Рис. 2. Сгибание стеклянной 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.

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.

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.

Керамика (от греч. keramos - глина) - неметаллические материа­лы и изделия, получаемые спеканием глин и порошков оксидов металлов. В зависимости от химического состава различают ок­сидную, карбидную, нитридную и другую керамики.

В лабораториях обычного типа чаще всего применяют изде­лия из оксидной алюмосиликатной керамики на основе смеси Si0₂ и AI₂O₃ (фарфор, шамот, динас, диабаз) и керамику на основе А1₂0₃ (корунд), Zr0₂, MgO и ВеО.

Фарфор - белый керамический материал, просвечивающий в тонком слое и обладающий характерным звучанием при ударе. Отличается водо- и газонепроницаемостью, механической проч­ностью. Термостойкость неглазурованного фарфора составляет 1400-1500 °С. Глазурованный фарфор менее термостоек. Вследствие легкоплавкости глазури его можно применять лишь до 1200 °С. При продолжительном нагревании такого фарфора уже при температуре около 1000 °С глазурь расстекловывается и отслаивается.

Фарфор химически устойчив к действию большинства кислот и кислых расплавов, кроме HF и Н₃РО₄. Хлороводород разъеда­ет фарфор при 800 °С, а выше 1000 °С фарфор разрушается от воздействия хлора. При одновременном присутствии в этих га­зах углеродсодержащих веществ действие НО и С1₂ проявляется при более низких температурах. Фарфор постепенно разрушает­ся также и при контакте с расплавами гидроксидов щелочных металлов, кальция и бария или их концентрированными вод­ными растворами.

В состав фарфора входят: Si0₂ (75%), А1₂О_э (19-21%), К₂0 (3-4%). Зегеровский фарфор состоит из 45% Si0₂, 30% полевого шпата и 25% глины.

Зегер Герман Август (1839-1893) - немецкий химик-технолог, научный ру­ководитель фарфоровой фабрики в Берлине.

Шамот содержит 50-54% Si0₂ и 42-45% А1₂0₃. Из шамота го­товят муфели электропечей, тигли и кирпичи для газовых печей.

Получают диабаз расплавлением диабазовой или базальтовой горной породы при температуре 1400-1500 °С.

Из диабаза готовят чаши, тигли, лодочки и трубки путем от­ливки его расплава в металлические формы.

Корунд (алунд) - прозрачный твердый огнеупорный материал с температурой плавления 2044 °С. Температура начала дефор­мации изделий из корунда под нагрузкой 0,2 МПа составляет около 1900 °С. Твердость по шкале Мооса равна 9. Корунд от­личается исключительно высокой химической стойкостью. По­суда из корунда до 1700 °С не поддается воздействию всех газов, кроме фтора, который начинает разрушать корунд выше 500 °С. Изделия из корунда неприменимы только для работ с фторсодержащими расплавами, расплавами гидроксидов, карбонатов, нитратов и гидросульфатов щелочных металлов, с которыми он начинает взаимодействовать при 1000 °С. При более высокой температуре корунд реагирует с Si02 с образованием алюмоси­ликатов.

Состоит корунд из AI2O3 с примесью до 5% Si0₂. Корунд без примеси Si0₂ носит название микролита, а прозрачные изделия из него - поликора.

Тигли из Zr0₂ выдерживают воздействие расплавов К, Na, Sb, Bi и Pb до температур 700 °С; Mg и А1 - до температур 1000 °С, a Si, Fe, Ni, Co, Pt, Ti и Pd - до температур 1600 °С.

Керамика, кроме Zr0₂, содержит стабилизирующие добавки СаО или Y2O3, предотвращающие фазовое превращение Zr0₂ при 1000-1200 °С, которое сопровождается сначала сжатием изделия, а затем его расширением при охлаждении.

Периклазовая керамика - серая тугоплавкая твердая масса с температурой плавления, достигающей 2800 °С. Однако из-за способности керамики взаимодействовать с водяным паром и повышенной летучести в вакууме, из-за высокого значения ко­эффициента линейного расширения и сравнительно небольшой теплопроводности практическое применение периклазовой ке­рамики ограничено в атмосферных условиях областью темпера­тур 2000-2200 °С, а в восстановительной среде и в вакууме тем­пературой не выше 1700 °С.

Периклазовая керамика состоит из кристаллического оксида магния. Она хорошо выдерживает действие органических кислот и кислотообразующих газов, в частности S0₂, N0₂ и H₂S, поч­ти не взаимодействует с щелочными средами и водой, не под­вергается разрушению неорганическими кислотами.

В тиглях и лодочках из периклазовой керамики можно без внесения загрязнений плавить металлы, не восстанавливающие MgO, например Sn, Си, Zn, Y, Er, Gd и др. Такой керамикой футеруют высокотемпературные печи, работающие при темпе­ратурах до 2000 °С на воздухе и даже в парах щелочных метал­лов.

Периклазовую керамику можно приготовить самостоятельно. Для этого смешивают MgO с водой и подходящим органическим связующим (декстрин, растительное масло, крахмал, полививиниловый спирт и др.). Полученную массу формуют под давлением 0,4 МПа (4 атм, см. разд. 12.3), сушат и обжига­ют при 1500-1700 °С в тигельных илн муфельных печах (см. разд. 6.6). Массе, замешанной только на воде, дают выстояться в течение 5-7 дней во влажной атмосфере до полного образования Mg(OH)2 и только после этого сушат и обжигают.

Аналогичным образом получают керамику из А1₂Оз и Zr0₂.

Сверхогнеупорная керамика имеет температуру плавления не ниже 3000 °С. Ее ассортимент весьма ограничен. К ней относят (в скобках указана температура плавления в °С): смесь HfC_x с ТаС_х в соотношении 1:4 по массе (4215), HfC_x (3900), ТаС_х (3800), HfN_x (3600), ZrC_x (3530), NbC_x (3500), HfB₂ (3250), TaN_x (3240), Th0₂ (3200), TiC_x (3140), TaB₂ (3100), ZrB₂ (3040), бора-зон BN (3000). Из этого перечня только пять материалов (ZrC_x, TiC_x, BN, ТаС_х и HfC_x + TaC_x) считают перспективными для более или менее широкого применения в лабораторной практике. Все сверхогнеупоры нельзя длительное время применять в| окислительной среде.

Керметы - высокопрочная и тугоплавкая керамика, содержащая включения различных металлов (W, Mo, Ni, A1, Си, Со, Та, Ti и др.). К керметам относят также твердые сплавы на основе Со и Ni, карбидов W, Ti, Та и Мо. В зависимости от состава термическая устойчивость керметов колеблется от 1400 до 2000 °С, а твердость по шкале Мооса от 7 до 9 единиц. Керметам свойственна и высокая химическая инертность, определяющаяся природой керамики и легирующего металла.

Графит - вещество черного цвета с металлическим блеском, аллотропная модификация углерода, наиболее устойчивая в обычных условиях. Графит характеризуется высокой порис­тостью и химически инертен. При 400 °С он начинает окислять­ся кислородом воздуха и взаимодействовать с оксидами азота, а с галогенами образовывать соединения включения.

В химической практике используют изделия из стеклоуглерода и пирографита.

Стеклоуглерод обладает малой газопроницаемостью и с тру­дом поддается механической обработке, выдерживает значи­тельные колебания температур.

Изделия из стеклоуглерода (тигли, лодочки, чашки) исполь­зуют для работ с особо чистыми веществами. К сожалению, тех­нологические особенности производства стеклоуглерода и его высокая твердость ограничивают размеры изделий, особенно толщину их стенок. Получают стеклоуглерод путем специальной графитизации целлюлозы при 2500-3000 °С.

Пирографит - плотное черное вещество, напоминающее во многом стеклоуглерод. Пирографит не взаимодействует при температуре ниже 1400 °С с оксидами кремния, циркония, бе­риллия, алюминия и магния. Ниже 300 °С он устойчив к дей­ствию расплавов щелочных и щелочноземельных металлов, свинца, висмута, олова и галлия. На него не действуют при тем­пературе ниже 600 °С расплавы алюминия и цинка.

При температурах, не превышающих 1500 °С, в изделиях из пирографита можно проводить в инертной среде работы с нит­ридами, силицидами и боридами металлов.

Асбест - это групповое название двух основных гидросилика­тов: серпентина и амфибола, разновидностью которого является антофиллит. Амфиболы - ленточные гидросиликаты примерного состава (Са, Mg)₇(OH)₂(Si40n)2- Антофиллиту отвечает фор­мула (Mg, Fe)₇(OH)₂(Si₄Oj 1)2. Серпентин имет желтовато-зеленый цвет до темно-зеленого и содержит в катионной части только магний Mg₆(OH)g(Si₄Oio). Термическая устойчивость асбеста зависит от состава образующего его минерала. Так, серпентиновый асбест при температуре выше 400 °С теряет почти всю химически связанную воду, что понижает механическую прочность на 35%, выше 700 °С разрушается вся структура ми­нерала, а при температуре 1550 °С наступает его плавление. Антофилитовый асбест не изменяется при нагревании до 900 °С. Среди различных видов асбеста наиболее кислотоустойчивый амфиболовый асбест. На него не действуют разбавленные вод­ные растворы кислот, кроме фтороводородной, не изменяется он и в шел очной среде.

Из-за образования легкоплавких вешеств при взаимодействии асбеста с алюмосиликатами он непригоден для внутренней теп­лоизоляции (см. разд. 6.12) печей, муфель или тигель которых изготовлены из шамота (см. выше). Если же футеровка печи выполнена из MgO, то асбест выдерживает нагрев до 1300-1400 °С.

Асбест применяют в виде ваты, бумаги, картона, ткани. Из него производят асбестопластики, химически и термически стойкие материалы, в которых связующим являются феноло-формальдегидные смолы, пропилен, полиэтилен и кремнийорганические полимеры.

Асбестовую вату следует всегда держать слегка увлажненной, чтобы избежать образования асбестовой пыли, которая вызывает тяжелую разновидность силикоза - асбестоз. Операции с асбе­стовой ватой необходимо проводить в вытяжных шкафах и в перчатках, защищая органы дыхания при помощи респираторов типа "лепесток".

1.3. Полимерные материалы

Ассортимент полимерных материалов, применяемых в химиче­ских лабораториях, увеличивается с каждым годом. В этом разделе приведены только наиболее известные полимеры, много­кратно испытанные в тех или иных экспериментах.

Изделия из фторопласта-4 применяют в интервале темпера­тур от -190 до +260 °С. Разложение полимера начинается при температуре выше 360 °С.

Фторопласт-4 физиологически безвреден, обладает низким коэффициентом трения, превосходными диэлектрическими свойствами, но низкой теплопроводностью. Он не сваривается и с трудом склеивается. Основные виды скрепления узлов фторо­пластовых установок и сосудов - фланцевые и резьбовые. Из этого полимера производят стаканы, чашки, трубки, шланги, сильфоны, пластины для фильтрования.

Фторопласт-3 (дайфлон в Японии, кель-F в США) - полихлортрифторэтилен с формульной единицей (CF₂-CC1F)_n-1. Это прозрачный полимер, несколько уступающий фторопласту-4 по химической и термической устойчивости. Фторопласт-3 начина­ет разлагаться при температуре выше 200 °С. Сосуды из него, можно охлаждать жидким азотом, не опасаясь растрескивания, они не теряют при этом своей газонепроницаемости.

Фторопласт-3 стоек к действию большинства кислот, раство­рителей и окисляющих реагентов, включая фтор. При нагрева­нии полимер набухает в хлорсодержащих растворителях (СС1₄, СНС1₃, CH₂CI₂ и др.), толуоле, диэтиловом эфире, с увеличе­нием массы до 20%.

Из фторопласта-3 производят мерную посуду, колбы, чашки и различные узлы установок для получения особо чистых ве­ществ.

Полиэтилен - молочно-прозрачный полимер с формульной единицей (-CH₂-)_n Он известен двух видов: полиэтилен высо­кого давления (политен, луколен), устойчивый до 100 °С, и полиэтилен низкого давления (хостален), сохраняющий свою прочность до 120 °С. В сосудах из полиэтилена низкого давле ния можно кипятить воду, не опасаясь изменения их формы. Однако он не переносит охлаждения до низких температур уже ниже -30 °С становится твердым, как стекло.

На полиэтилен обоих видов даже при температуре 100 °С не оказывают действия концентрированные галогеноводородные кислоты, кроме HF, Н₃Р0₄, 30%-й HN0₃ и 50%-го водного рас­твора КОН или NaOH. В концентрированной H₂S0₄ он устой­чив при температуре ниже 40 °С, в ее среде полиэтилен лишь светлеет. В органических растворителях полиэтилен набухает. Среди всех полимерных материалов полиэтилен обладает наи­меньшей проницаемостью для водяных паров.

Из полиэтилена производят мерную посуду для работ с фтороводородной кислотой любой концентрации. Следует иметь в виду, что полиэтилен, полученный при низком давлении, содержит включения соединений металлов, попавших в полимер из катализатора. Зольность такого полиэтилена довольно высо­кая и колеблется от 0,4 до 2,0%.

Полиэтилен можно сваривать при нагревании горячим возду­хом.