Нагрівання

Однією з умов перебігу хімічних реакцій у заданому напрямі є суворе дотримання певного температурного режиму.

Для перебігу будь-якої реакції необхідно, щоб відбулося зіткнення молекул з достатньою енергією активації. Один із чинників підвищення цієї енергії — нагрівання. Залежність швидкості реакції від температури описується рівнянням Арреніуса і правилом Вант—Гоффа, згідно з яким при підвищенні температури на 10 °С швидкість взаємодії речовин збільшується в 2—4 рази.

У хімічній лабораторії для нагрівання використовують різні пальники (газові або рідинні), електронагрівальні прилади, водяну пару та ін. Вибір нагрівального приладу відбувається з урахуванням властивостей розчинника і реагуючих речовин, а також температури, при якій має проводитися реакція.

Пальники. Спиртовий пальник (рис. 13, а) — це резервуар з товстостінного скла, через шийку якого протягують нитяний ґніт. Шийка закривається металевим чи притертим скляним ковпачком. Для швидкого нагрівання до відносно високих температур (~500 °С) застосовуються газові пальники Бунзена і Теклу (рис. 13, б, в), які є закріпленою на металевій підставці металевою трубкою, у нижній частині котрої містяться отвори з пристроями для регулювання подачі повітря.

Увага!При поводженні з цими приладами треба дотримуватися правил техніки безпеки під час роботи з газом.

Рис. 13. Пальники: а — спиртовий; б —газовий Бунзена; в — газовий Теклу

Електронагрівальні прилади. Серед електронагрівальних приладів найпоширеніші: колбонагрівачі, плитки, сушильні шафи, муфельні, тигельні, шахтні печі і бані. При використанні для нагрівання безпосередньо електричних плиток або пальників може відбуватися місцевий перегрів і часткове розкладання органічних речовин. Для збільшення рівномірності нагрівання понад 100 °С застосовують азбестові сітки, електроколбонагрівачізі скловолокна звплетеними електричними спіралями (рис. 14).

Рис. 14. Електроколбонагрівач Рис. 15. Лійка Бабо

Нагрівальні бані.При роботі з вибухонебезпечними, легкозаймистими речовинами для запобігання місцевого перегрівання використовують різного роду нагрівальні бані. Теплопровідним середовищем у них служить: повітря, пісок, вода, органічні рідини, метали, розплави солей та ін. Вибираючи певний тип бані,враховують властивості реакційної суміші і температурний режим, дотримання якого необхідне протягом тривалого часу. Рівень речовини у посуді, що нагрівається, має бути нижчим або відповідати рівню теплоносія бані.

Повітряні бані (лійка Бабо з газовим пальником (рис. 15) — баня з жаростійкого скла з невеликою тепловою інерцією) дозволяють не набагато збільшувати рівномірність нагрівання. Максимальна температура, що досягається при використанні повітряної бані з електричним обігрівом, складає 250 °С.

Піщані бані, обладнані електричними плитками або газовими пальниками, мають велику теплову інерцію і дозволяють підтримувати температуру до 400 °С. Посудину з речовинами і термометр поміщають на глибину 2—5 см у попередньо прожарений від органічних домішок, а потім просіяний білий пісок.

Рідинні бані нагрівають газовими пальниками або електроплитками. Якщо в експерименті необхідно підтримувати температуру, що не перевищує 100 °С, використовують киплячі водяні бані (рис. 16).

Ємкість з вогненебезпечними речовинами (діетиловий етер, етанол та ін.) поступово занурюють у попередньо нагріту водяну баню, усунувши джерела нагрівання. Контролюють температуру суміші і в разі потреби змінюють остиглу воду на гарячу. Не можна використовувати водяні бані під час проведення експерименту з металічним калієм або натрієм.

Рис. 16.Водяна баня з регулятором рівня води

Рис. 17. Парова баня

Парові бані (рис. 17) застосовують при перегонці легколетких, горючих речовин (петролейний етер, діетиловий етер та ін.).

Масляні бані мають відносно велику теплову інерцію і використовуються для нагрівання в інтервалі 100—250 °С. Температура, що максимально досягається, залежить від виду теплоносія (гліцерин — до 200, парафін — до 220 °С). Варто звертати увагу на те, що при потраплянні води нагріті мінеральні масла піняться і розбризкуються, тому на нижній кінець зворотного холодильника надягають манжету з фільтрувального паперу. Для запобігання займання парів теплоносія при перегріві баню поміщають у витяжну шафу, прикривають азбестовим картоном і поруч із посудиною, котра обігрівається, розташовують термометр із червоною рискою, що відповідає температурі займання масла.

Увага! Треба пам'ятати: не можна гасити масла, що горять, водою чи піском.

Металеві бані використовують для нагрівання в інтервалі 200— 400 °С, інтенсивніше підвищення температури викликає швидке окиснювання поверхні металу. Теплоносієм у цих банях служать легкоплавкі сплави: Вуда (бісмут—свинець—олово в співвідношенні 4:2:1) зТ_пл=71 °С, Розі (бісмут—свинець—олово в співвідношенні 9:1:1) зТ_пл= 94 °С, евтектичну суміш свинцю й олова в співвідношенні 37 : 63 зТ_пл=185 °С та ін.

Рис. 18. Термостати: а — ультратермостат УТ-15; б — мікротермостат МТ-0,3

Термостати використовують для тривалого підтримування температури в заданому інтервалі (рис. 18).

Увага!Місцевий перегрів рідин вище їхньої температури кипіння може призвести до вибуху. Щоб цього уникнути, у холодну рідину занурюють запаяні з одного боку довгі скляні капіляри відкритим кінцем униз або поміщають дрібні шматочки випаленого неглазурованого фарфору, цегли, так звані «кип'ятильники». Нагріваючись, вони виділяють дрібні бульбашки повітря, що забезпечують перемішування. «Кип'ятильники» використовуються одноразово, тому що при охолодженні рідина заповнює їхні пори.

У вакуумі кипіння регулюється барботуванням газу через капіляр.