【合成经验】除了冰盐浴,你知道还有一种冷却浴效果也很不错吗?

学术   2024-11-28 08:04   上海  

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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(33g100g),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)

 度,℃


   

   

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

100克冰


NH4Cl     26

KNO3     13.5

-17.9

-30.0

-30.1

-40.0

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

   

(每100克冰)

   度,℃

   

   

NH4Cl

KCl

NH4NO3

NaNO3

NaCl

CaCl2·6H2O

乙醇(4℃)

25

30

45

50

33

204

105

-1

-1

-1

-1

-1

0

0

-15.4

-11.1

-16.7

-17.7

-21.3

-19.7

-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。)




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
-10.5乙二醇/干冰
-12环庚烷/干冰
-15苯甲醇/干冰
-22四氯乙烯/干冰
-22.8四氯化碳/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
-6885%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
-83.6乙酸乙酯/液氮
-89正丁醇/液氮
-94
己烷/液氮
-94.6丙酮/液氮
-95.1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:

文献见链接:

https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/ed077p629



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