Учебное пособие знакомит читателя с техникой эксперимента в химии и предназначено для обучения основным приемам работы в хи­мической лаборатории

Перемешивание реакционной смеси улучшает контакт между фазами, повышает скорость реакции, особенно в тех случаях, когда скорость растворения одной из фаз в жидкой реакцион­ной среде меньше скорости самой реакции. Сильное перемеши­вание необходимо при быстром нагревании или охлаждении реакционной смеси для устранения местных зон перегрева или переохлаждения. В жидкостных термостатах и криостатах (см. разд. 5.10 и 5.11) перемешивание способствует выравниванию температур в объеме жидкости.

Эффективность перемешивания в значительной мере зависит от конструкции мешалок. В лабораториях чаще применяют стеклянные мешалки, хотя используют для изготовления меша­лок и полимерные материалы, прежде всего фторопласт-4 и полипропилен (см. разд. 1.3). Выбор той или иной конструкции мешалки следует проводить только опытным путем, так как до сих пор нет надежных расчетных методов определения эффек­тивности перемешивания.

Механические мешалки разделяют по устройству на палочко­вые, центробежные, лопастные, якорные, пропеллерные, винто­вые и вибрационные.

Рис.184 Лопастные мешалки (а). Вихри в слое жидкости (б). Углы крепления лопастей к оси (в). Сосуд с выступами (г)

В сосудах с узким горлом используют складывающиеся _Или поворачивающиеся лопасти 3 (рис. 184, а), которые при от­сутствии вращения мешалки опускаются в обойме 2 и легко проходят через небольшое горло сосуда. Обойма приварена v стержню мешалки 1.

Число оборотов лопастной мешалки колеблется от 12 до 90 об/мин. При малых оборотах лопастной мешалки жидкость вращается по окружности, в которой движутся лопасти, и поэтому не происходит смешивания различных слоев жидкости При интенсивном перемешивании появляются вихревые потоки движения жидкости в плоскости вращения лопасти от центра сосуда к его стенкам (рис. 184, б). В центре сосуда от такого движения возникает область пониженного давления, в которую всасывается жидкость из слоев, лежащих выше и ниже лопасти. Все это приводит к интенсивному перемешиванию отдельных слоев жидкости, возрастающему с увеличением числа оборотов мешалки. При круговом движении жидкости на ее поверхности под действием центробежной силы образуется воронка, глубина которой возрастает с увеличением числа оборотов мешалки. Образование воронки ведет к частичному использованию ем­кости сосуда, к необходимости брать более высокий сосуд или уменьшать количество перемешиваемой смеси.

Установка плоской лопасти под некоторым углом к направ­лению ее движения вызывает появление вертикальных потоков жидкости. Когда угол α больше 90° (рис. 184, в), частицы суспензии, ударяясь о лопасть, отражаются вверх. При угле накло­на лопасти, меньшем 90°, поток суспензии будет стремиться вниз. Поэтому при перемешивании тяжелых осадков или более тяже­лой жидкости для взмучивания частиц тяжелого осадка со дна сосуда лопасти мешалки устанавливают под углом, большим 90°. Наоборот, когда суспензия концентрируется в верхних слоях жидкости, для лучшего перемешивания устанавливают лопасти с углом наклона меньшим 90°.

Хорошее перемешивание лопастными мешалками достигает­ся при использовании специальных химических стаканов с при­варенными по окружности четырьмя стеклянными палочками (рис. 184, г). При обтекании жидкостью таких выступов за ними возникает зона пониженного давления, в которой появляются вихри жидкости. Вихри распространяются по всему объему, способствуя более равномерному перемешиванию жидкости и препятствуя вращению всей массы жидкости как целого с обра­зованием воронок.

Снабжая мешалку несколькими парами лопастей с наклонами в разные стороны, можно создать перекрестные потоки жидкости и осуществлять весьма интенсивное перемешивание суспензий.

Якорные мешалки производят из нержавеющей стали, титана и ударопрочных полимерных материалов (см. разд. 1.3). При сборке таких мешалок сначала в сосуд заводят дугообразную часть мешалки, а затем вворачивают ее вал во втулку якоря.

Для энергичной циркуляции суспензии пропеллерная мешалка должна работать не менее чем при 400 об/мин. При перемешивании вязких жидкостей, а также суспензий и эмульсий,

образующих пену, число оборотов уменьшают до 150 об/мин. При расположении вала пропеллерной мешалки под углом 10 - 20° к оси сосуда (рис. 185, г) интенсивность перемешивания резко возрастает. Чтобы улучшить циркуляцию суспензии пропеллерную мешалку помещают в диффузор (рис. 185, д), представляющий собой цилиндрический или слегка конический стакан без днища, имеющий ножки, а по бокам три выступа для центровки. Диффузор может быть как стеклянным, так и поли­мерным.

Пропеллерные мешалки создают более интенсивные осевые потоки, чем лопастные мешалки, и поэтому более энергично перемешивают суспензии. Такие мешалки применяют главным образом для приготовления суспензий и эмульсий, взмучивания осадков, содержащих до 10% твердой фазы с размером частиц до 0,15 мм, для интенсивного перемешивания маловязких жид­костей.

Приводом вращающейся мешалки, работающей в вакуумном сосуде 6 (рис. 186, в), является железный ротор 2, связанный с осью 5 мешалки, сцентрированной во фторопластовых подшипниках 1. Вся поверхность ротора покрыта кислотоупорным ла­ком. Ротор предпочитают запаивать в тонкостенную цилиндрическую оболочку из полиэтилена. Ротор помещают в стеклянную головку 4, на которую одевают статор 3 трехфазного само­синхронизирующегося электродвигателя (сельсина). Двигатель включают через автотрансформатор и конденсатор емкостью около 50 - 100 мкФ, чтобы можно было пользоваться одной фазой.

Регуляторы скорости оборотов (д, е)

Мешалки с магнитным приводом дают возможность переме­шивать жидкость в атмосфере инертного газа, в вакууме, в колбе с обратным холодильником.

Для поддержания постоянного числа оборотов мешалки при­меняют либо специальные электродвигатели, либо автотранс­форматоры с регулятором напряжения. В некоторых случаях используют центробежные регуляторы (рис. 186, д). Ось центро­бежного регулятора соединяют с осью 5 мешалки, вращаемой при помощи шкива 4. При увеличении числа оборотов грузы I подвешенные на легких спиральных пружинках, раздвигаются и поднимают медный диск 2, разъединяющий контакты 3 реле связанного с электродвигателем. Такой центробежный регулятор можно изготовить своими силами.

Существует еще более простое приспособление (рис. 186, е). Стеклянную или железную пробирку 2 с приваренным внизу стержнем соединяют строго вертикально с осью мешалки 5, имеющей шкив 4, и заполняют наполовину ртутью 3. Пробирку закрывают резиновой пробкой с центральным отверстием, через которое пропущены две изолированные друг от друга стальные проволоки 1, связанные через реле с электродвигателем.

При увеличении скорости поверхность ртути принимает па­раболическую форму (показано справа) и отрывается от цент­рального контакта, разрывая цепь. Контакты закрепляют непо­движно относительно вращающейся пробирки.

Барботирование - перемешивание жидкостей, эмульсий и суспензий путем пропускания газа или воздуха. Приборы, осу­ществляющие эту операцию, называют барботерами (рис. 187). В лабораториях для барботирования чаще применяют сжатый азот из баллона. Если же приходится использовать сжатый воздух, то его следует перед подачей в барботер очистить от примесей, используя сосуды и колонки (см. рис. 237 - 239), склянки (см. рис. 27 - 28), наполненные химическими поглотителями. При­меняют также и водоструйный насос (см. рис. 258) для просасывания воздуха через перемешиваемую среду.

К барботированию прибегают в тех случаях, когда газ не ока­зывает химического воздействия на перемешиваемый раствор и требуется удалить из последнего другие растворенные газы, не прибегая к кипячению с обратным холодильником (см. разд 8.3). Иногда барботирование для перемешивания совмещают с использованием поступающего в сосуд газа как одного из реагентов протекающей химической реакции.

Барботер-мешалка (рис. 187, а) перемешивает суспензию как лопастная мешалка с одновременным пропусканием через жидкую среду газа. Барботер состоит из стеклянной трубки, верхний конец 1 которой запаян и присоединен при помощи отрезка резинового шланга в валу электродвигателя.



Рис. 187. Барботеры: вращающиеся (а), перфорированные (б), пластинчатые (в)
Ниже запаянного конца 1 располагают фторопластовый подшипник 2 с полостью, в которую через штуцер 4 подают сжатый газ. Трубка внутри полости имеет отверстия 3, через которые газ поступает для барботирования.

В простейшем случае барботер состоит из одной стеклянной трубки (рис. 187, б), согнутой в виде кольца, располагающегося на дне сосуда. Кольцо имеет отверстия для выхода газа. Выхо­дящий газ в виде пузырьков увлекает за собой частицы суспен­зии или капли эмульсии и создает поток восходящей жидкости. Этот поток будет тем интенсивнее, чем с большей скоростью будет выходить газ, чем сильнее он будет дробиться при выходе на мелкие пузырьки. Для дробления на небольшие порции при­меняют пластинки из пористого стекла 1 (рис. 187, в) или по­ристого полимерного материала. Такие барботеры применяют Для растворения газов в жидкостях, например хлороводорода или аммиака в воде. Для этой цели применяют и барботеры-мешалки, нижняя часть которых выполнена из нескольких ло­пастей-трубок подобно центробежному насосу.

При расчете барботеров расход газа в 1 мин на 100 см² поверхности перемешиваемой жидкости принимают при слабом перемешивании 4 л, при перемешивании средней интенсив­ности - 8 л и при интенсивном перемешивании - 10 л.

Механические встряхиватели Вагнера (рис. 188, а) и Сокслета (рис.188, б), так же как и "качалку" (рис. 188, в), можно изго­нять во многих мастерских с несложным оборудованием, хотя фирмами они выпускаются в самых разнообразных вариантах, но за довольно большую цену.



Рис. 188. Механические встряхиватели Вагне­ра (а) и Сокслета (б). Качающееся устройство (в)
Смеситель Вагнера представляет собой раму 1, вращающуюся вокруг оси 2 с закрепленными в ней сосудами 3 (колбы, дели­тельные воронки, склянки и т. п.). Для закрепления сосудов рама имеет передвижные штоки с головками, прижимающими пробки сосудов. Штоки фиксируются винтами 4. Перемещение штоков позволяет устанавливать в раме сосуды разной высоты. Шкив 5, приводящий в движение раму, связан при помощи текстропного ремня с электродвигателем.

Вагнер Карл Вильгельм (1901 - 1977) - немецкий физикохимик, исследова­тель ракетных топлив.

Качающееся устройство (качалка, см. рис. 188, в) представляет собой подвешенный на качающемся штоке 1 зажим 2 с сосудом 3. В движение шток приводится шатуном 4, связанным с колесом 5. На качалке перемешивают небольшие порции суспензий в толстостенных сосудах.

Сальники из фторопласта-4 состоят из пробки 2 (рис. 189, б), закрывающей горло 3 сосуда, и шайбы 4, опирающейся на стек­лянные выступы 5 в горле сосуда. Зазор между валом 1 и проб­кой 2 (или шайбой 4) не должен превышать 0,01 мм. Такой сальник выдерживает вакуум 10 - 15 торр (1300 - 2000 Па). Стеклянный вал во фторопластовом сальнике обладает хорошим скольжением. Пар органических растворителей на такой затвор не действует. Добавим, что шайба 4 выполняет одновременно и Функции подшипника, центрирующего вал.

Некоторые исследователи применяют затвор, состоящий из отрезка 2 резиновой трубки (рис. 189, в). Место прохождения вала 1 в резиновом шланге смазывают силиконовым маслом (см. разд. 1.7). Такое уплотнение предотвращает утечку пара из сосу­да, проникновение в него влаги из воздуха и позволяет поддер­живать в сосуде небольшой вакуум. Однако применения резинового шланга следует избегать в тех случаях, когда он может под­ергаться воздействию пара реакционной среды. Для центровки вала 1 в трубку 3 вставляют фторопластовое кольцо 4, опирающееся на выступы 5.

Очень удобно использовать в качестве затвора и подшипника фторопластовые пробки 2 (рис. 189, г), закрывающие сосуды 3 в которых работают стеклянные мешалки 1.

Для работы в условиях вакуума требуются надежные уплот­нения вала мешалки. Затвор (сальник) должен оказы­вать возможно меньшее сопротивление вращению вала. Затвор со смазкой (рис. 190, а) дает возможность пользоваться мешалкой, делающей до 1400 об/мин. На верхнюю часть вала 2 такой мешалки надевают короткий кусок полихлорвиниловой трубки 1, образующей воронку для густого масла (см. разд. 1.7), например этилгексилфталата С₆Н₄(СООС₂Н₅)(СООС₆Н₁₃). Вазелиновое или парафиновое масла для смазки вала непригодны, поскольку затвор при их использовании излишне перегревается. На вал 2 мешалки насаживают диск 4 из фторопласта-4, кото­рый отбрасывает масло, стекающее вдоль вала, на стенки горла сосуда 3. Это масло периодически спускают из кармана 5 через трубку 6. При зазоре 0,01 - 0,02 мм между валом и трубкой через затвор протекает всего 5 - 10 мл смазки в месяц. Центровку вала осуществляет фторопластовый подшипник 7.

При небольшом вакууме в сосуде с мешалкой применяют затвор, работающий без смазки (рис. 190, б). Ось вала 1 проходит через два калиброванных фторопластовых подшипника 2, между

торьши находится небольшая шариковая камера 3 с отводной рубкой 4, присоединенной к водоструйному насосу (см. рис. 258). Воздух, проникающий через фторопластовые подшипники,

удаляется, а стеклянный вал хорошо скользит в них. В еще одной конструкции затвора (рис. 190, в) фторопластовый сальник 3 дает возможность поддерживать достаточно вы­сокий вакуум в приборе при большом числе оборотов мешалки, при этом затворе также предусмотрено отсасывание через трубку 5 просочившегося воздуха. Вал 1 вращается в двух фторо­пластовых подшипниках 3, разделенных стеклянным коль­цом 4, внутренняя полость которого сообщается с овальны­ми полостями подшипников для сбора просочившегося воздуха. Нижний подшипник опирается на фторопластовую пробку 6, закрывающую горло 7 сосуда. Весь затвор заключен в металли­ческий кожух 2, закрепленный на фланцах горла 7 сосуда.

9.3. Выпаривание и концентрирование растворов

Выпаривание растворов проводят для повышения концентрации растворенного вещества перед его кристаллизацией или для удаления растворителя с целью получения растворенной твердой фазы в виде сухого остатка. Выпаривание проводят как при ат­мосферном давлении, так и в вакууме при помощи жидкостных, паровых и воздушных бань (см. разд. 6.1), инфракрасных из­лучателей (см. разд. 6.4), колбонагревателей и электрических плиток, токопроводящих пленок (см. разд. 6.5) и других уст­ройств.

Не рекомендуется выпаривать растворы при их кипении вследствие разбрызгивания жидкой фазы и образования корки солей на холодных частях выпаривающего устройства, прово­дить выпаривание и в сушильных шкафах (см. разд. 6.10), бы­стро выходящих из строя из-за конденсации пара на стенках и внутренних частях, содержащих электронагревательные элемен­ты и терморегулирующие устройства. Не следует выпаривать рстворы в эксикаторах при комнатной температуре из-за необ­ходимости частой смены осушителей. Такое выпаривание можно применять в особых случаях, например для выращивания монокристаллов (см. разд. 9.8).

Скорость испарения растворителя зависит от температуры, давления, поверхности испарения, интенсивности перемешивания и толщины слоя нагреваемого раствора. В тех случаях, когда растворенное вещество разлагается в процессе нагревания при атмосферном давлении, растворитель удаляют либо при помощи вакуума в пленочных испарителях, либо вымораживанием, или прибегают к лиофильному выпариванию.

и со спаренными чашками (в)

Выпаривание растворов с верхним обогревателем 2 (рис. 191, а и рис. 115, а, б) и продуванием воздуха вдоль поверхности испарения путем отсасывания пара через трубку 1 нагревателя 2 приводит к быстрому удалению растворителя, хотя и влечет за собой загрязнение раствора аэрозолями воздуха. Одновременно чашка 3 с раствором может подогреваться в жидкостной бане 4 или в колбонагревателе (см. рис. 118) с регулируемой темпера­турой.

Если необходимо регенерировать особо ценный раствори­тель, то применяют прибор со специальной воронкой 1 (рис 191, б) для сбора конденсата. Нижний край воронки над фарфоровой чашкой 4 следует удалить от поверхности раствора на 1 3 см для образования турбулентного воздушного потока, а верхнюю часть трубки при необходимости присоединить к хо­лодильнику. Если у такой воронки есть боковой штуцер 2 с пи­тателем 3, то прибор может служить для непрерывного упарива­ния разбавленных растворов до получения в чашке 4 суспензий нужной плотности. Чашка 4 нагревается в водяной бане 5.

При выпаривании некоторых растворов образующиеся мелкие кристаллики "ползут" в виде тонкого слоя по стенкам чашки и даже выходят за ее край из-за более слабого нагрева верхней части чашки. Устранение "ползучести" твердой фазы достигают применением прибора с верхним нагревателем (см- 191, а) или ИК-излучателя (см. рис. 115, а). Рекомендуют также устанавливать снаружи вокруг верхней части чашки или стакана с выпариваемым раствором кольцевой нагреватель в виде стек­лянной трубки с нихромовой электрической спиралью.

а: 1 - обратный холодильник; 2 - рубашка; 3 - чашка с раствором; 4 - колба; 5 - капил­ляры; 6 - колбонагреватель

кристаллов начинает просыхать сверху вниз, что препятствует ползучести кристаллов.

Выпаривание при постоянной температуре проводят в чашках 3 с паровой рубашкой 2 (рис. 192, а), соединенной с обратным холодильником 1. Теплоносителем в таком приборе является пар высококипящей жидкости (см. табл. 16). Поэтому особоого контроля за процессом выпаривания, кроме доливания в чашку очередной порции выпариваемого раствора, не требуется.

Если выпаривание необходимо проводить при кипении раствора, содержащего объемистые рыхлые осадки, то применяют вставку Шиффа (рис. 192, б). Она состоит из широкой воронки

4, имеющей ножки по краям кромки длиной до 5 мм и короткую широкую трубку 3, на которую надета пробирка 2 с отверстиями. Вставку Шиффа погружают на дно стакана 1 с рыхлой суспензией. Внутренний диаметр стакана не должен превышать диаметр воронки более чем на 5 - 10 мм.



Рис. 193. Циркуляционный испаритель Панкрата (а), пеноразрушитель (б)

и прибор для выпаривания растворов под вакуумом (в)

Выпаривание концентрированных растворов досуха при по­мощи ИК-излучателей (см. разд. 6.4) и верхнего нагрева (см.рис. 191, а) не представляет особых трудностей. Выпаривание же таких растворов с нижними нагревателями должно сопро­вождаться перемешиванием на конечной стадии и строгим кон­тролем за нагреванием, которое надо немедленно прекратить при образовании сырой массы твердой фазы. Из-за перегрева донной части возможно растрескивание массы с разбросом час­тичек.

При выпаривании щелочных растворов и растворов, содержащих поверхностно-активные вещества, наблюдается образование пены. Устранение пенообразования достигается с помощью простого циркуляционного испарителя Панкрата (рис. 193, а). Раствор в циркуляционной трубе 5 нагревается при помощи трубчатого электронагревателя 4, вскипает; смесь жид­кости, пара и пены выбрасывается по трубке 3 в сепаратор 2, в котором пенящаяся жидкость наталкивается на противопо­ложную стенку и отделяется от пены, а пар удаляется через трубку 1.



Рис. 194. Вакуумные испарители: простой (а), ротационный (б) и роторный (в)
Жидкость стекает обратно в циркуляционную трубу 5 и поднимается снова в обогреваемую часть прибора, испаритель. Сконцентрированный раствор периодически удаляют через нижний спуск 6, не допуская выделения кристаллов в циркуля­ционной трубе.

Для разрушения пены рекомендуют также простой способ. В колбу 3 (рис. 193, б) над поверхностью выпариваемого раствора помещают раскаленную нихромовую спираль 5. Пар удаляют через трубку 1. Токоподводы 2 готовят из толстой медной про­волоки. Спираль нагревают так, чтобы пена, разрушаемая теп­лом, не достигала ее примерно на 1 см и не оставляла бы на ней пленки, которая может быстро разрушить электросопротивле­ние. Нагревают раствор на водяной бане 4.