测试前准备——为什么要在测试前评估样品

目录
引言
文献查阅
氧平衡核查
参考文献

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引言

在上一篇关于测试池装样的文章之后，我想起了一次需要将烧碱（氢氧化钠，NaOH）手动注入过氧化氢（H₂O₂）中的经历。我先将过氧化氢加入 Phi-TEC II 测试池，然后开始了一次“闭池”测试。这种测试方式允许在两种试剂混合之前就开始加热和控温。待测试条件就绪后，我小心地将已知量的烧碱溶液吸入注射器，再将其连接到测试池的进料管线上。

当我按下注射器推杆、将烧碱溶液压入时，能感觉到背压开始升高。注入刚过一半时，我已无法再顶住注射器推杆上的背压，只得关闭进料管线阀门，让混合物自行反应。短短几秒钟内，温度大幅上升，混合物发生了热失控。反应混合物还产生了相当大的压力升高——考虑到体系中存在 H₂O₂，这或许并不令人意外。

文献查阅

在规划实验时，有时值得先做一些文献准备和调研。很多情况下，化学品之间存在已知的不相容性，而且有专门的资料记录这些不相容性。例如，《Bretherick’s Handbook of Reactive Chemical Hazards》(1) 就是一份极好的资料。书中收录了大量化学品，还有少数可能有些多余的条目，包括太阳黑子、“隔壁实验台的同事”以及令人莞尔的“一罐豆子”。

我查阅后发现，书中确实列出了烧碱与过氧化氢的不相容性。虽然我们的测试回答了这两种物质是否相容的问题，但这正是一个例子：在图书馆花上一点时间，就能在实验室里省下一整天。Bretherick 手册 (1) 是一份极其有用的参考资料，应纳入任何工艺危害调查之中。事实上，它是现代化学家书架上必备的参考书。

氧平衡核查

在评估潜在危害时，另一个有用的考量是氧平衡（OB）计算 (2)。该计算可以反映分子以爆炸方式分解、或至少发生高能分解的可能性。OB 值越接近零（或越正），该化合物的危险性可能越高。

假设有一个分子——C_aH_bO_cN_d

若其被完全氧化，反应式为：

C_aH_bO_cN_d + (a +b/4 –c/2) O₂ = aCO₂ +b/2 H₂O + d/2 N₂

氧平衡计算公式为：

氧平衡 (OB) = [-1600 ( 2a + b/2 – c )]/ M_r（该分子的分子量）

进行该计算时需要注意以下几点：

• 氧平衡计算适用于含有强氧化性基团（如硝基、氯酸盐、过氧基等）的分子
• 忽略氯等其他氧化性组分
• 假定氮保持未氧化状态
• 不考虑分子结构
• 如果氧平衡值比 -200 更正，则需谨慎，该物质可能发生剧烈分解
• 大多数起爆炸药的氧平衡值比 -100 更正
  • 本例未包含金属原子，但金属原子会在 OB 公式中引入另一项

例如，以三硝基甲苯为例：C₆H₂.CH₃.(NO₂)₃

其氧平衡为：

-1600 ( 14 + 5/2 – 6 ) / 227 = -74

该值比 -100 更正，意味着该分子很可能发生爆炸或爆轰分解——这并不令人意外，三硝基甲苯本就是一种已知的炸药。

需要注意的是，氧平衡并不适用于所有分子或化合物，只应用于含有强氧化性基团的化合物。例如，若错误地将该计算应用于甲醇（CH₃OH），会得到 -150 的数值。这一结果表明甲醇有可能发生剧烈分解，而实际上我们知道情况并非如此。

在评估潜在危害时，氧平衡计算是一个有用的考量，能够提示何时可能发生爆炸性失控，但前提是应用于正确的情形。大多数化学家通常只需观察分子结构，就能判断哪些官能团可能引发问题；而氧平衡则能在开展任何测试之前，让人对潜在的严重程度有所了解。

参考文献

1. Bretherick, L. Bretherick’s Handbook of Reactive Chemical Hazards – 8th edition. s.l. : Elsevier, 2017. ISBN: 9780081009710.
3. John, Barton. Richard, Rogers. Chemical Reaction Hazards. s.l. : Gulf Professional Publishing, 1997. ISBN: 9780884152743.