Техника Лабораторных Работ

41

тщательно удалив посторонние капли, и взвешивают. Разность масс пикнометра с водой и пустого пикнометра представляет собой массу воды. Разделив массу раствора на массу воды, получают относительную плотность исследуемой жидкости. Умножив относительную плотность на плотность воды при температуре опыта, находят плотность раствора.

Рис. 30. Пикнометры.

2.5. Нагревание

Нагревание и охлаждение веществ и их смесей - важнейшие операции в химической лаборатории. Температура - один из самых мощных факторов воздействия на химические реакции. Синтез многих веществ невозможен без нагревания или охлаждения реакционной смеси. Разложение твердых фаз при получении простых и сложных оксидов или газов также требует нагревания. Разделение и очистка веществ методами перегонки и конденсации, растворения и кристаллизации, сублимации и десублимации требуют либо нагревания, либо охлаждения, либо попеременного действия этих процессов.

Нагревательные приборы, применяемые в лабораторной практике, разделяются на электрические, газовые и жидкостные. Наибольшее значение имеют электрические и газовые нагревательные приборы и меньшее — жидкостные. Последние применяют лишь в отдельных случаях, когда отсутствуют подводки газа и электричества.

Из электронагревательных приборов наибольшее распространением получили плиты, печи, бани, сушильные шкафы.

Электрические плиты бывают различного размера круглые или прямоугольные (рис. 31), с открытым и закрытым сопротивлением (спиралью).

42

Рис. 31. Электрические плиты:

а - закрытого типа, б - с открытой спиралью.

Плиты с открытой спиралью применяют преимущественно в тех случаях, когда нет опасности попадания на нее нагреваемого вещества. Такие плиты удобны тем, что в случае перегорания их легко исправить.

Наибольшее распространение в химической лаборатории получили плиты с закрытой спиралью. Пластинка, закрывающая спираль плиты, может быть металлической, асбестовой или талько-шамотной. Асбестовые и талькошамотные плиты очень удобны, так как сравнительно устойчивы к действию химических реагентов.

Электропечи в зависимости от конструкции и назначения подразделяют на муфельные, трубчатые, тигельные и шахтные.

Муфельные печи (рис. 32) - это электропечи с горизонтально расположенной камерой нагрева 1 (муфелем), изготовленной из огнеупорного материала, обладающего достаточной теплопроводностью и устойчивостью к периодическим изменениям температуры.

Рис. 32. Муфельная печь: вид снаружи (а), устройство в разрезе (б).

На внешней поверхности муфеля размещают электронагревательный элемент 2 в виде проволочного или ленточного сопротивления, вокруг которого находится теплоизоляция 4. Контроль за температурой в муфеле осуществляют при помощи термопары 3. Допустимые температуры

43

нагревания муфельных электропечей зависят от материала, из которого изготовлены нити накаливания (нихром, фехраль).

Все теплоизолирующие материалы при высоких температурах проводят электрический ток, но постоянный ток вызывает их электрохимическое разложение, которое приводит к разрушению проволочного сопротивления. Поэтому для нагревания муфельных печей применяют почти всегда переменный ток. Кроме того, при температурах выше 1500 °С химическая активность керамических и теплоизоляционных материалов становится настолько значительной, что они начинают реагировать друг с другом и становятся проницаемыми для газов.

Обычно муфельные печи позволяют развивать температуру от 250 до 1150 °С с точностью ее поддержания ±20 °С. Время прогревания муфеля до 1100 °С составляет примерно 2 ч.

Трубчатые печи представляют собой открытые с двух концов керамические или кварцевые трубы, на которые намотано проволочное сопротивление (рис. 33).

Рис. 33. Трубчатая печь.

Трубчатые печи могут быть горизонтальными, вертикальными и наклонными. Есть печи, которые можно поворачивать и устанавливать под нужным углом. Небольшие трубчатые печи делают разъемными, двухстворчатыми. Они нужны для проведения некоторых аналитических работ.

Трубчатые печи с проволочным сопротивлением могут развивать рассчитаны на температуру внутри рабочей полости 1200 – 1250 °С. Чем длиннее труба и чем меньше ее диаметр, тем больше неравномерность нагрева.

Тигельные печи имеют вертикальное расположение керамического цилиндрического муфеля со съемной керамической крышкой, обычно составленной из двух половинок для введения одной или двух термопар

(рис. 34).

44

Рис. 34. Тигельная печь.

Высокотемпературные тигельные печи делают каскадными с двумя нагревателями - наружным и внутренним. В тигельной печи с молибденовым проволочным сопротивлением можно развивать температуру до 1100 − 1500 °С. При более высоких температурах керамические огнеупорные материалы, из которых готовят нагревательное камеры, становятся легко проницаемыми для газов, и поэтому молибденовая проволока быстро перегорает. Молибденовый нагреватель размешают по цилиндру в кольцевом пространстве, куда для создания восстановительной атмосферы подают по каплям этанол.

Тигельную печь широко применяют в термографии. Главным требованием, предъявляемым к тигельным печам, применяемым в термографии, является возможность равномерного подъема температуры и регулирования скорости нагрева.

Шахтные лабораторные печи отличаются от тигельных только своими размерами и мощностью.

Криптоловая печь содержит в качестве нагревателя криптол (угольные зерна). При пропускании тока через графитовые электроды между отдельными зернами угля возникают маленькие электрические дуги. Выделение энергии в форме теплоты происходит также из-за большого сопротивления в местах контакта зерен. В криптоловой печи можно получить температуру до 2000 °С. Для питания криптоловой печи нужен электросварочный трансформатор. Печь выделяет при работе значительное количество токсичного угарного газа СО, поэтому ее следует размещать в вытяжном шкафу. Из-за образования монооксида углерода для измерения температуры в криптоловой печи нельзя применять платиновую термопару.

45

Индукционные печи применяют для нагревания веществ или реакционных сосудов, обладающих достаточной электропроводностью. Такая печь представляет собой катушку (соленоид), сердечником которой является нагреваемый сосуд с веществом. Например, индукционная печь с графитовым тиглем позволяет получить внутри тигля температуру порядка 2500 – 3000 °С. Индукционные токи, возникающие в сосуде или в веществе, называют вихревыми токами, или токами Фуко.

Регулирование температуры при индукционном нагреве возможно в пределах 50 – 600 °С, а индукторы можно подключать и к сети с частотой 50 Гц при напряжении 220 – 380 В. При небольшой потребляемой мощности индукционной печи (от 10 до 50 кВт) ее включают либо непосредственно в электрическую сеть, либо через трансформатор, который позволяет подбирать необходимое напряжение на индукторе. Индукционную катушку теплоизолируют от объекта нагревания. Поэтому во время работы печи она остается холодной. Для больших мощностей катушку изготавливают из изолированной медной трубки, по которой пропускают воду для охлаждения индуктора.

Сушильные шкафы - теплоизолированные металлические камеры круглой или прямоугольной формы с полками и герметичными дверками. Шкафы применяют для удаления жидкой фазы из порошкообразных веществ или со стенок вымытой посуды. Температуру внутри шкафа можно изменять от 50 до 350 °С с точностью ±5 °С.

Почти все сушильные шкафы имеют электрический обогрев и снабжены терморегуляторами. Подвод внешнего воздуха и удаление продуктов испарения происходит через специальные отверстия с регулирующими заслонками. Для ускорения процесса сушки и снижения его температуры применяют вакуум-сушильные шкафы, позволяющие поддерживать в рабочей камере остаточное давление 600 – 1200 Па.

Бани в зависимости от теплоносителя делят на жидкостные, жидкосолевые, жидкометаллические, воздушные, паровые и песочные. Бани применяют для нагрева стеклянных и фарфоровых сосудов, когда требуется создать вокруг нагреваемого объекта равномерное температурное поле и избежать использования открытого пламени и раскаленной электрической спирали.

Жидкостные бани (рис. 35) бывают одно- и многоместными, как правило, с закрытым электрическим обогревом, с автоматическим регулированием уровня жидкости.

46

Рис. 35. Жидкостные бани.

Для нагревания сосудов до 100 °С применяют водяные бани. Вода по сравнению с другими жидкостями обладает самой высокой теплопроводностью (уступает только ртути). Такая баня пригодна для нагревания колб с перегоняемой жидкостью, кипящей при температуре не выше 80 °С. Нагреваемый сосуд может быть погружен в кипящую воду, а может находиться и выше ее уровня. Например, стаканы обычно устанавливают на крышке бани. Вода в бане во время ее использования постоянно кипит, и ее периодически добавляют.

Кроме воды в жидкостных банях применяют водные растворы некоторых солей, обладающих высокой теплопроводностью и позволяющих поддерживать в бане температуру от 105 до 140 °С. Поверхность водных растворов солей защищают от появления кристаллической пленки, добавляя в баню парафиновое масло. Разумеется, что для поддержания постоянной температуры кипящего водного раствора соли следует сохранять ее исходную концентрацию, автоматически добавляя чистую воду до начального уровня.

В качестве кипящей жидкости помимо водных растворов солей применяют смесь 85 % раствора ортофосфорной кислоты Н3РО4 и твердой метафосфорной кислоты (НРO3)4. Такая смесь остается прозрачной и устойчивой при нагревании до 250 °С. Однако водные растворы солей и фосфорных кислот вызывают сильную коррозию металлических бань; кроме того, при охлаждении бань наблюдается кристаллизация солей на стенках и крышке. Поэтому бани для солевых растворов готовят либо из нержавеющей стали, либо из титана.

Теплоносителем жидкостных бань может быть глицерин в nемпературном интервале от 60 до 180 °С. При температуре выше 200 °С глицерин начинает дымить и разлагаться с образованием акролеина,

47

Бани с парафиновым (вазелиновым) маслом можно нагревать только до температуры 150 °С. При длительном их использовании наблюдается осмоление, жидкость приобретает желто-коричневый цвет, становится вязкой, а при 200 °С начинает сильно дымить. Для области температур от 100 до 250 °С широкое применение нашли масляные бани, в которых жидкостью являются высококипящие продукты перегонки нефти, обладающие высокими температурами воспламенения (близкими к 300 °С).

Лучшим теплоносителем для масляных бань является бесцветное силиконовое масло (смесь кремнийорганических соединений), выдерживающее длительное нагревание до 300 – 360 °С без заметного изменения цвета и вязкости. Это масло не вызывает коррозии металлических бань.

При нагревании в масло не должны попадать вода и другие низкокипящие жидкости. Уже от нескольких капель воды масло вспенивается и разбрызгивается, причем горячие брызги могут вызвать ожоги. Масляные бани следует использовать в вытяжном шкафу, поскольку пары масла вредны или имеют неприятный запах. Рядом с масляной баней всегда надо держать асбестовую ткань, которой нужно будет покрыть баню в случае самовоспламенения масла.

Нагревания до температуры выше 350 °С практически не выдерживает ни одна жидкость, используемая в качестве теплоносителя. Поэтому для таких температур применяют бани с расплавами солей (жидкосолевые бани) и с расплавами металлов и их сплавов (жидкометаллические бани).

Жидкосолевые бани используют тогда, когда нельзя воспользоваться жидкостными банями. Для жидкосолевых бань чаще применяют три смеси

расплавленных солей: а) смесь ВаСl2 (31 %), СаСl2 (48 %) и NaCl (21 %) с

температурой плавления 430 °С и областью применения 580 – 700 °С; б) смесь BaCl2 (50 %), КСl (30 %) и NaCl (20 %), используемую в интервале температур 650 – 900 °С; в) смесь ВаСl2 (50 %) и NaCl (50 %) для температурного интервала 750 – 900 °С.

Жидкометаллические бани применяют в тех случаях, когда требуется постоянство высокой температуры и нагревание небольших сосудов. Высокая теплопроводность жидких металлов (олово, свинец, висмут) и их сплавов (Розе, Вуда, Липовица, Ньютона) позволяет автоматически регулировать температуру в зоне нагрева сосуда с точностью ±0.01 °С без какого-либо перемешивания расплава.

Песочные и криптоловые бани содержат в качестве теплоносителя либо сухой мелкозернистый песок, либо угольную крошку с размером частиц 0.5 – 3.0 мм (криптол). Такие бани имеют электрический или газовый обогрев. Они значительно безопаснее масляных бань и позволяют поднимать

48

температуру нагревания сосудов до 500 – 800 °С. В криптоловых банях можно развивать температуру до 1500 °С, если создать инертную атмосферу.

В металлическую емкость насыпают песок или криптол слоем около 1 – 3 см, ставят сосуд, подлежащий нагреванию, а затем еще добавляют песок или криптол, располагая их вокруг нагреваемого предмета.

Песочные бани, в отличие от криптоловых, прогреваются неравномерно, и при работе с ними трудно поддерживать более или менее постоянную температуру. Недостаток криптоловых бань - постепенное выгорание угольной крошки с образованием СО и СО2.

Воздушные бани - бани, в которых теплоносителем является воздух, обладающий наименьшей теплопроводностью среди всех теплоносителей. Поэтому воздушную баню следует нагревать до более высоких температур при интенсивной циркуляции нагретого воздуха, чтобы передать нужное значение энергии нагреваемому объекту. Температуру в воздушных банях, как правило, не регулируют и используют их чаще всего для выпаривания растворов.

Газовые горелки

Известно много конструкций газовых горелок (Теклю, Меккера, Верховского), но почти все они сконструированы по типу горелки Бунзена (рис. 36). Природный газ или пропан из газовых баллонов поступает по трубке 4 через ниппель 2 и смешивается в камере 3 с воздухом, количество которого регулируют заслонкой 1. Газ сгорает у отверстия горелки голубым пламенем. При недостатке воздуха появляется коптящее, светящееся пламя газа, более «холодное», чем несветящееся.

Рис. 36. Горелка Бунзена.

49

При неправильном соотношении между количествами газа и воздуха, когда приток газа слишком мал, горение может распространиться внутрь горелки («проскок пламени»). Это очень опасное явление: горелка сильно разогревается, резиновая трубка подвода газа плавится и воспламеняется, создается угроза пожара в лаборатории. В этом случае следует немедленно прекратить подачу газа в горелку и дождаться полного ее охлаждения, перед тем как снова ей пользоваться.

Пламя газовой горелки имеет несколько температурных зон от 300 до 1540 °С (рис. 37). Нагревание обычно проводят в верхней или средней зоне, обладающих высокими температурами. Длительное нахождение нагреваемого предмета в нижней части пламени приводит к появлению на нем черного угольного налета.

Рис. 37. Распределение температуры в пламени газовых горелок.

В жидкостных горелках, используемых в настоящее время в лабораториях, основным горючим является этанол С2Н5ОН, поэтому их часто называют «спиртовками» (рис. 38).

Рис. 38. Спиртовая горелка: 1 - колпачок, 2 - металлическая трубка, 3 - фитиль.

Этанол дает при сгорании бледно-голубое почти несветящее пламя с относительно низкой температурой порядка 800 – 1000 °С. У спиртовок должен быть хорошо притертый колпачок 1, предотвращающий испарение спирта у неработающих горелок. Фитиль 3 готовят из некрученых хлопчатобумажных нитей или асбестовых волокон. Фитиль должен свободно проходить через металлическую трубку или плоскую коробку 2.

Самая горячая часть пламени - верхняя его треть. При гашении спиртовки не следует дуть на пламя, а надо прикрыть его колпачком.

50

2.6. Охлаждение

Для охлаждения веществ используют уже описанные выше холодильники, а также применяют специальные устройства для понижения температуры.

Обычный прием охлаждения вещества - это погружение его вместе с сосудом в чашу (или кристаллизатор) с водой. Температуру около 0 °С получают с использованием ледяной кашицы. Водные растворы и реакционные смеси, для которых допускается небольшое разбавление водой, охлаждают до 0 °С, добавляя кусочки чистого льда, полученного из дистиллированной воды.

Когда необходимо охладить вещество или реакционную смесь ниже 0 °С, применяют охлаждающие смеси, состоящие из льда и солей (хлорид кальция, хлорид аммония, нитрат аммония, хлорид натрия в определенном соотношении с водой). Тонкие слои льда и соли кладут попеременно друг на друга. Для охлаждения сосудов с веществом рекомендуют также смесь кристаллогидрата сульфата натрия Na2SO4 ∙ 10Н2О и концентрированной соляной кислоты НСl (36 %). При содержании соли в смеси 50.2 и 63.0% можно достигнуть охлаждения до ‒12.2 и ‒15.3 °С соответственно при начальной температуре смешиваемых компонентов +22 °С.

Охлаждать сосуды с веществом до температур от ‒60 до ‒80 °С можно с помощью твердого диоксида углерода СO2 («сухого льда»). Сам «сухой лед» охлаждает плохо, так как образующийся газообразный СO2 изолирует хладоагент от непосредственного контакта с охлаждаемым сосудом. Кроме того, куски твердого СO2 быстро обволакиваются слоем льда из-за конденсации влаги воздуха. Поэтому для охлаждения используют смесь измельченного твердого СO2 с безводным органическим растворителем (ацетоном, этиловым спиртом, диэтиловым эфиром). Такую смесь в виде кашицы получают при смешении компонентов в сосуде Дьюара при атмосферном давлении. К растворителю, находящемуся при комнатной температуре, добавляют маленькими кусочками «сухой лед». Процесс сопровождается разбрызгиванием содержимого, нужно применять защитные маски и очки. Добавлять большие куски твердого СO2 можно только к охлажденному растворителю.

Более низкую температуру, чем температуры, получаемые с помощью приведенных выше охлаждающих смесей, можно получить, используя жидкий азот (температура кипения −196 °С) из сосуда Дьюара.