根據(jù)筆者多年的有機(jī)合成實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)和教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，著重對儀器的安裝和蒸餾操作中的細(xì)節(jié)和常犯的錯(cuò)誤進(jìn)行詳細(xì)的解析，與同行共同探討，使學(xué)生能夠快速掌握蒸餾操作技巧。

1 儀器的安裝

1.1 安裝原則

1.1.1 選擇合適的儀器

使用儀器包括鐵架臺(或網(wǎng)格架)、升降臺、磁力攪拌、電熱套(或油浴鍋)、十字夾、鐵夾、圓底燒瓶、磁子(或沸石)、蒸餾頭、螺旋接頭和普通溫度計(jì)(或磨口溫度計(jì))、直行冷凝管、接液管以及錐形瓶或圓底燒瓶若干。

其中圓底燒瓶選擇需要注意的是，所需蒸餾液體的體積不應(yīng)少于燒瓶體積的1/3，不超過燒瓶體積的2/3。少于1/3會影響蒸餾收率，多于2/3容易導(dǎo)致燒瓶上部空間過小，沸騰時(shí)液體容易沖出。對于一些蒸餾時(shí)容易起泡的液體，體積最好不超過燒瓶體積的1/2。

1.1.2 儀器的檢查

(1) 使用前需要注意檢查玻璃儀器是否有裂紋，有問題的儀器一定不能使用。(2) 電磁攪拌需要提前檢查攪拌和加熱功能是否良好。

1.1.3 安裝原則

實(shí)驗(yàn)儀器的安裝一般都是按照從下到上、從左到右的順序(或從中間到兩側(cè))。拆除儀器時(shí)，一般與安裝儀器相反的順序進(jìn)行拆卸。

儀器安裝后一定要保證周正、牢靠。從正面和側(cè)面看，要保證儀器的垂直和水平，用手輕輕晃動(dòng)儀器，儀器整體不能出現(xiàn)晃動(dòng)。

1.2 儀器安裝

如圖1所示，儀器的安裝首先在靠近鐵架臺(或網(wǎng)格架)處擺好升降臺，調(diào)節(jié)好高度，方便加熱設(shè)備的拆除或更換。

圖1 常壓蒸餾儀器的安裝示意圖

圓底燒瓶內(nèi)裝入磁子，并將燒瓶放入電熱套內(nèi)。禁止裝好儀器后再放磁子，防止砸碎燒瓶。原因是高度過高，同時(shí)磁鐵的吸引力會加大沖擊力。

目測合適的高度固定好十字夾，不掉即可，不用擰緊。將鐵夾柄夾到十字夾上，調(diào)整合適的位置，預(yù)緊固定。鐵夾夾好燒瓶頸，擰緊固定，注意一定不要夾在燒瓶口。夾好后，依次用力緊固十字夾、燒瓶夾。夾子質(zhì)量較差時(shí)，可能造成夾子移位，適當(dāng)調(diào)整位置后，繼續(xù)緊固。預(yù)緊的目的是使夾子固定在大概合適的位置，需要調(diào)整位置時(shí)，稍微用力扭動(dòng)即可，不需要反復(fù)松緊螺母。

安裝好蒸餾頭后，在蒸餾頭支管延長線，大約冷凝管一半長度的位置夾好十字夾和鐵夾，預(yù)緊。將直行冷凝管接好上下水管后，與蒸餾頭連接，適當(dāng)調(diào)整夾子的位置和角度，使鐵夾固定端剛好托住冷凝管，依次緊固十字夾、鐵夾。如有位移，適當(dāng)調(diào)整位置，使鐵夾固定端剛好托住冷凝管，最后擰緊冷凝管的夾子。

安裝好接液管后，連接錐形瓶，并用升降臺托住錐形瓶，此時(shí)需要注意錐形瓶和接液管之間不要留空隙，以減少揮發(fā)。接液管上有接口通大氣，可以保持內(nèi)外壓力平衡。過去接液管需要接軟管通入水槽，排出尾氣，在通風(fēng)櫥中使用時(shí)，不需要此操作。

從正面和側(cè)面檢查儀器的安裝是否垂直周正，檢查儀器是否牢固，各個(gè)磨口連接處是否連接緊密，有沒有脫開現(xiàn)象。最后裝上溫度計(jì)。

初次安裝儀器時(shí)，蒸餾頭和冷凝管之間非常容易連接不緊，留有空隙，造成蒸氣外溢，降低收率，并容易發(fā)生危險(xiǎn)，需要指導(dǎo)教師注意觀察及時(shí)糾正。這時(shí)我們也可以使用塑料夾將燒瓶和冷凝管連接固定，此外塑料夾也可以用于冷凝管和錐形瓶的連接，以防掉落。另外，蒸餾頭和圓底燒瓶有時(shí)也容易連接不緊，需要注意檢查。

1.3 電熱套的使用

如使用電熱套加熱，須注意以下事項(xiàng)：(1) 電熱套要和圓底燒瓶規(guī)格一致，勿過小或過大，均會導(dǎo)致接觸面積過小，以至于使用過高的電壓，電阻絲溫度過高，如有有機(jī)溶劑撒入容易發(fā)生意外。(2) 圓底燒瓶和電熱套間距1毫米，過遠(yuǎn)會導(dǎo)致使用電壓過高，過近容易造成局部過熱。我們可以通過調(diào)節(jié)升降臺，使電熱套與圓底燒瓶接觸，然后反向旋轉(zhuǎn)半圈，略微降低高度即可。(3) 電熱套不可進(jìn)水或化學(xué)試劑，如進(jìn)水需要更換電熱套，以防短路。如使用油浴加熱，需要注意試劑不要灑落到油浴里面。采用油浴加熱和加熱塊加熱的方式，還需要注意檢查熱電偶是否在油浴或加熱塊中。(4) 加熱前應(yīng)檢查是否加入磁子，并打開攪拌。如無電磁攪拌，也可以直接使用電熱套，并預(yù)先加入1–2粒沸石，防止爆沸。如加熱過程中發(fā)現(xiàn)忘記加沸石，應(yīng)立即停止加熱，待冷卻到沸點(diǎn)以下幾度后補(bǔ)加沸石。

1.4 夾子的使用

蒸餾所用的夾子分為十字夾和鐵夾，見圖2a。其中十字夾是用來固定鐵架臺或網(wǎng)格架與鐵夾的，使用時(shí)需要注意十字夾的開口一定要朝上，見圖2c，以防螺絲擰不緊時(shí)，鐵夾掉落。

鐵夾分為燒瓶夾、萬能夾和三抓夾。燒瓶夾用來固定燒瓶，也可用于冷凝管的固定。萬能夾用于固定冷凝管，不能用于固定燒瓶，因?yàn)槿f能夾開口過大，不能夾緊燒瓶，容易發(fā)生危險(xiǎn)。燒瓶和冷凝管都可以使用三爪夾固定。使用時(shí)須注意鐵夾固定的一端在下面，見圖2b，方便調(diào)節(jié)，放好冷凝管后，上面擰緊螺絲即可；如果活動(dòng)端在下，擰緊螺絲時(shí)，冷凝管會隨之移動(dòng)，不方便固定，或造成蒸餾裝置之間相互較勁。需要說明的是三爪夾又分為單調(diào)節(jié)和雙調(diào)節(jié)，對于雙調(diào)節(jié)的三爪夾固定儀器時(shí)，調(diào)節(jié)好一側(cè)，當(dāng)作固定端使用即可。

圖2 十字夾和鐵夾種類及使用方法

1.5 冷凝管的使用

首先在安裝冷凝管前，需要先連接水管，盡量避免儀器安裝好后安裝水管，此時(shí)安裝較為不便，特別是對初學(xué)者來說，容易造成儀器損壞，并帶來人身傷害事故。

其次在安裝水管時(shí)，拿冷凝管的手一定握緊水管連接處，見圖3a；如握得過遠(yuǎn)，見圖3b，非常容易使冷凝管斷裂，造成劃傷，極端情況會造成嚴(yán)事故。另一只手拿住膠管來回旋轉(zhuǎn)擰入，不要用力過猛，如果膠管內(nèi)徑過細(xì)，可以用膠管沾水潤滑。同時(shí)膠管應(yīng)插到冷凝管進(jìn)出水口寶塔頭第二層以后，見圖3c，避免使用過程中膠管脫落。

圖3 冷凝管安裝示例

冷凝水需要注意上進(jìn)下出，如果冷凝管進(jìn)出水口同側(cè)，則均向上，見圖4a；如果冷凝管進(jìn)出水口異側(cè)，則出水口向上，進(jìn)水口向下，見圖4b。一方面，使冷凝管夾層可以被水充滿；另一方面，也使冷凝水的流向和餾分的流向相反，形成逆流，提高冷卻效果，節(jié)約用水。開冷凝水時(shí)觀察出水口流量，不宜過大，保證冷凝管出口溫度與水溫接近即可。

圖4 冷凝管水管連接示意圖

1.6 溫度計(jì)的位置和調(diào)整

教材中指出蒸餾的時(shí)候溫度計(jì)水銀球的上沿應(yīng)該與蒸餾燒瓶支管口的下沿平齊，如圖1所示。此時(shí)蒸氣包裹水銀球以后，立刻通過蒸餾頭支管進(jìn)入冷凝管冷凝，是真實(shí)的餾出物的沸點(diǎn)溫度。如果溫度計(jì)過高，蒸氣達(dá)不到，會導(dǎo)致實(shí)際顯示的溫度偏低。如果過低，則會使顯示溫度偏高，這是由于加熱溫度需要高于沸點(diǎn)20–30 °C，溶劑過熱、有時(shí)燒瓶上部也會受熱，造成蒸氣溫度偏高，燒瓶頸同時(shí)會有冷卻作用，造成上下溫度不一致。收集餾分時(shí)我們通常要保持每秒1–2滴的流速也是這個(gè)原因，過快導(dǎo)致溶劑過熱，沸點(diǎn)偏高，不能有效分離不同的物質(zhì)，過慢則浪費(fèi)時(shí)間。

在我們實(shí)際使用時(shí)，有些蒸餾頭支管呈倒V字形(圖5)，這時(shí)候，我們需要注意的是溫度計(jì)水銀球的上沿應(yīng)該與蒸餾燒瓶支管下沿的最高處平齊，理由同上。

圖5 溫度計(jì)的位置

通常的磨口溫度計(jì)不能調(diào)整，選擇合適的磨口溫度計(jì)即可。如使用普通溫度計(jì)，須將螺旋套管塑料帽擰松，插入溫度計(jì)，略擰緊，使溫度計(jì)可以移動(dòng)，不至掉落，放入蒸餾頭上口，調(diào)節(jié)溫度計(jì)位置后，擰緊即可。塑料帽內(nèi)有O型墊圈用于密封，如不能固定溫度計(jì)，需要更換O型墊圈，或是更換稍粗的溫度計(jì)。

2 常壓蒸餾操作步驟

(1) 量取20 mL工業(yè)乙醇(或用天平稱量相應(yīng)質(zhì)量的乙醇15.9 g)。

(2) 將接收瓶稱重，并記錄數(shù)據(jù)。

(3) 將溫度計(jì)取下，蒸餾頭上口放上長頸三角漏斗(長頸漏斗的頸部長度超過蒸餾頭支管下沿)，將乙醇倒入。熟練后也可以在安裝前加入乙醇。

(4) 打開攪拌，慢慢調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速至有明顯的漩渦產(chǎn)生，并在實(shí)驗(yàn)過程中注意觀察磁子是否轉(zhuǎn)動(dòng)正常，如果磁子跳動(dòng)，應(yīng)將轉(zhuǎn)速調(diào)零后，再慢慢提高轉(zhuǎn)速至正常。

(5) 緩慢擰開水龍頭，讓冷凝水緩慢流入直形冷凝管中。

(6) 打開加熱，電壓適當(dāng)調(diào)高(180 V左右)，待蒸餾頭底部有液滴出現(xiàn)時(shí)，電壓調(diào)節(jié)至100 V左右。這樣可以縮短實(shí)驗(yàn)時(shí)間，電壓為參考值，儀器不同溫度有所差異，根據(jù)流出速度調(diào)節(jié)電壓。使用油浴加熱時(shí)，油浴溫度一般高于沸點(diǎn)20–30 °C即可。

(7) 溫度計(jì)水銀球開始接觸蒸氣時(shí)，顯示溫度快速上升，待溫度計(jì)顯示穩(wěn)定時(shí)，觀察冷凝管上端凝結(jié)的液滴完全流入接收瓶后，更換接收瓶，并記錄溫度t1，這樣可以減少前餾分的污染。

(8) 注意觀察餾出速度，保持每秒1–2滴的速度蒸餾，同時(shí)注意觀察蒸餾溫度，期間溫度會緩慢上升。

(9) 當(dāng)溫度計(jì)顯示溫度發(fā)生明顯變化時(shí)，立即更換接收瓶，并將變化前的溫度記錄為t2。

(10) 蒸餾結(jié)束前，蒸餾瓶需要保留一定量的液體，切勿蒸干。這個(gè)需要養(yǎng)成習(xí)慣，避免今后蒸餾時(shí)存在如過氧化物(醚類溶劑易產(chǎn)生過氧化物)或是未知易爆物質(zhì)在蒸干時(shí)發(fā)生爆炸。

(11) 關(guān)閉加熱，立即撤去電熱套，防止電熱套余溫蒸干液體。

(12) 待蒸餾瓶溫度降至沸點(diǎn)以下后，關(guān)閉冷凝水。

(13) 記錄前餾分和餾分的質(zhì)量，或是量筒量取體積。

(14) 計(jì)算收率。

(15) 蒸餾瓶冷卻后，按與安裝時(shí)相反的順序，依次拆除接收瓶、接液管、冷凝管、蒸餾頭、燒瓶，并清洗備用。

3 常壓蒸餾注意事項(xiàng)

前面已經(jīng)提到了常壓蒸餾的一些注意事項(xiàng)，圖6是實(shí)驗(yàn)過程中可能會觀察到的溫度計(jì)溫度變化的一些情況。通常在蒸餾過程中，液體蒸氣沒有到達(dá)一定溫度前，溫度計(jì)上升非常緩慢；等液體蒸氣到達(dá)蒸餾溫度時(shí)，溫度計(jì)會顯示一個(gè)快速上升的過程。當(dāng)溫度計(jì)顯示溫度穩(wěn)定時(shí)，待冷凝管中的液體全部流入接收瓶后，這是為了避免冷凝管中殘留的液體影響產(chǎn)品的含量，此時(shí)接收瓶中的液體稱之為前餾分。然后我們需要更換接收瓶收集產(chǎn)品，并記錄溫度t1，仔細(xì)觀察，正餾分流出期間，溫度計(jì)顯示溫度會有緩慢上升，當(dāng)溫度突然變化時(shí)，無論溫度上升或是下降，都需要立即更換接收瓶，并記錄變化前的溫度t2，防止雜質(zhì)污染產(chǎn)品。溫度范圍t1–t2即我們所說的沸程。一般來講，餾分純度很高的情況下，物質(zhì)的沸程為1–2 °C，這主要可能是隨著液體變少，溶液過熱導(dǎo)致蒸氣溫度升高造成的。個(gè)別物質(zhì)沸程變化可能稍大，在3–4 °C。一般超過這個(gè)范圍，則意味著餾分不純。如果兩個(gè)餾分沸點(diǎn)差別不大，體系有足夠蒸氣，正餾分蒸餾完后，溫度計(jì)可能會顯示一個(gè)快速升溫的過程，如圖6中橙色線。通常這種情況是兩個(gè)餾分沸點(diǎn)相差不大(30–40 °C)，中間交叉的餾分比較多，蒸餾量較少時(shí)，較難得到的純組分；蒸餾量較大時(shí)，需要舍棄較多的餾分。實(shí)驗(yàn)室條件下，可以在蒸餾瓶和蒸餾頭之間加分餾柱，蒸餾頭冷凝的液體與上升的蒸氣進(jìn)行熱交換，高沸點(diǎn)的氣體遇冷液化，低沸點(diǎn)的液體不能液化，則可達(dá)到較好的分離效果。精餾即采用這樣的原理通過填料和設(shè)定回流比強(qiáng)化氣液的熱交換來分離沸點(diǎn)差別很小的物質(zhì)。當(dāng)兩個(gè)餾分的沸點(diǎn)相差較大時(shí)，溫度計(jì)可能會先顯示溫度下降，待第二餾分蒸氣到達(dá)溫度計(jì)水銀球時(shí)，溫度再次快速上升，如圖6中藍(lán)色線。這時(shí)按照前面的要求接收第二餾分，并如實(shí)記錄溫度即可。一般來講第二餾分升溫越快，分離的效果越好，升溫越慢，意味著分離效果越差，需要多接一些前餾分，這在蒸餾混合物時(shí)常常會遇到，特別是第一種情況。

圖6 蒸餾實(shí)驗(yàn)時(shí)間和溫度關(guān)系示意圖

在接收主餾分時(shí)，通常以溫度穩(wěn)定來判斷是否接收，而不是根據(jù)文獻(xiàn)沸點(diǎn)來接收，是因?yàn)橛泻芏嘁蛩貢绊戰(zhàn)s分蒸出的溫度。溫度計(jì)顯示不準(zhǔn)確也是原因之一，除了溫度計(jì)質(zhì)量問題，溫度計(jì)長期使用，或使用溫度計(jì)的極限溫度，也會造成溫度計(jì)顯示不準(zhǔn)，因此在使用前應(yīng)該對溫度計(jì)進(jìn)行校正，但實(shí)際操作時(shí)往往會忽視這一點(diǎn)。因此，在溫度計(jì)顯示穩(wěn)定時(shí)收集餾分是最佳方法。如果不確認(rèn)溫度計(jì)是否準(zhǔn)確時(shí)，可以分段收集，標(biāo)注好溫度范圍，在蒸餾結(jié)束后，及時(shí)分析餾分溫度異常的原因，根據(jù)沸點(diǎn)和純度合并餾分，這樣可以保證較高的收率，也可避免因不同餾分交叉過多，而不得不重新蒸餾。

另外天氣過冷時(shí)，對于有些高沸點(diǎn)的液體，可以用石棉布將蒸餾頭包裹保溫，以便提高收率。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果表述

學(xué)生在寫實(shí)驗(yàn)結(jié)果時(shí)，數(shù)據(jù)經(jīng)常不齊全，常常忽略理化性質(zhì)，沸程只寫一個(gè)溫度。一般來講，比較完整的實(shí)驗(yàn)結(jié)果通常表述如下：

工業(yè)乙醇，無色透明液體，具有酒香的氣味

沸程：78–79 °C

產(chǎn)量：12.7 g (或16 mL)

收率：80%

前餾分：1.3 g

釜?dú)垼?.5 g

這里需要注意的是，收率的計(jì)算應(yīng)一般保留到個(gè)位，或是小數(shù)點(diǎn)后一位即可，而不是越多越好。

5 結(jié)語

本文對常壓蒸餾實(shí)驗(yàn)中學(xué)生容易犯的錯(cuò)誤和容易忽視的細(xì)節(jié)進(jìn)行了詳細(xì)的描述，并對可能遇到的現(xiàn)象進(jìn)行了合理的解釋，為今后指導(dǎo)學(xué)生常壓蒸餾的規(guī)范操作提供了一個(gè)參考。

本文所述的注意事項(xiàng)，大部分也適用于減壓蒸餾操作。