Глава 1

МАТЕРИАЛЫ И ПРИСПОСОБЛЕНИЯ

В ТЕХНИКЕ ЛАБОРАТОРНОГО ЭКСПЕРИМЕНТА

Для проведения любого химического эксперимента необходима стандартная химическая посуда, а также соединительные и за­пирающие узлы - шланги, пробки, шлифы, для создания нуж­ной герметичности - качественные смазки и замазки. Монтаж самой малой установки невозможен без крепежных приспособ­лений и стендов.

Почти всегда необходимы фильтры и теплоизолирующие ма­териалы, чистая вода, реже чистая ртуть. Выбирая стеклянную или полимерную посуду, необходимо знать ее термическую и химическую устойчивость.

Ассортимент конструкционных и вспомогательных материа­лов, используемых в химических лабораториях, достаточно ши­рок и с каждым годом увеличивается. Дать всем известным ма­териалам исчерпывающую характеристику в объеме одной главы невозможно. Экспериментаторам следует чаше обращаться к проспектам и каталогам различных фирм.

1.1. Стекло

Большая часть химической посуды и приборов изготавливается из стекла. Твердость и гладкость поверхности облегчает мытье стеклянной посуды, а прозрачность дает экспериментаторам возможность следить за ходом химических реакций и физиче­ских процессов.

Стекло хорошо переносит нагрузку на сжатие, хуже - на из­гиб, но плохо сопротивляется ударным воздействиям. Ниже приведены характеристики некоторых наиболее употребляемых сортов лабораторного стекла.

Кварцевое стекло состоит из диоксида кремния Si0₂ и яв­ляется самым термостойким стеклом: коэффициент его линей­ного расширения в пределах 0-1000 °С составляет всего 6*10^-7. Поэтому раскаленное кварцевое стекло, опущенное в холодную воду, не растрескивается. Температура размягчения кварцевого стекла, при которой до­стигается динамическая вязкость 10⁷ пуаз (10⁶ Па с) равна 1250 °С. При отсутствии значительных перепадов давления кварцевые изделия можно применять до этой температуры. Полное же плавление кварцевого стекла, когда из него можно изготавливать изделия, наступает при 1500-1600 °С.

Известно два сорта кварцевого стекла: прозрачный кварц и молочно-матовый. Мутность последнего вызвана обилием мель­чайших пузырьков воздуха, которые при плавке стекла не могут быть удалены из-за высокой вязкости расплава. Изделия из мутного кварцевого стекла обладают почти такими же свойства­ми, как и изделия из прозрачного кварца, за исключением оп­тических свойств и большей газовой проницаемости.

Поверхность кварцевого стекла обладает незначительной ад­сорбционной способностью к различным газам и влаге, но имеет наибольшую газопроницаемость среди всех стекол при повышенной температуре. Например, через кварцевую трубку со стенками толщиной в 1 мм и поверхностью 100 см² при 750 °С за один час проникает 0,1 см³ Н₂, если перепад давлений составляет 1 атм (0,1 МПа).

Кварцевое стекло следует тщательно предохранять от всяких загрязнений, даже таких как жирные следы от рук. Перед нагре­ванием кварцевого стекла имеющиеся на нем непрозрачные пятна снимают при помощи разбавленной фтороводородной кислоты, а жировые - этанолом или ацетоном.

Поверхностные загрязнения могут вызвать расстекловывание, т.е. переход из метастабильного стеклообразного состояния в кристаллическое. Этот процесс, однажды начавшись, приводит к быстрому механическому разрушению изделия. Расстекловы­вание кварцевого стекла делает его непригодным для нагрева­ния в течение длительного времени при температуре выше 1100 °С.

Кварцевое стекло устойчиво в среде всех кислот, кроме HF и Н₃Р0₄. На него не действуют до

1200 °С Сl₂ и HC1, до 250 °С сухой F₂. Нейтральные водные растворы NaF и H₂[SiF6] разру­шают кварцевое стекло при нагревании. Оно совершенно непри­годно для работ с водными растворами и расплавами гидроксидов щелочных металлов.

Даже кратковременный контакт с кварцевым стеклом боль­шинства расплавов хлоридов металлов, расплавов щелочных металлов, магния и алюминия делают невозможным дальнейшее использование кварцевых изделий. При высокой температуре кварц ведет себя как сильная кислота и взаимодействует не только с основаниями, но и оксидами металлов.

Кварцевое стекло при высокой температуре сохраняет свои электроизоляционные свойства. Его удельное электрическое со­противление при 1000 °С равно 10⁶ Ом-см.

Стекло марки "викор" обладает многими свойствами кварце­вого стекла, так как содержит около 96% Si0₂. Такое стекло получают из боросиликатного стекла путем его обработки хлороводородной кислотой при нагревании, извлекающей бораты щелочных металлов. Остающийся тонкопористый материал под­вергают затем спеканию.

Из этого стекла многие фирмы готовят химическую посуду, конические и шаровые шлифы (см. разд. 2.5).

Стекло марки "пирекс" является боросиликатным стеклом с содержанием не менее 80% Si0₂, 12-13% В₂О_э, 3-4% Na₂0 и I-2% А1₂Оз- Оно известно под разными названиями: корнинг (США), дюран 50, иенское стекло G20 (Германия), гизиль, мо-некс (Англия), ТС (Россия), совирель (Франция), симакс (Чехия).

Температура размягчения стекла пирекс до динамической вязкости в 10¹¹ пуаз (10¹⁰ Пас) составляет 580-590 °С. Тем не менее стекло пригодно для работ при температурах до 800 °С, но без избыточного давления. При использовании вакуума тем­пературу изделий из стекла пирекс не следует поднимать выше 650 °С. В отличие от кварцевого стекло пирекс до 600 °С прак­тически непроницаемо для Н₂, Не, 0₂ и N₂. Фтороводородная и нагретая фосфорная кислоты, так же как и водные растворы (даже 5%-ные) КОН и NaOH, а тем более их расплавы, разру­шают стекло пирекс.

Лабораторное стекло фирмы России выпускают нескольких марок: Л-50 (ТХС-2), № 29 (ХС-2), Л-80 (ХС-3), АМК (ХС-3). В соответствии с ГОСТ 21400-75 эти марки означают: ТХС-2 -термически и химически стойкое 2-го класса, ХС-2 и ХС-3 -химически стойкое 2-го и 3-го классов. Состав этих стекол при­веден в табл. 1.

Таблица 1. Химический состав лабораторных стекол, выпускаемых фирмами России

Марка				Состав, %
	Si02	B2O3	А1203	СаО ВаО	Na20	K2O	MgO
ТХС-1	72,4	8,4	3,6	2,0 4,5	5,1	1,8	_
ТХС-2 Л-50	74,5	6,6	5,5	0,7 4,5	4,2	4,0	-
ХС-3 Л-80	71,5	2,0	2,5	6,5	14,5	0,5	2,5
ХС-2 № 29	68,8	-	3,7	7,5 3,5	10,0	3,0	3,5
ХС-3 АМК	71,5	-	1,3	• 7,2 4,5	14,5	1,0	3,0
ХС-3 AM	72,0	-	1,5	10,0	14,0	-	2,5

Температура размягчения стекла марок, указанных в табл. 1, до вязкости 10¹¹ пуаз (10¹⁰ Па- с) составляет 540-640 °С. Зная состав стекла, можно прогнозировать появление определенных примесей в растворах, хранящихся или перерабатываемых в со­судах из этого стекла.

При воздействии воды и водных растворов солей на стекло в результате растворения и гидролиза силикатов щелочных метал­лов на поверхности стекла образуется защитная пленка из Si02-Такая пленка достаточно устойчива в нейтральных и кислых растворах (кроме HF), но разрушается в щелочных из-за реак­ций

Si0₂ + 4КОН = K4Si0₄ + 2H₂0;

H₄Si0₄ + 4КОН = K4Si0₄ + 4H₂0,

переводящих в раствор орто- и полисиликаты щелочных и дру­гих металлов, входящих в состав стекла.

Химическую устойчивость лабораторной посуды, изготовлен­ной из стекла марок ХС-2 и ХС-3, можно повысить в 5-6 раз путем обработки внутренней ее поверхности разбавленным вод­ным раствором серной или хлороводородной кислот с после­дующей выдержкой посуды в этих кислотах в течение 10-20 ч.

Для защиты стекла от воздействия щелочной среды рекомен­дуют создавать на поверхности стеклянного сосуда специальную пленку, обрабатывая изделие сначала серной кислотой (1:1), а затем, после промывки - расплавленным парафином или стеа­рином, при 200-300 °С.

Стеклянная химическая посуда может неожиданно растрес­киваться без видимой причины. Часто это происходит из-за появления на ее поверхности незначительных царапин, обра­зующихся при механической очистке посуды песком, углем, металлической щеткой и другими твердыми предметами. Цара­пины могут появиться и тогда, когда посуду ставят на кирпичи, керамические плитки с неровной поверхностью. Поэтому не следует использовать для нагревания стеклянных сосудов песоч­ные бани, как это рекомендуют в некоторых устаревших руко­водствах.

При закреплении стеклянных изделий в штативах часто не­дооценивают давления различных лапок и держателей при затя­гивании винта. Стеклянные предметы следует закреплять в за­жимах, снабженных прокладками из эластичных материа­лов.

Простейшие работы со стеклом. Каждый химик-эксперимен­татор должен уметь проводить простейшие стеклодувные опера­ции: резать стеклянные трубки и палочки, сгибать и оплавлять, спаивать и заплавлять трубки, вытягивать капилляры.

Рис. 1 Устройство газовой горелки (а), разламывание надрезанной стеклянной трубки (б) и металлическая призма (в)

Приемы и тонкости рабо­ты стеклодува-профессионала трудно поддаются описанию. Поэтому в дополнение к опи­санным ниже приемам неплохо посмотреть на работу стеклоду­ва, если имеется такая возмож­ность.

Для выполнения стеклодув­ных работ следует иметь в ла­боратории газовую горелку с насадками (см. разд. 6.2) и па­яльную горелку (рис. 1, a) с воздуходувкой.

Регулируя кранами 1 и 2 подачу воздуха и газа и передвигая внутреннюю трубку с соплом 5, после ослабления винта 3, мож­но легко перейти от небольшого спокойного острого пламени 7 к большому шумящему пламени 8, и наоборот. Сетка 6 не дает прорваться пламени внутрь горелки.

Для получения острого небольшого пламени внутреннюю трубку подвигают ближе к выходному отверстию колпака 4 и усиливают подачу воздуха. Удаляя сопло J от выходного от­верстия, можно получить сильно шумящее широкое высокотем­пературное пламя 8.

При зажигании паяльной горелки, прежде всего, открывают газовый кран, зажигают газ и уже после этого включают подачу воздуха.

Если нет лабораторной воздуходувки, то вместо нее приме­няют бытовой пылесос, вставляя в его выходное отверстие рези­новую пробку со стеклянной трубкой и резиновым шлангом. Около воздушного крана 1 помещают тройник с надетым на него отрезком резиновой трубки, зажатой винтовым зажимом (см. рис. 37). Это позволит выпускать излишек воздуха при ра­боте с малым дутьем.

Если в лаборатории есть сеть сжатого воздуха, то необходи­мость в воздуходувках, естественно, отпадает.

Разрезание стеклянных трубок. Чтобы разрезать стеклянную трубку диаметром не более 12 мм, сначала в избранном месте делают надрез или царапину алмазом, стеклорезом или ребром трехгранного напильника. Надрезать трубку по всему периметру нет необходимости, достаточно одной четверти окружности.

Многократное надпиливание нецелесообразно, так как оно только ослабляет действие первого надреза. Затем берут трубку обеими руками так, как указано на рисунке 1, б. Энергичное сгибание трубки в сторону, противоположную надрезу, и одно­временное ее растягивание вызывают разлом трубки по окруж­ности. Рекомендуют предварительно смачивать место надреза водой или водным раствором мыла. В этом случае стекло легче обламывается, а края разлома получаются более гладкими. Если для нанесения царапины применяют напильник, то трубку в месте надреза надо не пилить, а сделать только царапину.

Для разрезания трубок диаметром более 15 мм наносят цара­пину по всей окружности трубки, а затем накаленной докрасна железной проволокой толщиной около 3 мм и согнутой в виде полуокружности обводят трубку вдоль царапины. При этом поч­ти всегда под царапиной образуется глубокая трещина, и трубка легко ломается. Если трещина не образуется, то трубку, сняв с проволоки, быстро охлаждают, сильно подув на нагретую часть или направив на нее струю воздуха. Более удобно железную проволоку закрепить в штативе, раскалить, а затем, положив на нее трубку с нанесенной царапиной, медленно вращать ее вдоль по надрезу. Через некоторое время трубка разламывается.

Иногда трубку диаметром 20-25 мм надрезают так же, как и трубки с диаметром менее 15 мм, но ломают не руками, а поло­жив ее на край стола, причем надрез должен находиться сверху, а острая кромка стола - снизу. Одной рукой придерживают ко­нец трубки, лежащей на столе, другой берут второй ее конец и, одновременно оттягивая и изгибая, ломают трубку.

Некоторые химики предпочитают другой прием разлома над­резанных трубок. Два асбестовых шнура одинаковой длины сма­чивают водой и обматывают ими трубку с двух сторон на одина­ковом расстоянии (4-5 мм) от места кругового надреза, соблю­дая параллельность между шнурами, иначе разрез получится неровным. Затем на место надреза направляют острое пламя 7 паяльной горелки (см. рис. 1, о) и трубку равномерно вращают в пламени до образования кольцевой трещины. Этим способом разрезают стеклянные трубки любого диаметра из стекла любой термостойкости.

Если в лаборатории есть алмазная пила, то она заменит все приведенные выше приспособления для резки стеклянных тру­бок.

Толстостенные капилляры и стеклянные палочки диаметром от 3 до 10 мм разрезают обычным способом на излом, если их длина превышает 50-100 мм. Чтобы отрезать от капилляра не­большую часть размером 10 мм и меньше, капилляр кладут на одну из острых граней

Рис. 2. Сгибание стеклянной труб­ки:

а - нагревание в пламени "ласточкин хвост"; 6 - неправильно согнутые трубки; в - способы закрытия одного конца трубки

призмы (рис. 1, в) надрезом вверх так, чтобы грань находилась точно под надрезом. Затем, придерживая рукой длинную часть капилляра, резко ударяют ножом по той части, которую нужно отре­зать. Капилляр откалывается точно по надрезу.

Отрезанные края трубки оплавляют в пламени горел­ки или осторожно зачищают напильником с мелкой на­сечкой. Однако удобнее сточить края шлифованием. Для этого применяют наждачный диск либо наждачный порошок. На толстую стеклянную пластину помещают порошок, смоченный водой, маслом или глицерином. Стачиваемую трубку в верти­кальном положении водят круговыми движениями по пластине и одновременно осторожно прижимают к ней трубку. Для полу­чения гладкой поверхности конец трубки дошлифовывают при помощи более тонкого наждачного порошка.

Сгибание трубок. Трубки диаметром до 30 мм сгибают на га­зовой горелке с широким плоским пламенем, для получения которого на газовую горелку (см. разд. 6.2) надевают насадку "ласточкин хвост" (рис. 2, а). Трубку нагревают в таком пламе­ни по всей его ширине, вращая равномерно со скоростью при­мерно один оборот за 2 с. После размягчения трубку сгибают вне пламени кверху. Перед сгибанием трубку прекращают вра­щать в пламени и подогревают лишь нижнюю часть размягчен­ного стекла. При этом некоторое количество стекла стечет вниз в подогреваемую зону - будущую внешнюю сторону изгиба. Этим самым увеличивают толщину стенок внешней стороны угла. Сгибать сильно размягченную трубку не рекомендуется, так как в месте сгиба образуется складка (рис. 2, б). Чтобы из­бежать неровностей в месте сгиба, один конец трубки перед нагреванием закрывают кусочком асбестовой ваты либо отрез­ком резиновой трубки со стеклянной палочкой (рис. 2, в). При сгибании в открытый конец трубки вдувают не слишком сильно воздух. Вмятины с внутренней стороны угла устраняют, вторич­но разогревая в пламени внутреннюю часть трубки, поддувая и выравнивая ее, при этом не следует размягчать внешнюю сторо­ну угла.

Для изготовления U-образных трубок диаметром до 20 мм трубку нагревают мягким широким пламенем, постоянно вра­щая и сдавливая по длине стекло несколько больше, чем при сгибании под углом. Получив утолщенные стенки, прекращают вращение и, согнув немного трубку под тупым углом, подогре­вают нижнюю часть утолщенного стекла. Затем трубку выводят из пламени и сгибают до получения U-образной формы, держа подогретой частью вниз. После сгибания сразу же раздувают размягченную часть до диаметра, равного диаметру исходной трубки. Если внутренняя часть U-образной трубки получилась не совсем ровной, то выравнивают ее на узком пламени горел­ки, поддувая и осаживая.

В процессе работы место сгиба иногда начинает мутнеть (расстекловывание). Тогда в пламя горелки вносят кусок асбе­стовой ваты, надетый на железную проволоку и пропитанный концентрированным водным раствором хлорида натрия. Пламя приобретает ярко-желтый цвет и поток пара NaCl, попав на мутнеющую часть трубки, образует на ее поверхности легко­плавкое стекло, прекращающее расстекловывание. Поэтому ста­кан с водным раствором хлорида натрия и кусок асбестовой ваты на проволоке всегда должны быть под рукой.

Согнутую еще горячую трубку нужно закоптить в светящемся пламени горелки и положить на асбестовый картон, защитив ее от сквозняка.

Оттягивание трубок и получение капилляров проводят нагре­ванием трубки в желаемом месте при непрерывном ее вращении до размягчения. Если нужно получить капилляр, то трубку вы­нимают из пламени и не спеша растягивают обеими руками. В зависимости от степени размягчения и скорости растягивания получают капилляры с разными толщиной стенки и диаметром. Чем длиннее нагретая часть трубки, тем более острый конус получается при растягивании и, наоборот, для крутой перетяж­ки трубки ее следует нагревать на остром пламени горелки (см. рис. 1, а). Когда трубка остынет, ее обрезают в нужном месте и оплавляют. Впервые работающим со стеклом рекомендуется при растяжении трубки держать ее вертикально, тогда не будет опасности, что капилляр изогнется.

Запаивание конца трубки. Для запаивания сначала оттягивают конец трубки и отрезают полученный капилляр 5(рис. 3, а). Затем вновь нагревают полученный конец трубки острым пламенем горелки, вращая труб­ку, и не вынимая ее из пла­мени, оплавляют конус трубки возможно ближе к его концу (позиция 2).

Рис. 3. Запаивание конца трубки (f), соединение трубок (б) и выду­вание шарика (в)

Пос­ле этого конец трубки нагре­вают в шумящем пламени (см. рис. 1, а) и для устране­ния утолщения на ее конце осторожно, только при помощи щек, вдувают в трубку воздух пока не получится правильный округлый конец (позиция 3 и 4 на рис. 3, а). Вдувать воздух надо в тот момент, когда стекло еще достаточно мягко и поддается раздуванию. Если запаянный ко­нец не раздут, а остается утолщение (позиция 3), он может лоп­нуть при остывании или потом через некоторое время.

Соединение трубок. Спаивать можно лишь трубки близкого химического состава, обладающие приблизительно одинаковым коэффициентом объемного расширения и одинаковой темпера­турой размягчения. В противном случае трубки хорошо спаять не удается или при охлаждении они снова распадаются в месте спайки. Все стеклянные трубки перед спаиванием должны быть тщательно вымыты и просушены. Загрязненные торцы трубок следует отрезать.

Для соединения две трубки одного диаметра с ровно обре­занными концами оплавляют в пламени горелки одновременно (позиция 2, рис. 3, б). Второй конец трубки, которую держат в левой руке, должен быть закрыт пробкой или асбестовым там­поном. Как только концы трубок после размягчения начнут суживаться, их удаляют из пламени, осторожно соединяют так, чтобы они составляли прямую линию и прижимают друг к другу. Затем место спая нагревают на остром пламени и набирают стекломассу (утолщают стенку) (позиция 3), после чего место соединения немного раздувают на 3-5 мм больше диаметра ис­ходных трубок (позиция 4). Эту операцию проводят для того, чтобы выровнять, насколько это возможно, толщину стенок.

Выпуклый участок нагревают в более широком пламени и осторожно вытягивают так, чтобы диаметр в месте спая соответ­ствовал диаметру остальной части трубок (позиция 5).

Если в продолжение всего времени спайки видна граница между двумя трубками, это почти всегда указывает на разнород­ность спаиваемых стекол. Такой спай будет непрочным.

Для соединения трубок различного диаметра более широкую трубку оттягивают до диаметра, равного диаметру узкой трубки. Оттянутый конец в нужном месте обрезают, после чего сплавление осуществляют так же, как и в случае трубок с одинаковым диаметром.

Выдувание шарика. Для выдувания шарика на конце трубки ее прежде всего оттягивают и запаивают так, как это было описано выше. Затем запаянный конец трубки при непрерывном враще­нии нагревают в широком пламени горелки, охватывая им 25-30 мм длины трубки. По мере размягчения стекло начинает стягиваться и утолщаться (позиция 1, рис. 3, в). Чем больше стекла соберется в конце трубки, тем больший по размеру и более толстостенный шарик можно будет выдуть. Однако при этом нужно следить, чтобы стенки трубки не спаялись, так как тогда выдуть шарик уже не удастся. Когда на конце трубки со­берется достаточное количество стекла, ее вынимают из пламе­ни и, взяв противоположный конец в рот, вдувают в трубку воз­дух, продолжая ее вращать, пока не получится шарик нужных размеров (позиция 2). Вначале дуют очень осторожно, при по­мощи щек, отдельными короткими толчками, а затем, когда стекло начнет остывать, сильнее, с помощью легких. Если сразу подуть сильно, то шарик получится тонкостенным, лопающимся от прикосновения.

Чтобы шарик получился не однобокий, необходимо очень равномерно вращать трубку в пламени. Правильность формы обеспечивает поворот шарика во время раздувания то в одну, то в другую сторону. Дело в том, что в нижней части шарика вне пламени стекло остывает быстрее, поскольку оно находится в непосредственном соприкосновении с холодным воздухом, в верхней части - немного медленнее, так как ее омывает подни­мающийся кверху уже согревшийся о стекло воздух.