實(shí)驗室常見(jiàn)的氣體
實(shí)驗室用氣主要包括兩部分：一是為實(shí)驗室處理和溶解試樣提供熱源的燃氣；二是在分析工作中，某些儀器需要使用各種氣體和用作色譜分析的載氣，提供某種氣源，處理高純樣品以及制備標準氣體等。本文章將對這兩類(lèi)氣體作一介紹。
一、燃氣
實(shí)驗室中提供熱源的燃氣主要有天然氣、煤氣、液化石油氣以及酒精噴燈等。分析實(shí)驗使用這類(lèi)燃氣主要用于試樣熔融分解和小型玻璃器皿制造，也可用于煤氣沙浴。
實(shí)驗室用氣點(diǎn)一般設在通風(fēng)櫥內或專(zhuān)用實(shí)驗臺上，或者裝有排氣罩，以防排出有害氣體。天然氣或煤氣管道安裝都應符合國家頒布的標準、規范、不得隨意安裝、泄漏，防止事故發(fā)生。
實(shí)驗人員在使用煤氣噴燈時(shí)必須遵守操作規程，根據實(shí)際需要調節火焰大小溫度高低。
二、實(shí)驗室工藝用氣
實(shí)驗室用氣根據工作要求不同，可有不同種類(lèi)、不同等級的氣體，氣體等級有普通、純和高純之分。各類(lèi)不同等級的氣體裝在鋼瓶中，一般都有商品供應。其中有些氣體的鋼瓶是特制的，某些少量氣體還可以在實(shí)驗室制備。
(1)氣瓶?jì)妊b氣體的分類(lèi)
1)壓縮氣體。臨界溫度低于-10℃的氣體，經(jīng)加高壓壓縮，仍處于氣態(tài)者稱(chēng)壓縮氣體，如氧、氮、氫、空氣、氬、氮等。這類(lèi)氣體鋼瓶若設計壓力大于或等于12MPa稱(chēng)高壓氣瓶。
2)液化氣體。臨界溫度≥10℃的氣體，經(jīng)加高壓壓縮，轉為液態(tài)并與其蒸氣處于平衡狀態(tài)者稱(chēng)為液化氣體。臨界溫度在通常情況下-10℃~70℃者稱(chēng)高壓液化氣體，如二氧化碳、氧化亞氮。臨界溫度高于70℃，且在60℃時(shí)飽和蒸氣壓大于0.1MPa者稱(chēng)低壓液化氣體，如氨、氯、硫化氫等。
3)溶解氣體。單純加高壓壓縮，可產(chǎn)生分解、爆炸等危險性的氣體，必須在加高壓的同時(shí)，將其溶解于適當溶劑，并由多孔性固體物充盛。在15℃以下壓力達0.2MPa以上，稱(chēng)為溶解氣體(或稱(chēng)氣體溶液)，如乙炔。
從氣體的性質(zhì)分類(lèi)可分為劇毒氣體，如氟氯等；易燃氣體，如氫、一氧化碳等；助燃氣體，如氧、氧化亞氮等；不燃氣體，如氮、二氧化碳等。
(2)氣瓶的存放及安全使用
1)氣瓶必須存放在陰涼、干燥、嚴禁明火、遠離熱源的房間，并且要嚴禁明火，防暴曬。除不燃性氣體外，一律不得進(jìn)人實(shí)驗樓內。 使用中的氣瓶要直立，固定位置。
2)搬運氣體瓶要輕拿輕放，防止捧擲、敲擊滾滑或劇烈震動(dòng)。搬前要戴上安全帽，以防不慎摔斷瓶嘴發(fā)生危險。
3)氣瓶應定期做技術(shù)檢驗、耐壓試驗。
4)易起聚合反應的氣體鋼瓶，如乙烯、乙炔等，應在貯存期限內使用。
5)高壓氣瓶的減壓器要專(zhuān)用，安裝時(shí)螺扣要上緊，不得漏氣。開(kāi)啟高壓’氣瓶時(shí)操作者應站在氣瓶出口的側面，動(dòng)作要慢，以減少氣流摩擦，防止產(chǎn)生靜電。
6)瓶?jì)葰怏w不得全部用盡，一般配應保持0.2 —1MPa的余壓，備充氣單位檢驗取樣所需及防止其他氣體倒灌。
(3)氣體凈化方法。在痕量分析或要求超純技術(shù)的工作中，氣體或蒸氣使用前通常都需要凈化，除掉有害的雜質(zhì)。例如，在氣相色譜中，載氣中的雜質(zhì)對分析的影響是很大的。載氣中雜質(zhì)的存在將會(huì )縮短柱的使用壽命，降低柱的效率，引起基線(xiàn)漂移，降低檢測器的效率和響應，使微量測定不準確。因此，載氣在使用前要經(jīng)過(guò)一定的凈化。凈化的要求主要取決于所用的檢酬器、柱子的種類(lèi)及分析的要求。
載氣的預處理一般采用在室溫下用硅膠、A4或5A分子篩，藥用炭都需預先活化。凈化干燥管一般由金屬或有機玻璃圓筒制成，進(jìn)氣和出氣口要用玻璃棉堵好，防止粉末吹入氣路。
如果預處理不能滿(mǎn)足檢測器、色譜柱及分析上的要求，則可用下述方法進(jìn)一步降低載氣中的雜質(zhì)含量。
(4)實(shí)驗室中常用氣體的制備與凈化。對于幾種在實(shí)驗室里最常用的氣體，如氫氣、氮氣、氨氣.乙炔氣、氧化亞氮等的實(shí)驗室制備方法和凈化方法，分別介紹如下。
1)氫氣的制備與凈化。在實(shí)驗室里制取少量的氫氣常用啟普發(fā)生器。原料中的酸可以用硫酸、鹽酸等，金屬可以用鋅、鐵、鎂等。工業(yè)上常用水、水煤氣、天然氣等來(lái)制備氫氣。供高純試劑或高純元素生產(chǎn)所用的氫，多以電解水或電解氯化鈉(食鹽)溶液來(lái)制取。
一般氫氣中的主要雜質(zhì)有水蒸氣、氧、微量氨、氯、二氧化碳、磷的化合物以及電解液的霧沫，少量的油蒸氣等。
氫氣的凈化通常是使氫通過(guò)一系列的凈化裝置，各 種裝置具有除去一定雜質(zhì)的能力。多復氣凈化的方法和提純工藝流程較多，但各種方法主要是以除去水和氧為基本出發(fā)點(diǎn)。
實(shí)驗室中，日常所用的氫氣鋼瓶中的氫氣的純度對大多數用途已經(jīng)足夠了。當需要提純時(shí)，可用鈀催化劑使微量氧轉化為水，然后用活性氧化鋁或濃硫酸等作干燥劑充分脫水即可。如對氧要求不嚴格時(shí)，可讓氫氣先通過(guò)堿性的高錳酸鉀溶液，再通過(guò)濃硫酸脫水即可。
必須注意的是，氫氣和空氣混合物的爆炸極限為4% —75%(體積分數)。當排出系統中的氫氣降低壓力時(shí)，必須把氫氣放人空敞的大氣中。
2)乙炔的制備與凈化。乙炔的沸點(diǎn)為-84℃(升華)。在15℃和0. 3MPa壓力下，100g酮中約能溶解30L乙炔。因為乙炔在0.2MPa壓力下即能爆炸，所以將其溶于丙酮貯存在鋼品中，溶有乙炔的丙酮溶液被吸附在多孔物質(zhì)如硅藻土上，為了防止丙酮被乙炔氣體帶出乙塊瓶必須直立著(zhù)使用。
在實(shí)驗室里少量乙炔使用碳化鈣制備，其反應方法各式如下:
CaC2 +2H20-+C2H2↑+Ca(OH)2
在裝有滴液漏斗和氣體導出管的100ML圓度燒杯中，放置100ml碳化鈣，在水冷卻下從滴液漏斗慢慢滴加水，生成的乙炔氣經(jīng)過(guò)導管通人洗氣瓶?jì)艋?。根據不同的要求，可以選擇適宜的凈化程序。在洗氣瓶中裝入氫氧化鉀溶液(500g/L)能除去CO2等酸性雜質(zhì)。裝人鉻酸溶液
能除去硫化氫等還原性雜質(zhì)，脫氧可用連苯三酚溶液。微量的丙酮用亞硫酸氫鈉濃溶液洗脫或通過(guò)藥用炭吸附除去。干燥可用氯化鈣、硫酸或五氧化磷。
乙炔和空氣混合物的燃燒極限為2.5% . 81%(體積分數)。乙炔不能跟銀和銅溶液接觸，因為它們能生成爆炸性的乙炔化合物。由于乙炔中常含有磷化氫，所以鋼瓶裝的乙炔是有毒的。
3)氮氣的凈化。為了除去鋼瓶中所裝氮氣內含有的少量氧，可將氮氣通過(guò)裝有2g聯(lián)苯三酚和6g氫氧化鉀的50ml水溶液的洗滌瓶，然后用堿石灰干燥塔進(jìn)行干燥。
4)氨氣的制備與凈化。氨氣是有特殊刺激臭味的無(wú)色氣體，熔點(diǎn)-77.7℃，沸點(diǎn)-33.35℃，非常容易落于水中，燃點(diǎn)651℃，在空氣中的爆炸極限為15.3% -25%(體積分數)，有毒性及腐蝕性，在空氣中的允許濃度為100ug/g。
在實(shí)驗室制備少量按氣方法如下:在燒瓶中混合5份(質(zhì)量)氯化銨粉末和7份(質(zhì)量)新硝化的工業(yè)品熟石灰，向混合物中加人10份(質(zhì)量)的水并充分攪拌，在沙浴上加熱燒瓶時(shí)即可得到勻調的氣流，然后在洗氣瓶中用少量的水洗滌氣體，并用固體氫氧化鉀干燥。也可用硫酸銨代替氯化銨，用氫氧化鈣或氫氧化鈉代替氫氧化鉀。
由于純度為99.8%以上的液氨可以裝入鋼瓶出售，所以通?？芍苯邮褂?，在室溫下有0.8MPa左右的壓力，如果使用氨用減壓閥降至常壓放出后，就可得到純度很高的氨氣。如為了除去微量油蒸氣、二氧化碳等需要特別提純干燥，可使氨氣通過(guò)藥用炭后再通過(guò)裝有堿石灰或固
體氫氧化鈉金屬鈉絲等一系列的干燥管，最后通過(guò)五氧化二磷完全干燥。
5)硫化氫的制備和凈化。硫化氫為無(wú)色氣體，具有腐敗蛋臭味。在常溫能被水吸收，1體積的水約可吸收2—3體積的氣體，溶解度隨溫度升高而減小，在室溫時(shí)的飽和溶液約為0. 1mol/L。硫化氫的水溶液叫作硫氫酸，它是一種弱酸。硫化氫為劇毒品。
硫化氫可裝人鋼瓶在市場(chǎng)出售，一般純度在99.9%以上。市售的所謂“固態(tài)硫化氫”是一種有機硫化物，將其加熱很容易制取出硫化氫。
實(shí)驗室制備硫化氫可由硫化鐵和鹽酸、硫化鈣和鹽酸、硫化鈣和氯化鎂、硫氫化鈉和氯化鎂以及硫化鈉和磷酸等相互作用的方法。
6)一氧化碳的制備和凈化。-氧化碳毒性極強，無(wú)色、無(wú)臭，熔點(diǎn)-205.0℃，沸點(diǎn)-191.5℃，臨界溫度- 140.2℃，臨界壓力3.49MPa，密度為1.250g/L(0)，燃點(diǎn)609℃，在空氣中爆炸范圍，下限為12.5%(體積分數)。
7)二氧化碳的凈化。二氧化碳是一種無(wú)色無(wú)臭的氣體。 升華點(diǎn)為-78.48℃，熔點(diǎn)為-55.7℃ ，在100mL水中的溶解度:0℃時(shí)為171mL；20℃時(shí)為88mL；60℃時(shí)為36mL二氧化碳。0℃時(shí)氣態(tài)密度為1.977g/L。液態(tài)密度0℃時(shí)為0.914g/cm。
鋼瓶裝的二氧化碳可能含有的雜質(zhì)是:水蒸氣、一- 氧化碳、輒、氮，在少數情況下含有痕量的硫化氫、二氧化硫等。
瓶裝二氧化碳的提純方法如下:使二氧化碳氣體依次通過(guò)兩個(gè)裝有乙酸鉻(Ⅱ)的溶液的洗滌瓶，用以除去大部分氧。再通過(guò)裝著(zhù)小塊的碳酸氫鉀的U形管，用以除去酸蒸氣。通過(guò)裝著(zhù)高錳酸鉀溶液的洗滌瓶用以除去硫化氫。再通過(guò)盛有濃硫酸的洗滌瓶進(jìn)行干燥。最后再通過(guò)裝有活性銅和氧化銅并加熱至20的管，借以除去最近殘余的氧和一氧化碳。 倘若二氧化碳中不含這些雜質(zhì)的某一種，則可免去相應的裝置。
8)-氧化二氮的制備和凈化。一氧化二氦為無(wú)色氣體，熔點(diǎn)-90.6C，沸點(diǎn)-88.5℃。常溫時(shí)在水中的溶解度和二氧化碳相同，1個(gè)體積的水可溶解1個(gè)體積的氣體。
純度相當高的一氧化-氮在原子吸收光譜分析中作助燃劑，在醫學(xué)上作麻醉劑。已有鋼后市售。若再行提純時(shí)，可將這種一氧化二氮在五氧化磷上通過(guò)之后，用液體冷凝，再用減壓分餾蒸餾即可。
一氧化二氯的制備是用硝酸銨分解法。將純硝酸銨放在電烘箱中，在160℃ ~170℃加熱使其完全脫水，將其熔融物放在玻璃干燥器中使用其凝固。將它研成粉末裝到帶有支管的圓鹿燒瓶里、燒瓶上部繞，上加熱線(xiàn)圈，以防止反應中生成的水冷凝回流到硝酸銨熔融物里。在支管上接上一氧化二氮冷凝捕集器，用冷水冷卻，使生成的水大部分冷凝下來(lái)，燒瓶在金屬網(wǎng)上加執要非常注意，在170℃開(kāi)始反應，為了防止產(chǎn)生氮氣及氧化氮，溫度不得超過(guò)250℃。因為是放熱反應，加熱過(guò)急或燒瓶中硝酸銨過(guò)多都有引起爆炸性反應的危險，所以避免這種情況。產(chǎn)生的一氧化二氮在KOH水溶液和硫酸溶液中通過(guò)得以洗滌。微量氧用堿性連二硫酸鹽水溶液洗滌除去。因為一氧化二氮在水中的溶解度相當大，故應將氣體收集在先充滿(mǎn)食鹽飽和溶液或熱水的貯氣器中。
三、氣體安全使用
無(wú)論是實(shí)驗室制得的氣體還是鋼瓶中的氣體，在使用之前都必須預先純化以除去痕量其他氣體雜質(zhì)，并需要防止塵埃污染和吸濕。
高純氣體污染主要發(fā)生在貯藏、運輸和計量的過(guò)程中。保持高純氣體的質(zhì)量的關(guān)鍵是謹慎處理高純氣體。在實(shí)際工作中，要使高純氣體不受污染，需要有許多嚴格的控制措施，在條件許
可的實(shí)驗室都應設置專(zhuān)用的貯氣室，將氧化性氣體與還原性氣體分開(kāi)放置，將可燃性氣體與不可燃氣體分開(kāi)放置，以防止意外爆炸事故發(fā)生。在使用高純氣體時(shí)，為保證高純氣體不受污染或將污染減少到最低程度，應注意下列問(wèn)題。
(1)選用合適的壓，力調節閥和傳輸管道。壓力調節閥要求嚴密不漏氣，輸出壓力穩定；調節閥與氣體接觸部分的構件具有耐腐蝕性；在閥內或管道內配備過(guò)濾器(如燒結金屬過(guò)濾器或微孔過(guò)濾系統)，以便濾除微粒，減低顆粒物質(zhì)在高純氣體中的含量。
傳輸管道應盡可能采用潔凈的金屬管如不銹鋼或聚四氟乙烯管。管子安裝只能用聚四氟乙烯扎帶。
(2)嚴格清洗氣體傳輸系統的各組成部分，必須事先用合適的去油脂溶劑如三氯乙烯清洗管道等部件上的微粒、油污、吸附物、水分等。各部件組裝后在使用之前，應抽空并用惰性氣體如干燥的氮氣來(lái)吹冼用以除去水氣等雜質(zhì)。
(3)限定氣瓶的使用最低壓力，因為在高壓下氣體中的雜質(zhì)可能吸附在氣瓶?jì)缺谏?，而當氣瓶壓力下降時(shí)，被吸附在內壁上的雜質(zhì)會(huì )解吸下來(lái)，因而，應限定氣瓶最低的使用壓力。
(4)在使用過(guò)程中，要經(jīng)常檢查氣瓶和傳輸系統的密閉性，若發(fā)現漏氣，應及時(shí)采取措施。