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

Нагревание и охлаждение веществ и их смесей - важнейшие операции в химической лаборатории. Температура - один из самых мощных факторов воздействия на химические реакции. Синтез многих веществ невозможен без нагревания или охлаж­дения реакционной смеси. Разложение твердых фаз при получе­нии простых и сложных оксидов или газов также требует нагре­вания. Получение и превращение радикалов и ионов в твердых замороженных веществах немыслимо без применения криохимической техники. Разделение и очистка веществ методами пе­регонки и конденсации, растворения и кристаллизации, субли­мации и десублимации требуют либо нагревания, либо охлажде­ния, либо попеременного действия этих процессов.

Ниже рассмотрены элементарные устройства для осущест­вления процессов нагревания и охлаждения.

6.1. Бани

Ьани в зависимости от теплоносителя делят на жидкостные, Жидкосолевые, жидкометаллнческие, воздушные, паровые, пе­сочные и криптоловыс. Бани применяют для нагрева стеклянных и фарфоровых сосудов, когда требуется создать вокруг на­деваемого объекта более или менее равномерное температурное поле и избежать использования открытого пламени и раскаленной электрической спирали.

переносной (г) и пробирочный (д) регуляторы уровня

Для нагревания сосудов до 100 °С применяют водяные бани. Вода по сравнению с другими жидкостями обладает самой вы­сокой теплопроводностью (уступает только ртути). Такая баня пригодна для нагревания при помощи электронагревателя 4 колб с перегоняемой жидкостью, кипящей при температуре не выше 80 °С. Уровень воды в бане не должен доходить 2 - 3 см до ее края. Нагреваемый сосуд может быть погружен в кипящую воду, а может находиться и выше ее уровня. Например, стаканы обычно устанавливают на крышке бани. Вода в бане во время ее использования постоянно кипит. Поэтому баню снабжают регу­лятором постоянного уровня 1 (см. рис. 110, а), конструкция которого была предложена еще в 1890 г. Ферстером. Трубки 2 и 3 регулятора присоединяют при помощи резиновых шлангов соответственно к водопроводному крану и сливной раковине Напор воды регулируют водопроводным краном с таким расче­том, чтобы через трубку 3 вытекала тоненькая струйка воды. Верхний срез трубки 3 определяет уровень воды в бане. Регулятором уровня воды в бане может служить трубка Истерфельда (рис. 110, г) или простая пробирка с сифоном (рис. 110, д).

В водяную баню можно превратить любой химический ста­кан (рис. 110, б, в). В устройстве типа в пробирки держатся в стакане на подставке с отверстиями.

Кроме воды в жидкостных банях применяют водные раство­ры некоторых солей, обладающих высокой теплопроводностью и позволяющих поддерживать в бане температуру от 105 до 140 °С (табл. 20).

Поверхность водных растворов солей защищают от появле­ния кристаллической пленки, добавляя в баню 5 - 10 мл пара­финового масла. Разумеется, что для поддержания постоянной температуры кипящего водного раствора соли следует сохранять ее исходную концентрацию, автоматически добавляя чистую воду до начального уровня при помощи регуляторов (см. рис.110, а, г, д). В качестве кипящей жидкости помимо водных растворов со­лей применяют смесь 400 г 85%-го раствора Н₃РО₄ и 100 г твер­дого (НРОз)₄- Такая смесь остается прозрачной и устойчивой при нагревании до 250 °С. Однако водные растворы солей и фосфорных кислот вызывают сильную коррозию металлических бань; кроме того, при охлаждении бань наблюдается кристалли­зация солей на стенках и крышке. Поэтому бани для солевых Растворов готовят либо из нержавеющей стали, либо из титана. Некоторые фирмы выпускают бани, изготовленные из фарфора внутренними кварцевыми электронагревателями.

Теплоносителем жидкостных бань может быть глицерин в температурном интервале от 60 до 180 °С. При температуре выше 200 °С глицерин начинает дымить и разлагаться с образованием акролеина, вызывающего слезотечение и кашель. К тому же глицерин - отосительно вязкая жидкость и легко поглощает воду.

В интервале температур от 60 до 250 °С может быть исполь­зован бесцветный триэтиленгликоль Н[0(СН₂)₂]_з(ОН) с темпе­ратурой плавления -7,2 °С и кипения 287,4 °С.

Бани с парафиновым (вазелиновым) маслом можно нагревать только до температуры 150 °С. При длительном их использова­нии наблюдается осмоление, жидкость приобретает желто-коричневый цвет, становится вязкой, а при 200 °С начинает сильно дымить.

Для области температур от 100 до 250 °С широкое примене­ние нашли масляные бани, в которых жидкостью- являются высококипящие продукты перегонки нефти, например масло ци­линдровое 52 ("Вапор") или менее вязкое масло цилиндровое 24 ("Вискозин"), температура воспламенения которых близка к 300 °С. Масло при контакте с воздухом начинает темнеть только выше 360 °С, и скорость его окисления с одновременным уве­личением вязкости растет с дальнейшим повышением темпера­туры. Одновременно возрастает и возможность внезапного вос­пламенения. В часто используемой масляной бане масло необ­ходимо менять не реже одного раза в месяц.

Более устойчивым к нагреванию, чем минеральные масла, является трикрезилфосфат (СН_зС₆Н₄0)зР, представляющий со­бой смесь изомеров с температурой кипения равной 191 °С при 14,7 Па и 235 °С при 933 Па. При атмосферном давлении три­крезилфосфат кипит около 410 °С с разложением. Он безопасен в пожарном отношении и может быть нагрет до 300 °С без за­метного изменения свойств и цвета, но пары его ядовиты.

Лучшим теплоносителем для масляных бань является бес­цветное силиконовое масло (смесь кремнийорганических соеди­нений), выдерживающее длительное нагревание до 300 - 360 ⁰С без заметного изменения цвета и вязкости, к тому же это масло не вызывает коррозии металлических бань.

Баню заполняют маслом до 1/2 объема, так как при нагрева­нии масло расширяется и его избыток может перелиться через край и воспламениться. В масляных банях нужно непрерывно контролировать температуру. Постоянной температуры масло не имеет, и перегрев его также может вызвать воспламенение. При нагревании в масло не должны попадать вода и другие низкокипяшие жидкости. Уже от нескольких капель воды масло вспенивается и разбрызгивается.

Масляные бани следует использовать в вытяжном шкафу: пар масла вреден и имеет неприятный запах. Рядом с масляной ба­ней всегда пало держать асбестовую ткань. Иногда при длительном нагреваний с предельно допустимой температурой масло в бане вспыхивает. Чтобы погасить огонь, баню накрывают асбестовой тканью. Ни воду, ни песок для тушения горящего масла применять нельзя.

Уровень нагреваемого вещества в сосуде, помещенном в мас­сную баню, должен совпадать с уровнем масла. При удалении сосуда из горячей бани его сначала держат над фарфоровой чашкой, чтобы масло могло стечь с его стенок, а затем кусочком фильтровальной бумаги снимают остатки масла и погружают для удаления последних масляных следов в СС1₄.

Нагрев до температуры выше 350 °С практически не выдер­гивает ни одна жидкость в качестве теплоносителя. Поэтому для таких температур применяют бани с расплавами солей (жидкосолевые бани) и с расплавами металлов и их сплавов (жидкометаллические бани).

Жидкосолевые бани используют тогда, когда нельзя восполь­зоваться жидкостными банями. Для жидкосолевых бань чаще применяют три смеси солей: а) смесь ВаС1₂ (31%), СаС1₂ (48%) и NaCl (21%) с температурой плавления 430 °С и областью при­менения 580 - 700 °С; б) смесь ВаС1₂ (50%), КС1 (30%) и NaCl (20%), используемую в интервале температур 650 - 900 °С; в) смесь ВаОг (50%) и NaCl (50%) для температурного интервала 750 - 900 °С.

Смеси из нитритов и нитратов калия и натрия использовать для жидкосолевых бань не рекомендуют из-за опасности мгно­венного воспламенения и взрыва при перегревании и попадании органических веществ.

Стеклянный сосуд нельзя сразу помещать в жидкий расплав солей - он лопнет. Чтобы этого не случилось, нагревают твер­дую смесь солей и одновременно в ней проплавляют углубле­ние, в которое и помещают сосуд. Через это углубление жидкий расплав, образующийся на дне бани, сможет, омывая сосуд, вытекать на поверхность твердой массы. Углубление проплав­ляют герметичным электронагревателем, способным развивать необходимую температуру. По окончании работы сосуд немед­ленно удаляют из жидкого расплава и только после этого отключают нагрев бани.

Жидкометаллические бани применяют в тех случаях, когда требуется постоянство высокой температуры и нагревание не­больших сосудов. Высокая теплопроводность жидких металлов и ^Их сплавов позволяет автоматически регулировать температуру в зоне нагрева сосуда с точностью ±0,01 °С без какого-либо пере­мешивания расплава.

Чтобы предупредить прилипание металла к стеклу, стенки сосуда покрывают графитом и соскабливают металл стальной пластинкой с еще горячего сосуда, а затем вытирают его насухо шерстяной тканью или кусочком сукна.
Таблица 21. Теплоносители жидкометаллических бань

Вешество	Состав	Темпера­туры плавления, *c	Температуры кипения, 0С	Область примеиеиия, 0С
Висмут	Bi	271.4	1564	280 - 350
Олово	Sn	231.9	2620	250 - 400
Свинец	Pb	237.4	1745	250-400
Сплав Вуда	Bi (50%). Pb (25%). Sn (12,5%)Cd(12,5%)	65,5	765	70 – 300
Сплав Липовииа	Bi (50%),Pb (26,7%) Sn (13,3%),Cd (10%)	70,0		70-300
Сплав Ньютона	Pb (44%),Bi (56) Bi (50%).	93,7		140 - 300
Сплав Розе	Pb (25%).Sn (25%)	125 93,7		100-300

Недостаток таких бань - высокая плотность расплавов, вызывающая выталкивание сосуда из его среды, и окисляемость поверхности расплава на воздухе. Кроме того, металлы при высокой температуре начи­нают испаряться, а пары некоторых из них (свинец, кадмий) крайне ядовиты. В табл. 21 приведены металлы и их сплавы. применяемые в жидкометаллических банях.

Песочные и криптоловые бани содержат в качестве теплоно­сителя либо сухой мелкозернистый песок, либо угольную крош­ку с размером частиц 0,5 - 3,0 мм (криптол). Такие бани имеют электрический или газовый обогрев. Они значительно безопас­ней масляных бань и позволяют поднимать температуру нагре­вания сосудов до 500 - 800 °С. (В криптоловых банях можно развивать температуру до 1500 °С, если создать инертную атмо­сферу.)

Перед применением в металлическую баню насыпают песок или криптол слоем около 2-3 см, ставят сосуд, подлежащий нагреванию, а затем еще добавляют песок или криптол, распо­лагая их вокруг нагреваемого предмета. Рядом с ним помещают термопару для контроля за температурой.

Вул Роберт Уильям (1898 - 1970) - американский физик.

Ньютон Исаак (1643 - 1727) - гениальный английский физик, заложивший основы классической механики и оптики.

Песочные бани, в отличие от криптоловых, прогревают неравномерно, и при работе с ними трудно поддерживать более или менее постоянную температуру. Недостаток криптоловьх бань - постепенное выгорание угольной крошки с образование СО и СО₂; при этом остается зола, оплавляющая керамическую футеровку бани и защитные чехлы электронагревателей

простая (в) и Финкенера(г). Нагреватель воздуха (д)

В воздушной бане с воронкой Бабо (рис. 111, а) воздух, на­детый газовой горелкой 1, проходит через отверстия воронки Бабо 2, между асбестовыми пластинками 3.Нижняя жесткая перфорированная железная перегородка 4, покрытая асбестом, защищает обогреваемый сосуд от открытого пламени горелки.

Воздушная баня, показанная на рис. 111, б, состоит из же­лезных коаксиальных цилиндров 1, находящихся внутри железного корпуса 2 с двойными стенками, пространство между которыми заполнено теплоизоляцией (см. разд. 6.12). Многократ­ное перемешивание циркулирующего воздуха приводит к вы­равниванию температур в его различных частях вокруг и внутри

цилиндра 1.

Простейшая воздушная баня (рис. 111, в) позволяет поддер­живать температуру нагреваемого объекта 2 в зависимости от мощности электронагревателя 7 на уровне ПО - 150 °С.

Воздушная баня Финкенера (рис. 111, г) очень удобна для выпаривания растворов. Она состоит из железного яшика 2 с полыми стенками, заполненными асбестовой ватой или шамот­ной крошкой (см. разд. 1.2). В верхней части бани сделаны круглые отверстия (конфорки) для размещения химической по­суды 7 с растворами. В нижней части корпуса вырезано отверс­тие для газовой горелки 4. В боковые прорези корпуса вставле­ны железные сетки 3, закрепленные в металлических рамках. Вдвигая и выдвигая рамки, можно регулировать температуру нагрева химической посуды 7.

Финкенер Рудольф Генрих (1834 - 1902) - немецкий химик-аналитик, директор Королевской аналитической лаборатории.
К воздушным баням можно отнести нагреватель воздуха для сушки посуды (рис. 111, д). Он представляет собой керами­ческую или кварцевую трубку 2, внутри которой расположена спираль 3 из нихромовой проволоки. Через трубку 7 подают простым бытовым вентилятором воздух, выходящий через труб­ку 4, держатель высушиваемой химической посуды. Через такой нагреватель воздух может проходить и без принудительного на­пора.

6.2. Газовые горелки Известно много типов газовых горелок, но почти все они скон­струированы по типу горелки Бунзена (рис. 112, а): природный газ или пропан из газовых баллонов поступает по трубке 4 через ниппель 2 и смешивается в камере 3 с воздухом, количество которого регулируют заслонкой 7. Газ сгорает у отверстия го­релки голубым пламенем. При недостаче воздуха появляется коптящее, светяшееся пламя газа, более "холодное", чем несве­тящееся.

Горелка Теклю (рис. 112, б) имеет регулировочный винт J для увеличения или уменьшения подачи газа в горелку и диск ' перемещающийся вверх и вниз по нарезной трубке для регул»" рования притока воздуха в камеру 3 через ниппель 2.

Горелка Меккера может иметь как поворачивающуюся гильзу 7 (рис. 112, в), так и диск 1 (рис. 112, г) для регулирования потока воздуха.

Горелка Верховского (рис. 112, д) состоит всего из двух тру­бок: трубки 7, на выходе из которой горит газ, и трубки 3, имеющей выход, сплющенный с четырех сторон и играющий Р°ль ниппеля. Трубка 3 имеет по окружности небольшую вы­пуклость, которая входит в бороздку трубки 7, и при повороте трубки 3 последняя надежно зажимается в трубке 7. Воздух в ^г°релку поступает через два боковых отверстия в трубке 7, при­крываемых поворачивающейся муфтой 2, имеющей также два отверстия 5.

Верховский Вадим Никандрович (1873 - 1974) - русский химик-методист, Изобретатель многих лабораторных приборов.
При неправильном соотношении между количествами газа и. воздуха, когда приток газа слишком мал, горение может распространиться внутрь горелки ("проскок пламени").


Рис. 113. Распределение температур в пламени газовых горелок Бунэена и Теклю (а), Меккера (б);

насадки для горелок: колпачковая (в), "ласточкин хвост" (г) и крестообразная (д)

Пламя газовой горелки Бунзена или Теклю имеет несколько температурных зон: от 300 до 1540 °С (рис. 113, а). В нижней части пламени от 300 до 520 °С происходит неполное сгорание газа (восстановительная зона). В верхней части пламени дости­гается наиболее высокая температура (окислительная зона), поэтому нагреваемый предмет не следует глубоко опускать в пламя горелки, нагревать его надо в верхней трети пламени. Пламя горелки Меккера (рис. 113, б) имеет по всей своей высоте те практически одну зону с температурой от 1640 до 1770 °С. Наибольшая температура в таком пламени развивается сразу над дырчатой металлической насадкой.

Для защиты пламени от движения воздуха рекомендуют на­певать на верхнюю часть трубки горелки жестяной или асбестовый конический колпачок (рис. 113, в). Для горелки Меккера такая защита не требуется, так как ее головка снабжена насад­кой из никелевой сетки 6 (см. рис. 112), не допускающая про­скока пламени внутрь горелки.

Перед зажиганием горелки следует сначала открыть газовый кран, а затем, выждав 2 - 3 с, пока газ вытеснит воздух из шланга и внутренней полости горелки, зажечь и сразу же отре­гулировать доступ в нее воздуха до получения несветящегося пламени.

Для придания пламени нужной формы на горелку надевают соответствующую насадку. В частности, насадку "ласточкин хвост" (рис. 113, г) применяют при сгибании стеклянных трубок (см. разд. 1.1), а крестообразную насадку (рис. 113, д) использу­ют для более равномерного нагревания сосудов с широким дном на голом пламени.

Расход газа на одну газовую горелку составляет 0,16 -0,32 м³/ч, а допустимое давление газа в сети для нормальной работы горелки должно находиться в интервале от 30 до 160 торр (4000 - 22000 Па).

В жидкостных горелках, используемых в настоящее время в ла­бораториях, основным горючим является этанол С₂ЩОН, по­этому их часто называют "спиртовками" (рис. 114). Этанол, а также метанол дают при сгорании бледно-голубое почти несве-тящее пламя с относительно низкой температурой порядка 800 -1000 °С.

У спиртовок должен быть, хорошо притертый колпачок 1, предотвращающий испарение спирта у неработающих горелок. Фитиль 3 готовят из некрученых хлопчатобумажных нитей (фитили из ваты и марли дают плохое пламя). Фитиль должен свободно проходить через металлическую трубку или плоскую коробку 2.

Для устранения колебаний пламени на головку "спиртовки" надевают цилиндр 4 из металлической сетки, верхний срез ко­брой должен находиться на уровне 2/3 высоты пламени. Пламя, защищенное такой сеткой, почти не колеблется и нагревает сосуд гораздо быстрее и равномернее. Самая горячая часть пла­мени - верхняя его треть. При гашении спиртовки не следует дуть на пламя, а надо прикрыть его колпачком.

Керосиновые и бензиновые горелки в современных химиче­ских лабораториях почти не используют.

В студенческих и школьных лабораториях при отсутствии га­за и спирта применяют "сухой" или "твердый спирт". Сухой спирт представляет собой смесь уротропина [гексаметилен-тетрамина (СН₂)_б N₄ ] с небольшим количеством парафина. Это горючее дает желтовато-голубое пламя, почти не оставляя золы после сгорания. Как горючее сухой спирт очень удобен: легко воспламеняется, легко гаснет, если закрыть горящую таблетку тиглем. При использовании таблетки сухого спирта кладут на керамическую плитку, железную пластинку или лист асбеста.

Твердый спирт можно приготовить в любой химической лаборатории. Для его получения к 170 мл абсолютного этанола приливают 10 мл концентриро­ванного водного раствора ацетата кальция Ca(CH₃COO)₂. Смесь почти мгно­венно затвердевает в полупрозрачную массу, похожую на обычное мыло. Из нее можно вырезать кубики твердого спирта. При зажигании кубики прекрасно горят.