6.11. Средства и приборы для охлаждения

Создание низких температур, не изменяемых в течение опреде­ленного времени, рассмотрено в разделе о криостатах (см. разд. 5.11). Здесь же рассмотрены общие приемы получения низких температур.

Обычный прием охлаждения вещества - это погружение его вместе с сосудом в чашу с охлаждающей смесью. Если сосуд не велик, его помещают в охлаждающую смесь, находящуюся в сосуде Дьюара (см. рис. 33), в котором низкая температура под­держивается более длительное время.

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 (табл. 23) (тонкие слои льда и соли кладут попеременно друг на друга).

Охлаждать сосуды с веществом до температур от -80 до -60 °С можно с помощью твердого диоксида углерода С0₂ (" сухого льда"). Сам "сухой лед" охлаждает плохо, так как обра­зующийся газообразный С0₂ изолирует хладоагент от непосред­ственного контакта с охлаждаемым сосудом; кроме того, куски твердого С0₂ быстро обволакиваются слоем льда из-за конденсации влаги воздуха. Поэтому для охлаждения используют смесь измельченного твердого С0₂ с безводным органическим растворителем.

Таблица 23. Охлаждающие смеси солей со льдом

Вещества	Состав смеси: соль (г) на 100 г льда	Криогидратная точка, минус 0С	Вещества	Состав смеси: Соль (г) на 100 г льда	Криогидратная точка, минус 0С
[Са(Н20)6]С12	123	40,3	(NH4)2S04 + NH4C1	50,5 + 12	22,5
	150	55,0	NH4C1 + NaCl	20 + 40	30,0
	164	39,0	NH4NCS + KNO3	112 + 2	34,1
	81	21,5	NH4C1 + KNO3	26 + 13,5	17,8
	41	9,0	NaCl	33	21,3
NH4N03	45	16,7	NaN03	59	18,5
NH4C1	25	15,4	KC1	30	10,5
NH4NO3 + NaCl	42 + 42	40,0	C2H5OH	77 + 73 г льда	30,0
NH4NO3 + NaN03	25 + 55	25,8
(NH4)2S04	62	19,0

Примечание. Криогидратная точка - это предельно низкая температура, получаемая в данной смеси.

Таблица 24. Температуры охлаждающих смесей твердого С0₂ с органическими растворителями

Растворитель	Температу­ра, °С	Растворитель	Температу­ра, °С
Ацетон (СН3)2СО	-86	Хлороформ СНCl3	-77
Диметиловый эфир тетраэтиленгликоля	-31	Этанол С2Н5ОН	-72
СН30(С2Н40)4СН3 Диэтиловый эфир диэтиленгликоля	-52	Этиленгликоль НО(СН2)2ОН	-15
		Этиловый эфир (С2Н5)20	-90
		Этилхлорид C2H5Cl	-60
(С2Н5ОСН2СН2)20 Метилхлорид CH3CI	-82	Трихлорид фосфора РС13	-76

Такую смесь в виде кашицы получают при смешении компонентов в сосуде Дьюара при атмосферном давлении, осто­рожно заливая куски твердого СО₂ растворителем. Поскольку происходит бурное выделение газообразного СО₂, жидкость следует приливать небольшими порциями.

В табл. 24 приведен перечень органических растворителей, пригодных для создания охлаждающих смесей с твердым СО₂ .

Для охлаждения сосудов с веществом рекомендуют также смесь Na₂S0₄ • 10Н₂О и HC1 (36,7%). 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 ^СС.

Для получения температур, указанных в табл. 24, необходимо поддерживать в смеси постоянный избыток твердого СО₂ .

Рис. 128. Приборы для получения сухого льда (а) и охлаждения сосуда жидким азотом (б, в)

Сухой лед получают, используя баллон с жидким СО₂ . Для этого на выпускное отверстие баллона наворачивают изогнутую трубку с накидной гайкой (рис. 128, о) и к ее другому концу, имеющему небольшой фланец, привязывают прочный паруси­новый мешок и открывают вентиль. Во время выхода СО₂ нуж­но рукой, одетой в суконную перчатку, сильно ударять по меш­ку, чтобы на его стенках не отлагался твердый СО₂ который может закупорить поры ткани. Такой способ получения порош­кообразного СО₂ возможен только в том случае, если баллон с жидким СО₂ имеет сифон, соединяющий вентиль с придонным объемом баллона, в противном случае баллон переворачивают вентилем вниз.

Твердый СО₂ хранят в сосудах Дьюара или Вейнгольда (см. рис. 33).

Приведенный выше способ получения сухого льда из жидко­го СО₂ неэффективен: из 1 кг жидкого диоксида углерода мож­но получить в лучшем случае только 250 - 300 г твердого СО₂.

Более низкую температуру, чем температуры, получаемые с помощью приведенных выше охлаждающих смесей, можно по­лучить, используя жидкий азот (температура кипения -195,8 °С). Для этого применяют приборы типа приведенного на рис. 128, 6

В сосуд Дьюара 1 подвешивают металлический блок 2 (медь, алюминий), который можно на подвесках 3 поднимать и опус­кать на нужную глубину в жидкий азот. В зависимости от сте­пени погружения блока в жидкость он может иметь ту или иную температуру. В блоке 2 высверливают карманы для сосуда 6 и термопары 5 или иного контролирующего температуру датчика сосуд Дьюара закрывают фторопластовой крышкой 4.

Таблица 25. Температуры смесей жидкого азота с некоторыми органическими растворителями

Растворитель	Температура кипе­ния, 0С	Температра смеси, 0С	Растворитель	Температу­ра кипе­ния, 0С	Температура смеси, 0С
2-Метилбутан СН(СН3)С2Н5	27,8	-160	Трихлорметан СНС13	61,2	-63
Пентан СН3(СН2)зСН3	36,1	-131	μ-Ксилол СбН4(СН3)2	139,1	-50
Этилбромид С2Н5Вг	38,4	-119	Хлорбензол С6H5Cl	132	-45
Метанол СН3ОН	64,5	-98	Ацетонитрил CH3CN	81,6	-41
н-Гептан СН3(СН2)5СН3	98,4	-91	Бромбензол - С6Н5Вг	156,1	-30
Этилацетат СН3СООС2Н5	77,1	-84	сим-Тетрахлорэтан С2С14	142	22
н-Бутилацетат СОО(СН2)3СН3	126,3	-77

Переливание жидкого азота из большого сосуда Вейнгольда 1 (рис. 128, в) в небольшой стеклянный сосуд Дьюара 5 проводят передавливанием. Слегка зажимая пальцем трубку 3 в пробке 2, создают повышенное давление в сосуде 1, и азот перетекает по сифону 4. Сначала передавливают очень небольшую порцию азота для охлаждения сосуда 5, затем размер порций увеличи­вают. Таким способом удается достичь постепенного охлажде­ния сосуда 5 и избежать его разрушения. Сифон окружают теп­лоизоляцией.

Низкотемпературные смеси с использованием жидкого азота получают, вливая его в органический растворитель и перемеши­вая до образования вязкой массы. Температуру смеси можно поддерживать, периодически добавляя к этой массе жидкий азот. В табл. 25 приведены данные о предельно низкой темпера­туре смесей жидкого азота с некоторыми органическими рас­творителями.

Некоторые вещества при температурах от 0 °С до +5 ^СС хра­нят в бытовых холодильниках. Они же пригодны для получения небольших количеств льда.