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

Мембранный манометр служит главным образом для измерения атмосферного давления при проведении некоторых экспериментов с газами и для измерения небольших давлений в замкнутых пространствах. На рис. 246,а приведен манометр с металлической коробкой 3, из которой выкачан воздух. Коробка имеет гофрированную мембрану 4. При увеличении внешнего давления мембрана вдавливается в коробку и приводит в движение связанный с нею рычажной механизм 2 и стрелку 1, указывающую на значение внешнего давления. Такие манометры называют еще анероидами. Калибруют анероид по ртутному манометру.

Анероид может измерять давление в интервале от 100 до 10⁷ Па с погрешностью

0,5 - 2,5%. Значение измеряемого давления (чувствительность анероида) зависит от толщины мембраны, диаметра коробки, свойств материала, из которого изготовлена коробка и мембрана, глубины и формы гофрировки.

Рис. 246. Анероид (а) и манометр Бурдона (б)

Диапазон измеряемого давления манометром Бурдона составляет от 0,1 до 2500 МПа с погрешностью 0,2 - 4,0%.

Рис. 247. Кварцевые вакуумметры Боденштейна (а) и ложечковый (б)

2 • 10⁴ Па (150 торр).

Вакуумметр Боденштейна можно использовать в сильно агрессивной среде, так как газы в нем приходят в соприкосновениe только с кварцем. Он выдерживает также нагревание до 500 °С без заметного изменения положения нулевой точки. Однако при использовании таких вакуумметров необходимо обеспечить надежное крепление прибора, исключающее какие-либо сотрясения. Диапазон измеряемого давления вакуумметрами Боденштейна составляет 10³ - 10⁵ Па (10-760 торр).

Боденштейн Макс (1871-1942) - немецкий химик, исследовал кинетику газовых химических реакций.

Толщина стенки ложечки составляет 0,5 - 0,8 мм, а диаметр острия 5 1,5 - 2,0 мм при длине 150 - 200 мм. Если к сосуду 3 присоединить микроскоп с окуляром, имеющим шкалу, и прокалибровать отклонения острия по стандартному вакуумметру, то надобность в отдельном вакуумметре отпадает.

Рис. 248. Манометр Пирани со свободно подвешенной нитью (а) и с натянутой нитью накаливания (б): а: 1 - колба; 2 - нить накаливания; 3 - трубка; А - миллиамперметр; Б₁ и Б₂ - постоянные источники тока с напряжением соответственно 4 и 20 В; R₁ и R₂ - реостаты с сопротивлением 25 Ом

Наиболее известен среди тепловых вакуумметров - вакуумметр Пирани.

Прибор представляет собой стеклянный баллон 1 (рис. 248,а) диаметром 12-15 мм, в котором свободно подвешена платиновая нить 2 диаметром 0,06 мм и длиной 70 мм. Стеклянный баллон с такой подвеской укрепляют только вертикально. В других конструкциях (рис. 248,б) нить 4 растягивают в баллоне при помощи пружин 2. В этом случае баллон 1 может занимать любое положение. Баллон соединяют через трубку 3 с прибором, давление в котором надо измерить.

Если проволоку нагреть электрическим током, то окружающий ее газ (в зависимости от давления) понизит температуру нити за счет теплопроводности, в результате изменится и электропроводность проволоки. Мерой давления будет служить значение силы тока, необходимой для поддержания свечения нити. (Баллон с нитью затемняют чехлом или закрашивают в черный цвет, оставляя окно для наблюдения за свечением нити.)

Установлено, что достаточно изменения силы тока всего на ±5%, чтобы яркость свечения накаленной нити изменилась на 50%. Температуру нити определяют визуально по яркости накаливания или при помощи термопары, приваренной к центру нити.

Калибруют манометр Пирани по ртутному манометру для каждого газа отдельно. Для этого его соединяют через трубку 3 с вакуумной системой, в которой вакуум несколько больше рабочего, например 10⁴ Па (100 торр). Затем при помощи реостата R₁ устанавливают ток, при котором нить начинает светиться (около 450 °С). Ток, протекающий через миллиамперметр А, компенсируется встречным током от батареи Б₂, регулируемым реостатом R₂. Положение ручки реостата R₂ фиксируют и в дальнейшем не изменяют. При уменьшении давления ток, необходимый для поддержания свечения нити на прежнем уровне, падает, и нить гаснет, схема разбалансируется и стрелка миллиамперметра (50 - 100 мА) отклоняется. Это отклонение и является мерой давления газа в баллоне 1. Восстанавливают свечение нити реостатом R₁.

Наибольшая чувствительность манометра Пирани лежит области 10 - 4 • 10³ Па (0,07 - 30 торр), где сила тока линейно зависит от логарифма давления газа.

Определение давления пара основано либо на непосредственном измерении давления, создаваемого паром, находящимся в фазовом равновесии с жидким или твердым веществом, либо путем косвенных наблюдений за поведением пара в предположении, что он обладает свойствами идеального газа.

Для определения давления пара вещества можно применять практически любой тип манометра. Однако многие исследователи предпочитают использовать для этой цели специально сконструированные приборы, получившие название тензиметров (от латин. tendere - натягивать, напрягать + ... метр).

Тензиметр объединяет в одно целое, без каких-либо переходных узлов, манометр и нагреваемый сосуд с веществом, давление пара которого измеряют. Прибор позволяет и произвести отбор порции пара для определения его молекулярного состава.

Известно много различных тензиметров, среди которых наиболее простыми являются приборы, в которых пар находится в изолированном от внешней среды объеме, и приборы, позволяющие переносить пар вещества потоком инертного газа. Первые получили название статических, а вторые - динамических тензиметров.

Статические тензиметры. В приборах этого типа часто применяют принцип работы вакуумметров Боденштейна и ложечкового (см. рис. 247).

Тензиметр Суворова (рис. 249,а) изготавливают из стекла малым термическим коэффициентом линейного расширения (стекло марки ТС или "пирекс", см. разд. 1.1), позволяющего использовать прибор в температурном интервале 30 - 500 °С.

Рис. 249. Тензиметр Суворова (а) и изотонископ Смита - Меньеса (б):

В этом тензиметре к стеклянной мембране 12 диаметром 10- 20 мм приваривают строго по центру стеклянную нить 8 толщиной около 1 мм. Под мембраной снаружи к трубке сосуда 14 приваривают вторую нить 10 такой же толщины и концы их спаивают на расстоянии 100 - 150 мм от поверхности мембраны. При колебаниях мембраны нить 8 перемещается вдоль своей оси, что приводит к изгибу иглы (из-за неподвижности нити 10) вправо или влево относительно индикатора нуля 7. Система двух нитей увеличивает смещение иглы примерно в 100 раз относительно изменения положения мембраны. Конструкция прибора позволяет наблюдать за колебаниями иглы вне термостата 15.

Чтобы измерить давление пара, навеску вещества массой не более 1 г вводят через отросток 13 в сосуд 14 после чего из него удаляют, воздух и отросток запаивают. Тензиметр присоединяют при помощи вакуумного шланга 6 к компенсационно- измерительному узлу 1-5.

Трубку 5 присоединяют к вакуумметру, а трубку 1 к вакуумному насосу. Трубка 3 связана через трехходовой кран 2 с атмосферой. Кран 4 во время работы прибора должен быть всегда закрыт. Его открывают только для компенсации давления в камере 14.

После загрузки вещества прибор помещают в термостат 15 с заданной температурой, контролируемой термометром 9. Давление пара вещества снизу на мембрану 12 вызывает смещение иглы 8 относительно индикатора 7. Для возвращения иглы исходному положению в сосуд 11, вакуумированный перед отпытом, осторожно впускают воздух через трубку 3, открыв кран 4, и отмечают по вакуумметру, присоединенному к трубке 5, давление, которое и будет давлением пара вещества.

Суворов Андрей Владимирович (р. 1926) - русский физикохимик, изучаюший термодинамику газообразного состояния вещества.

Изотонископ погружают в термостат 7. Давление пара вещества вызывает повышение столбика ртути в левом колене манометра. Для выравнивания уровней ртути в коленах манометра в него через трубку 1 при открытом кране 2 осторожно впускают воздух и отмечают давление по манометру, присоединенному через боковую трубку трехходового крана. Это давление и будет давлением пара вещества, находящегося в сосуде 5. Одновременно записывают показания термометра 8.

Существенный недостаток изотонископа - контакт пара с ртутью или другой манометрической жидкостью, что ограничивает круг веществ, давление паров которых возможно определить с помощью этого прибора.

Динамические тензиметры. В приборах такого типа над нагретым твердым веществом пропускают газ, который насыщается парами вещества, а затем от них освобождается, что и позволяе установить давление пара. Динамические тензиметры дают надежные результаты только в том случае, если давление пара заметно меньше давления газа-носителя. Обычно верхним пределом считается давление пара порядка (1 - 3) • 10⁴ Па (100 - 200 торр).

Рис. 250. Прибор для измерения давления пара методом потока (а) и сатураторы (б - г): б: 1 - капилляр; 2 - колба с веществом; 3 - пористый стеклянный патрон; в: 1 - стеклянный змеевик: 2- пористая стеклянная пластинка; 3- вещество; г: 1 - пористый стеклянный патрон; 2- вещество

Тензиметр с потоком газа-носителя (рис. 250,а) состоит из следующих узлов: реометра 1, термостата 3, сатуратора 4, конденсатора 5 и газометра 7 с приемником жидкости 8.

Газ-носитель, проходя реометр, поступает в сатуратор с исследуемым веществом. Температура сатуратора поддерживается постоянной и контролируется термометром 2. В сатураторе газ-носитель насыщается паром вещества и поступает в конденсатор, охлаждаемый в сосуде Дьюара 6. В конденсаторе происходит десублимация вещества, а газ-носитель собирается в газометре для определения объема при строго определенных атмосферном давлении и температуре. Вместо объема газа измеряют объем вытесненной из газометра воды.

Давление пара вещества р (в торр) находят по уравнению состояния идеального газа, допуская, что парциальное давление пара мало по сравнению с общим давлением газа-носителя:

р = m_BRT/M_BV, (10.10)

где m_B - масса конденсата, г; M_B — молярная масса вещества пара, г/моль; R - универеальная газовая постоянная, равная 62,363 л • торр/моль • К); Т - температура, К; V - объем прешедшего газа-носителя, л.

Для расчета давления пара р применяют и другие соотношения. Если исходить из уравнения Дальтона для идеальных газов:

р = р_х+ р_г, (10.11)

где Р - общее давление; р_х - определяемое парциальное давление пара вещества: р_г - парциальное давление газа-носителя), то объединяя уравнение (10.11) с уравнением Менделеева - Клапейрона, получим

где n_x и n_г - число молей вещества, обнаруженного в конденсаторе 5 и число моделей инертного газа-носителя, собранного в газометре 7.

Дальтон Джон (1766-1844) - английский химик и физик, открывший закон кратных отношений и обосновавший основные идеи химической атомистики.

Важной частью установки, в которой используется метод потока, является сатуратор 4, где происходит насыщение газа-носителя паром вещества и выравнивание их температур. Отдельные виды сатураторов приведены на рис. 250,б-г.

В сатураторе поверхность контакта вещества с газом-носителем должна быть возможно большей для насыщения последнего паром. Чтобы предотвратить диффузию пара в направлении, обратном потоку газа, входная трубка 1 сатуратора (рис. 250,б,в) оканчивается либо капилляром, либо змеевиком. Иногда используют только пористый стеклянный патрон 1 на выходной трубке (рис. 250,г).

Уменьшение термодиффузии пара в направлении потока газа-носителя достигается введением в выводную трубку сатуратора перед конденсатором пористого стеклянного фильтра 9 (рис. 250,а) и 3 (рис. 250,б) или пористой стеклянной пластинки 2 (рис. 250,в). Чтобы газ-носитель принял температуру пара перед прохождением через вещество, его вначале направляют в стеклянный змеевик (рис. 250,в). Как правило, скорость газа-носителя поддерживают в интервале от 1 до 50 мл/мин, регулируя ее реометром 1 (рис. 250,а). При меньшей скорости увеличивается диффузия пара в сторону, обратную движению потока газа-носителя, а при больших скоростях последний не насыщается паром.

Приборов для регулирования давления газа в реакторе или какой-либо системе очень много. Ежегодно их перечень пополняется новыми конструкциями. Общее название регуляторов давления - маностаты. В этом разделе приведены только наиболее распространенные типы маностатов, которые легко сделать в лаборатории. Рассмотрены также схемы маностатов, пригодные для создания приборов, наиболее полно отвечающих

целям эксперимента.

В простых лабораторных работах давление газа можно регулировать, сжимая резиновый шланг зажимом Гофмана (см. рис. 37.а) пли стационарным винтовым зажимом (см. рис. 37, д, е) Можно перекрывать поток газа краном или клапаном, что подробно рассмотрено в разд. 2.4.

251. Регуляторы давления: кран с капилляром (а), маностат Декарта (б) и его модификации (в, г)

Самым простым приспособлением для регулирования давления в вакуумной системе служит вакуумный кран 1 с капилляром 2 (рис. 251,а). Кран и капилляр имеют пришлифованные поверхности. Если заготовить набор капилляров с разным внутренним диаметром, то можно грубо регулировать количество проходящего через кран газа.

Чувствительными к изменению давления являются маностат Декарта и его модификации.

Поплавок 4 снабжен шипами 8, удерживающими его в вертикальном положении. Трение между шипами и стенкой сосуда 5 должно быть минимальным, иначе чувствительность маностата уменьшится. Если внутренний диаметр трубки 2 равен 2 мм, то можно регулировать давление до 3 • 10⁴ Па (200 торр) , а при диаметре 1 мм (3 - 4) • 10⁴ Па (200 - 300 торр). Точность регулирования зависит от конструкции и материала запорного приспособления.

Одной из модификаций маностата Декарта является прибор показанный на рис. 251,в. В нем трубка 3 соединена с вакууме ной системой, а трубка 1 - с вакуум-насосом и вставлена во фторопластовую пробку 2 плотно, но подвижно. Поплавок 5 закрыт сверху резиновой пластинкой 4 и плавает в ртути. Перед использованием прибора трубку 1 немного поднимают и из пространства над поплавком откачивают воздух до давления несколько ниже того, которое необходимо регулировать. При откачивании пластинка 4, имеющая вид колпачка, приподнимается и выпускает воздух из поплавка, поднимающегося на поверхность ртути. Если теперь в сосуд 6 впустить воздух, то ртуть почти целиком заполнит поплавок. Поэтому в сосуде 6 перед откачкой воздуха должно находиться столько ртути или другой жидкости, чтобы ее было достаточно для заполнения внутреннего объема поплавка.

Когда заданный вакуум достигнут, трубку 1 опускают до со прикосновения с резиновой пластинкой 4. При понижении давления в регулируемой системе пластинка плотно закроет трубку 1 и даже присосется к ней, и удаление газа из системы прекратится. Достигнутый вакуум будет удерживаться на каком-то постоянном уровне. Если давление возрастет, то поплавок опустится и откроет трубку 1 для удаления появившегося избыточного газа.

Другой модификацией поплавкового маностата является прибор, изображенный на рис. 251,г. При повышении давления газа, поступающего по трубке 1, уровень ртути в сосуде 5 понижается, и поплавок 4 опускается вместе со связанным с ним шариком 2, который и закрывает отверстие, прекращая поток газа. Заданное значение давления регулируют вертикальным перемещением ртутного резервуара 6. Поплавок должен иметь большой диаметр, близкий к диаметру сосуда 5. а шарик и седло, в которое он опускается, - пришлифованные поверхности. Трубка 3 служит для выхода газа.


Маностаты Декарта, как и все маностаты с изолированным объемом воздуха, не обеспечивают постоянство давления, если изменяется температура газа. Кроме того, через такие маностать нельзя пропускать тазы, взаимодействующие с ртутью. В этом случае вместо ртути применяют ругие жидкости с низким давлением пара и устойчивые в атмосфере конкретного газа.

Рис. 252. Маностаты: с уравнительным сосудом (а), сернокислотный (б), с резиновым конусом (в) и с резиновой мембраной (г)

В качестве рабочего вещества в маностатах применяют жидкости с низким в обычных условиях давлением пара, малорастворяющие проходящий газ и не взаимодействующие с ним, такие как силиконовое масло, креозол, нитротолуол, глицерин, серная кислота, дибутилфталат и др.

Когда через трубку 1 поступает газа больше, чем нужно ддя работы, его избыток удаляется через насадку Кьельдаля 2 (см. разд. 2.4).

При понижении давления газа, поступающего по трубке 1 уровень кислоты в цилиндре 7 также понижается, и нижние концы трубок 3 и 4 погружаются в кислоту, запирая прибор потребляющий газ. Таким образом, в прибор может поступать только газ с избыточным давлением, определяемым высотой столба h₁ кислоты.