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

В лабораторной практике довольно часто применяют газы. Их используют для синтеза веществ и создания защитной атмосферы в зоне реакции, предохраняющей реагенты от воздействия компонентов воздуха. Газы в процессе работ сжимают, превращают в жидкое состояние, от них освобождают сосуды, если нужен вакуум. Для получения газов и их хранения требуются специальные приборы. Много трудностей возникает у исследователя при очистке газов от примесей. Можно сказать, что эксперименты с газами по сравнению с опытами, в которых используют твердые и жидкие вещества, являются наиболее сложными в техническом отношении.

Для получения газов применяют большое число самых разнообразных приборов, которые можно условно разделить на четыре группы: 1) приборы для взаимодействия твердых веществ с жидкостью, подводимой к веществу снизу; 2) приборы капельного действия; 3) приборы для взаимодействия жидкости с жидкостью и 4) приборы, в которых газ образуется при термическом разложении твердого вещества.

Рис. 228. Приборы для получения газов подводом жидкости к твердому веществу снизу: Винклера (а), Гей-Люссака (б) и Сент-Клер-Девилля - Дебре (в)

Чтобы получить газ, сосуд 1 с перфорированным дном, содержащий твердый реагент 4,

опускают механическим приспособлением в жидкость 5, а затем извлекают из нее, когда

газ уже не нужен. Перед извлечением сосуда 1 кран на трубке 3 закрывают. Недостаток

этого прибора - возможность проникновения воздуха в сосуд через перфорированное дно,

когда прибор находится в нерабочем состоянии. Штуцер 2 служит для загрузки и

выгрузки сосуда.

Винклер Клеменс Александр (1838 - 1904) - немецкий химик. Описанный прибор создан в 1882 г.

В приборе Гей-Люссака (рис. 228,б) газовая камера 1 с перфорированным дном и отверстиями 6 постоянно находится в жидкости 5. Когда надобность в получении газа отпадает, закрывают кран на трубке 3, и газ вытесняет жидкость через твердый реагент 4 и перфорированное дно в нижнюю часть камеры 7, а оттуда через боковые отверстия 6 - в сосуд 5 с жидкостью. Через тубус 2 происходит загрузка и разгрузка прибора.

Наиболее простым из всех приборов первой группы является прибор Дебре и Сент-Клер-Девилля (рис. 228,в), напоминающий прибор Винклера. Прибор состоит из двух склянок 1 и 5 c нижними тубусами. В склянку 1 помешают на дно слой из стеклянной или полимерной ваты, а на этот слой - твердое вещество 4. В склянку 5 заливают жидкий реагент. При поднятии склянки 5 реагент проникает через резиновый шланг 7 и слой ваты к твердому веществу и вступает с ним в реакцию с выделением газа, выходящего через кран 3. Когда газ не нужен, склянку с жидкостью опускают вниз, удаляя тем самым жидкость из твердого вещества. Остатки жидкости выдавливаются избыточным давлением газа. В этом приборе отработанную жидкость можно легко заменить свежей.

Дебре Анри Жюль (1827-1888) - французский химик-неорганик. Участвовал в изготовлении международных эталонов длины и массы - метра и килограмма

Сент-Клер-Девилль Анри Этьен (1818-1881) - французский химик-неорганик. Вместе с Дебре изготовил эталоны метра и килограмма.

После загрузки твердого вещества в колбу 4 воронку 2 ставят на место, смазав предварительно одной из смазок, рекомендованных в разд. 1.7, шлифованные поверхности. Через воронку наливают в аппарат жидкий реагент в таком количестве, чтобы колба 4 была заполнена наполовину, при этом кран выпуска газа 3 должен быть открыт. Образующийся газ выпускают из колбы в течение 5-10 мин для полного вытеснения воздуха Затем кран закрывают, и жидкость под давлением все еще образующегося газа вытесняется через резервуар 8 в воронку 2. В этой операции кран под воронкой должен быть открыт.

Пробка 7 резервуара 8 нужна для удаления из аппарата отработанной жидкости. Эта пробка вызывает часто неудобства в работе - подтекает или не открывается. Поэтому она должна быть тщательно пришлифована и смазана. Ее обычно закрепляют сильными пружинами, если у тубуса пробки 7 есть стеклянные крючки. При их отсутствии пробку надежно укрепляют проволокой.

Чтобы воспрепятствовать выходу газа и паров жидкого реагента, воронку 2 закрывают предохранительным сосудом 1, заполненным небольшим количеством воды.

Для разборки аппарата при смене реагентов сначала открывают пробку 7 и сливают жидкость. Затем заливают аппарат одой через воронку 2 и дают возможность воде промыть сосуды 2, 4 и 8, и снова воду спускают через тубус пробки 7. Только после этого вынимают кран 3 из аппарата, а за ним и воронку 2, высыпают остатки твердого вещества 5. Промыв тщательно аппарат водой, собирают его так, как было описано выше.
Кипп Петр Якоб (1808-1864) - голландский химик и аптекарь. Аппарат изобрел в 1853 г.

Если у аппарата Киппа воронка 2 разбита или по каким-либо причинам отсутствует, то для получения газа можно применить аппарат Верховского (рис. 229,б), напоминающий прибор Дебре и Сент-Клер-Девилля. Для предотвращения уноса капельно-жидкой фазы склянку 2 закрывают резиновой пробкой с каплеуловителем Ульша-Геккеля (см. рис. 42,г). Преимущество аппарата Верховского по сравнению с аппаратом Киппа состоит в том, что в нем можно получить более значительное давление газа, кроме того он дешевле.

В двухпробирочном приборе (рис. 229,в) пробирка 2 имеет придонные отверстия 5, закрытые изнутри обрезками стеклянных трубок, пропускающих жидкий, но задерживающий твердый реагенты. Когда газ не нужен, то кран на трубке 1 закрывают, и

избыточное давление газа выдавливает жидкость через слой стеклянных трубок и тверстия 5 в кольцевое пространство между пробирками 2 и 4. Внутренняя пробирка опирается на пробку 6 из полиэтилена. Трубка 3 служит для сообщения прибора с атмосферой.

В U-образном приборе (рис. 229,г), предназначенном чаще всего для аналитических целей, твердый реагент 4 загружают в сосуд 3, открыв пробку 1, на небольшой пористый диск 5. Образующийся газ выпускают через трубку 2, снабженную краном.

В табл. 33 приведены некоторые газы, получаемые с использованием приборов и аппаратов, представленных на рис. 228 и 229, и перечислены твердые и жидкие реагенты.

Здесь необходимы некоторые комментарии. Мрамор (карбонат кальция СаСО₃), используемый для получения диоксида углерода, из-за пористости непосредственно в приборы не загружают, так как в этом случае газ будет содержать примесь воздуха. Кусочки мрамора предварительно обрабатывают разбавленной хлороводородной кислотой (15%) и затем кипятят в чистой воде около 10-15 мин. После этого их помещают

на дно вакуум-эксикатора (см. разд. 2.3), заливают водным раствором СаСl₂ и откачивают водоструйным насосом (см. разд. 10.8) до прекращения выделения пузырьков воздуха.

Кубики из хлорной извести для получения хлора или кислорода готовят смешиванием 100 г ее с 25 г гипса и небольшим количеством воды до кашеобразного состояния. Затем кашицей заполняют формы размером 15x15 мм. Бромоводородную и иодоводородную кислоты получают в небольших количествах в приборах, представленных на рис. 229,(в,г). Если нужен HBr, то в сосуд 3 (рис. 229,г) или в пробирку 2 (рис. 229,в) загружают кусочки белого фосфора. Жидким реагентом является бромная вода. Когда необходимы небольшие количества иодоводородной кислоты, то те же сосуды заполняют асбестовой или стеклянной ватой, смешанной с Р₄O₁₀. Жидким реагентом в этом случае служит 60%-я иодоводородная кислота.

Образующийся газ выпускают через кран 4, трубку которого соединяют при помощи резинового шланга с прибором - потребителем газа. Когда газ не нужен, кран 4 закрывают, и избыток газа либо начинает вытеснять жидкий реагент через слой стекловаты 7 в сосуд 6 (рис. 230,в,г), либо попадает до прекращения реакции через капилляр 3 в буферный сосуд 6 (рис. 230,а,б).

Отличительной особенностью капельных аппаратов является полное использование жидкого реагента. Он не смешивается после прекращения реакции со свежими порциями, так как его удаляют через кран 8 (рис. 230,а,б) или сбрасывают в аппаратах Парсонса и Хониша через сифон 9 (рис. 230, в,г).

Аппараты Оствальда и Мак-Кея. Недостаток аппаратов Оствальда (рис. 230,а), изобретенного в 1892 г., и Мак-Кея (рис. 230,б), предложенного в 1907 г., состоит в том, что после закрывания крана 4 реакция получения газа будет продолжаться до тех пор, пока жидкий реагент, оставшийся в твердом веществе 10, полностью не израсходуется. Правда, это случается только тогда, когда скорость потока жидкости через капилляр больше скорости реакции. Другой недостаток аппаратов Оствальда и Мак-Кея - необходимость тщательного выбора диаметра капилляра 3. Газ, находящийся в реакционном сосуде 5 под избыточным давлением, может через сравнительно большой диаметр капилляра прорваться в буферный сосуд 6 (рис. 230,а,б) и перекрыть поток жидкого реагента.

В аппарате Хониша (рис. 230,г) образование газа происходит в замкнутой системе, что позволяет создавать при помощи трех кранов 4, 11 к 12 большое дополнительное давление в сосуде 5 регулировать скорость выделения газа и удалять воздух из жидкого реагента, залитого в сосуд 1. Последнюю операцию выполняют, закрыв краны 4 и 11 и открыв кран 12. Образующийся в сосуде 5 газ через капилляр 3 и нижний тубус склянки 1 проходит через жидкость. Газ получают в приборе Хониша (рис. 230,г) при открытых кранах 4 и 11 и закрытом кране 12. Во всех рассмотренных аппаратах загрузку свежей порции твердого реагента 10 осуществляют через тубус 2.

К такому же типу аппаратов, т. е. с подачей жидкости сверху к твердому реагенту, принадлежат и простые установки, приведенные на рис. 231. Для ускорения реакции в них предусмотрено применение колбонагревателей 5 (см. разд. 6.5). Реакция жидкости с твердым реагентом 4 в колбе 2 прекращается при закрытом кране делительной воронки 1 (см. разд. 2.6). К газоотводной трубке присоединяют различные предохранительные приспособления 3 и поглотительные склянки (см. разд. 2.2) для чистки газов от тех или иных примесей (см. разд. 10.3). Если сопротивление потоку газа в системе очистки будет большим, то возможен выброс газа через делительную воронку. При прорыве газа следует перекрыть кран воронки 1 и уменьшить нагрев колбы. В крайнем случае в верхнее отверстие делительной воронки вставляют пробку со стеклянной трубкой, присоединении

через резиновый шланг к газометру (см. разд. 10.10), наполненному воздухом. Регулируя выпуск воздуха из газометра в делительную воронку, можно создать необходимое избыточное давление на жидкость и прекратить проскок газа через нее.

Рис. 231. Капельные аппараты с подогревом

Эти приборы, в отличие от рассмотренных выше, дают более равномерный поток образующегося газа и способствуют меньшему перегреву жидкости в реакционной колбе.

Гейлз Стивен (1677-1761) - изобретатель приборов для получения и сбора газов.

Пробирка 5 составляет с воронкой 1 одно целое и связана с сосудом 3 либо пришлифованными поверхностями, либо резиновой пробкой.

В приборе Зайделя (рис. 232,б) обе жидкости одновременно стекают из делительных воронок 1 в сосуд 2, наполненный стеклянной ватой или обрезками небольших стеклянных трубок 3. На поверхности ваты или трубок жидкости смешиваются и вступают в реакцию с выделением газа. Прибор удобен тем, что в нем можно регулировать расход жидкостей. Иногда под нижние концы трубок делительных воронок укрепляют обычную маленькую воронку, в которой начинается смешивание жидкостей.

Прибор Зайделя позволяет, например, получать до 60 л/ч хлороводорода из равных объемов концентрированной серной и хлороводородной кислот, причем температура в сосуде 2 существенно не повышается.

Если необходимо, чтобы жидкости не сообщались с атмосферой, применяют видоизмененный аппарат Киппа (рис. 232,в). Этот аппарат позволяет получать газ, не содержащий примесей, присутствующих в воздухе. Прежде чем открыть кран 3, в аппарате создают вакуум, присоединяя трубку с краном 2 к водоструйному насосу. Вакуумирование сосудов 1 и 4 позволяет удалить и растворенные в жидкостях газы.

Небольшое количество газа получают при помощи более простого прибора (рис. 232,г), в котором для равномерного смешивания жидкостей и создания избыточного сопротивления на пути жидкости из воронки 1 конец ее трубки погружают в короткую пробирку 4. Тогда жидкость выливается из воронки 1 при постоянном давлении в сосуд 3 с отводной трубкой 2. Это простое приспособление напоминает пробирку 5 прибора Гейлза (см. рис. 232,а).

Для получения газа сливанием двух жидкостей пригодны аппараты Оствальда (см. рис. 230,а) и Мак-Кея (см. рис. 230,б), в которых вместо твердого вещества в сосуд 5 наливают одну из жидкостей. Поступление второй жидкости регулируют краном 4 газовой камеры.

Во всех приборах, используемых для получения газов, стараются сделать мертвое пространство, не омываемое газом, минимальным. Поэтому трубки, отводящие газ, располагают в самой верхней части прибора.

В табл. 34 приведены примеры получения газов путем смешивания двух жидкостей-реагентов.

и выходит через трубку с краном 3. Кран 6 служит для периодического слива из прибора отработанной жидкости.

Чтобы получить сухой бромоводород, в колбу Клайзена 6 (рис. 233,б) наливают бензол или тетралин (1,2,3,4-тетрагидронафталин, С₁₀Н₁₂). Колбу нагревают в колбонагревателе 7 (см. разд. 6.5) и к кипящей жидкости прибавляют из капельной воронки 4 бром, используя кран 5. Образующийся НВr поднимается по колонке 2, наполненной небольшими обрезками стеклянных трубок. В колонке конденсируется пар С₆Н₆ или С₁₀Н₁₂, конденсат стекает в колбу 6, а НВr через трубку 1 удаляется из прибора. Колонка соединена с капельной воронкой трубкой 3, уравновешивающей давление, что позволяет осуществлять непрерывную подачу брома.

Рис. 234. Приборы для получения газов воздействием газа-реагента (а) или катализатора (б) на жидкость

Для получения газа методом взаимодействия жидкого реагента с другим газом или катализатором применяют приборы, приведенные на рис. 234. В приборе с пористым патроном 5 (Рис. 234,а) через жидкость-реагент, перемешиваемый магнитной мешалкой 6-7(см. разд. 9.2) пропускают газ по трубке 4, регулируя его поток краном 1. Пористый патрон дробит струю газа на мельчайшие пузырьки, взаимодействующие с жидкостью-

реагентом. Образующийся новый газ в смеси с исходным удаляется из колбы 3 через трубку с краном 2.

В таком приборе можно получить, например, азот при пропускании аммиака через бромную воду:

8NH₃ + 3Br₂ = N₂ + 6NH₄Br.

Используют этот прибор и для получения нитрозилхлорида NOCl путем взаимодействия хлороводорода со смесью (NO)HSO₄ и H₂SO₄:

(NO)HSO₄ + HCl = NOCl  + H₂SO₄.

Если заменить стекло на полиэтилен или фторопласт-4, можно получить дифторид кислорода с выходом около 45% при пропускании фтора в 2%-й водный раствор гидроксида натрия:

2F₂ + 2NaOH = OF₂  + 2NaF + H₂O.

Некоторые газы можно синтезировать воздействием твердых катализаторов на жидкость-реагент. Например, для получения чистейшего O₂, свободного от примеси азота, прибегают к каталитическому разложению 30%-го пероксида водорода в платинированной никелевой трубке или зерен MnO₂, загруженных в перфорированный стеклянный стаканчик 3 (рис. 234,б). Чтобы прекратить поток кислорода через трубку 1 катализатор (Ni или MnO₂) извлекают из водного раствора пероксида водорода. Разложение последнего протекает в соответствии с реакцией

2Н₂O₂ = O₂  + 2Н₂O.