综合实验与工艺流程中有关温度控制问题的分析

侯志宏

湖南

化工工艺流程题和实验题是全国卷理综化学每年必考的两大题型，综合了元素化学、化学反应原理、实验基础、工业生产、环境保护、资源开发利用等几乎所有高中化学的内容，对学生提炼题目信息、挖掘潜在条件、综合分析处理问题等方面提出了较高的要求。工艺和实验设计的成功必须考虑反应条件的控制，其中温度的控制尤为关键，这在各地的高考试题中均有体现；温度控制相关试题常常同时考查文字表达，使得该类试题成为高考化学的难点和易失分点。本文主要介绍如何控制温度及为什么控制温度，并结合高考试题进行分析。

1.控制温度的意义

【例题1】实验室以苯甲醛为原料制备间溴苯甲醛(实验装置见下图，相关物质的沸点见附表)。

物质沸点/℃物质沸点/℃溴58.81,2-二氯乙烷83.5苯甲醛179间溴苯甲醛229

其实验步骤为

步骤1～步骤3略

步骤4：减压蒸馏有机相，收集相应馏分，得到间溴苯甲醛。

问题：步骤4中采用减压蒸馏技术，是为了防止________。

解题分析：从题干中获取关键信息，间溴苯甲醛含有醛基且沸点为229℃；醛基在温度较高时容易被氧化，减压蒸馏可以降低操作中所需温度，防止副反应的发生。

参考答案：间溴苯甲醛被氧化

问题：碳化温度保持在50～60℃。温度偏高不利于碳化反应，原因是__________________ ；温度偏低也不利于碳化反应，原因是__________________。

参考答案：CO2的溶解度减小、Mg(HCO3)2受热分解、平衡逆向移动等 降低了反应速率

智能变电站通过电流、电压控制技术，采用GIS控制设备和先进的传感器，充分结合计算机技术的网络监控系统。利用传统的光纤端口保护装置以及回路装置，实现信息传输，智能变电站主要系统组成是站控层、设备层以及间隔层，这些主要部分都是采用不同技术设备来承担着变电过程中需要的信息收集和设备连接以及电能输配。

温度控制的意义主要是从物质性质和反应原理两个角度体现；物质的性质包括熔点、沸点、液化、气化、吸水、挥发、溶解、胶体的聚沉等物理性质，也包括热稳定性、氧化性、还原性、水解等化学性质。如：工艺或实验题中用到双氧水、氨水、铵盐、硝酸盐等易分解的物质，控温的目的是防止物质分解；产物或者反应物中含有醛类、酚类等物质，控温的目的是防止其被氧化；实验室保存或者制备液溴、一溴乙烷等沸点较低物质，需要加冰水或冷冻，目的是防止物质的挥发；海水提Br2过程中，出溴口的温度控制在80～90℃，目的是要使Br2挥发出来而又减少水蒸气混入Br2中。

化学反应原理主要是从反应速率、各种平衡、副反应、催化剂的使用等方向去考虑；如：制取乙酸乙酯的实验中，缓慢加热的原因是防止乙醇、乙酸的挥发，保持一定的反应速率，及时分离乙酸乙酯，有利于乙酸乙酯产率的提高；实验室制取乙烯、制硝基苯，控制温度，都是防止发生副反应；工业合成氨选择的温度是500℃左右，原因之一就是使催化剂的活性达到最高，生产效率最高。

2.如何控制温度

常见的加热方法有：酒精灯加热，酒精喷灯加热，水浴、油浴、沙浴加热，水蒸气加热，加热水加热，吹热风加热等。如碳酸钙的受热分解、石蜡油的催化裂化等需采用酒精喷灯加热。常见的降温方法有：冷冻法，冰水浴，减压蒸馏，减压烘干，减压蒸发等。如从青蒿素的四氯化碳溶液中得到青蒿素需要减压蒸馏，干燥氢氧化铜需要减压烘干。

3.控温类试题的思维建模

我们将温度变化对流程和实验的影响分成温度变化对结果有利、温度变化对结果不利两类，针对答题建立一个思维模式，如下表所示，在我校学生的实践教学活动中，学生反馈良好，能解决大多数涉及温控问题的文字表达类试题。

条件变化思维方向解析温度变化产生有利的结果是否提高生产效率———平衡是否可以正向移动,提高产率看是否为可逆反应,且是否为吸热反应温度变化产生不利的结果是否发生副反应①注意题目给出的副反应发生的条件;②注意温度升高易被氧化的物质:醛类、酚类、I-、SO2-3等;③有机实验中使用浓硫酸时注意是否发生炭化、氧化等副反应是否有物质挥发①注意题给低沸点物质,如液溴等;②注意是否有气体参与反应过程,气体在溶液中的溶解度一般随温度的升高而降低是否有物质分解注意反应中是否有铵盐、硝酸盐、结晶水合物、碳酸酸式盐、双氧水、氨水等热稳定性较差的物质参与平衡是否向逆向移动注意温度变化造成的平衡移动是否使反应向有利的方向移动

4.强化练习

【练习1】正丁醛是一种化工原料。某实验小组利用如下装置合成正丁醛。

发生的反应如下:

沸点/℃密度/g·cm-3水中溶解性正丁醇117.20.810 9微溶正丁醛75.70.801 7微溶

实验步骤如下:将6.0 g Na2Cr2O7放入100 mL烧杯中，加30 mL水溶解，再缓慢加入5 mL浓硫酸，将所得溶液小心转移至B中。在A中加入4.0 g正丁醇和几粒沸石，加热。当有蒸汽出现时，开始滴加B中溶液。滴加过程中保持反应温度为90～95℃，在E中收集90℃以下的馏分。将馏出物倒入分液漏斗中，分去水层，有机层干燥后蒸馏，收集75～77℃馏分，质量为2.0 g。反应温度应保持在90～95℃其原因是__________________。

【练习2】亚氯酸钠(NaClO2)主要用于棉纺、造纸业的漂白剂，也用于食品消毒、水处理等，亚氯酸钠受热易分解。以氯酸钠等为原料制备亚氯酸钠的工艺流程如下：

采取“减压蒸发”而不用“常压蒸发”原因是__________________。

【练习3】以磷石膏(主要成分CaSO4，杂质SiO2、Al2O3等)为原料可制备CaCO3，在敞口容器中，用NH4Cl溶液浸取高温煅烧的固体，随着浸取液温度上升，溶液中c(Ca2+)增大的原因是__________________。

【练习4】锶(Sr)为第五周期第ⅡA族元素。高纯六水氯化锶晶体(SrCl2·6H2O)具有很高的经济价值，61℃时晶体开始失去结晶水，100℃时失去全部结晶水。用工业碳酸锶粉末(含少量Ba、Fe的化合物)制备高纯六水氯化锶的过程如下：

工业上用50～60℃热风吹干六水氯化锶，选择该温度的原因是__________________。

【练习5】实验室制备1 - 乙氧基萘的反应方程式和装置如下：

1 - 萘酚 1 - 乙氧基萘

已知：1 - 萘酚的性质与苯酚相似，有难闻的苯酚气味。相关物质的物理常数

物质相对分子质量状态熔点/℃沸点/℃溶解性水乙醇1-萘酚144无色或黄色菱形结晶或粉末96278微溶于水易溶于乙醇1-乙氧基萘172无色液体5.5267不溶于水易溶于乙醇乙醇46无色液体-114.178.5任意比互溶

实验测得1 - 乙氧基萘的产量与反应时间、温度的变化如图所示，时间延长、温度升高，1 - 乙氧基萘的产量下降可能的两个原因是__________________。

【练习6】以海绵铜(主要成分是Cu和少量CuO)为原料，采用硝酸铵氧化分解技术生产CuCl的工艺过程如下，溶解温度应控制在60～70℃原因是__________________。

【练习7】甲醇是一种可再生燃料，其沸点为64.7℃。有科学家提出：把含有过量CO2的空气吹入碳酸钾溶液中，然后再把CO2从溶液中提取出来，经化学反应后得到甲醇，流程如下：

在合成塔中发生的是放热反应，高温不利于甲醇的生成，合成塔中维持300℃的较高温度的原因可能是___________________________________。

练习题参考答案

练习1 既可保证正丁醛及时蒸出,又可尽量避免其被进一步氧化

练习2 常压蒸发温度过高，亚氯酸钠容易分解，导致产率偏低

练习3 浸取液温度上升，溶液中c(H+)增大，促进固体中Ca2+浸出

练习4 温度高有利于除去晶体表面的水，超过60℃时，六水氯化锶会失去结晶水

练习5 温度升高，1 - 萘酚被氧化；温度升高，乙醇挥发

练习6 温度低溶解速度慢，温度过高铵盐会分解