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

Электрические инфракрасные излучатели (ИК-излучатели)-источники тепловой радиации, в которых электрическая энер­гия преобразуется в световую с длиной волны от 0,8 до 15 мкм. Для упаривания растворов и высушивания порошков приме­няют трубчатые ИК-излучателн 1 (рис. 115, а, б), часто размешаемые в отражательных чашах 2 из непрозрачного кварца или огнеупорной керамики. Кварцевая трубка 1 содержит нихромовую или вольфрамовую спираль (табл. 22, см. ниже), навитую на тонкий кварцевый стержень.

5 - латунный цилиндр; 6 - силитовый стержень; 7 - медная трубка с проточной водой; 8- окно для выхода излучения

Для нагревания потоков газа или жидкости в стеклянных трубках применяют галогенные трубчатые лампы (рис. 115, в), которые размещают вокруг нагреваемой зоны в параболических отражателях. Галогенная лампа содержит вольфрамовую спираль 2, размещенную в кварцевом корпусе 1 внутри вольфрамового дДержателя 3, в среде аргона с небольшой добавкой иода. Иод обеспечивает возвращение испаряющегося вольфрама на раска­ленную спираль в результате цикла

W_r + I_{2(r )}  Wl_2(r) ) W_k + I₂(r) ; t₂ > t₁
который предотвращает оседание вольфрама на стенках трубки и ее помутнение. Диаметр трубок таких излучателей 10- 12 мм, длина составляет 375 - 750 мм при мощности от 0,5 до 20 кВт.

Более 90% излучения галогенных ламп приходится на область спектра от 0,8 до 3,0 мкм с максимумом, приходящимся на 1 мкм.

Ламповые ИК-излучатели (рис. 115, г) содержат вольфрамо­вую нить накаливания 1, покрытую карбидом тантала для увеличения доли излучения в ИК-области спектра. Внутренняя поверхность стеклянной колбы 2 лампы покрыта пленкой алю­миния для отражения теплового излучения и концентрирования его в нужном направлении, через ребристый рассеиватель 3. Максимум излучения таких ламп падает на область 1,2- 1,3 мкм.

Определенные зоны в приборах и участки порошкообразных веществ можно нагревать ИК-излучателями с карборундовым (см. разд. 6.6) нагревателем (рис. 115, д). Карборундовый (силитовый, глобаровый) стержень 6 нагревают при пропус­кании через него тока до 1000 - 1200 °С. Если стержень покрыт слоем Th)O₂ , то его рабочую температуру можно поднять до 1900 - 2000 °С. Поток квантов энергии hv излучатель выбрасы­вает через окна 8 в требуемом направлении. Максимум излуче­ния карборундового стежня лежит в области 4-12 мкм.

Когда по тем или иным причинам свет при нагревании объ­екта противопоказан даже в ИК-области спектра, применяют "темные" ИК-излучатели с керамическими или металлическими оболочками. В керамических излучателях источником тепловой радиации является трубка, изготовленная из термостойкого материала (спеченные оксиды магния, циркония, алюминия, силицид магния и др.). Внутри трубки располагают нагреватель­ную спираль. Температура поверхности керамических ИК-излучателей лежит обычно в пределах 500 - 800 °С.

ИК-излучатели с металлической оболочкой (ТЭН-ы) пред­ставляют собой металлическую трубку 1 (рис. 115, е), изго­товленную из нержавеющей стали, меди, алюминия, латуни и другого металла, заполненную электроизоляционной массой 2, внутри которой находится электронагреватель 3. Трубка 1 может иметь спиралевидный, петлевидный вид. Максимум излучения у ТЭН-ов приходится на 4-5 мкм, а мощность их достигает 0,05 - 25 кВт.

Тепловые ИК-излучатели позволяют осуществлять быстрый перенос энергии в форме теплоты к нагреваемому объекту. Применяют ИК-излучатели для выпаривания растворов, высушивания порошкообразных веществ и пленочных покрытии Степень нагрева объекта при помощи ИК-излучателей может колебаться от 40 до 200 °С. Скорость испарения жидкой фазы регулируют, изменяя мощность ИК-излучателя и расстояние, от поверхности нагреваемого вещества или раствора.

Поглощение ИК-излучения поверхностью зависит от ее краски и падает в ряду: черная > синяя > зеленая > желтая > белая. Черные и серые порошки при прочих равных усло-^х высыхают быстрее светлых. Окрашенные поверхности принимают ИК-излучение на небольшую глубину. С такой по­верхности интенсивно испаряется жидкая фаза, тогда как остальная часть вещества остается менее нагретой. Водные рас­творы и растворы бесцветных веществ в органических раствори­телях сравнительно прозрачны для ИК-излучения. Поэтому упаривать бесцветные растворы следует в сосудах с черной внутренней поверхностью. В этом случае Ик-излучение прони­кает почти до дна сосуда и нагревает его, а следовательно, и всю массу раствора.

Очень удобны ИК-излучатели для нагревания труднодоступ­ных частей лабораторных установок. Тепловые лучи проникают через стеклянные стенки к нужному узлу и нагревают его.
6.5. Электрические плитки, трубчатые электронагреватели закрытого типа,

колбонагреватели и токопроводящие пленки

Электрические плитки с закрытым электронагревательным эле­ментом (рис. 116, а, 6) часто применяют в химических лабора­ториях. Верхняя часть 1 таких плиток, закрывающая проволоч­ное сопротивление, должна быть устойчива к действию химиче­ских реагентов. Ею может быть плита или диск из кварца, огне­упорной керамики, графита, стеатита (силиката магния) и дру­гих подобных материалов (см. разд. 1.2).

Простую и надежную электрическую плитку Степина (рис. 116, в) можно изготовить самим во многих лабораториях. У нее поверхность нагрева 1 представляет собой диск из графита, в который вставлен графитовый цилиндр, имеющий спиралевид­ное углубление для нихромовой проволоки - электронагревателя 4 .Углубление перед размещением проволоки покрывают слоем 6 устойчивой к нагреву электроизоляции (оксид магния, стеатит, вермикулит и т. п.). Цилиндр со спиралью погружают в кварцевый стакан 3, окруженный теплоизоляцией 5 (см. разд. 6.12). Нагрев такой плитки регулируют автотрансформатором, Рэсположенным отдельно.

Стспин Борис Дмитриевич (р. 1922) - русский химик-неорганнк, один из основоположников технологии производства особо чистых неорганических веществ.

Трубчатые электронагреватели имеют самую разнообразную конструкцию. Некоторые из них представлены на рис. 117. Проволочное сопротивление в трубчатых электронагревателях может иметь форму простой спирали 1 (рис.117, а) с диаметром несколько меньшим, чем внутренний диаметр трубки 2.



Рис. 116. Электрические плитки фирмы "Aldrich" (а, в) и плитка Степина (в)



Рис 117 Трубчатые электронагреватели: для газа (о), с двойной спиралью (б), съемной(в) и Степина (г),

В: 1 термометр, 2- трубка, 3-съемная нагревательная рубашка, 4 - нихромов проволока;

5 - крупнозернистый порошок; 6 - перфорированное дно
Иногда проволочное сопротивление вводят в трубку 2 в форме двойной 1 (рис. 117, б) или треугольной спирали.

Проволока, намотанная на трехгранный стержень, после снятия с него будет иметь треугольные витки, которые касаются трубки лишь в отдельных точках и не перегревают ее так, как перегревает круглое проволочное сопротивление. Однако снять спираль с трехгранной оправки очень трудно.

Реакционные трубки часто нагревают съемными электрическими рубашками 3 (рис. 117, в), изготовленными из асбеста. Такие рубашки выдерживают температуру, не превышающую 400 - 500 °С. При более высокой температуре раскаленная проволока 4, соприкасаясь с окружающим ее асбестом, вызывает его подплавление, что в свою очередь разрушает металл прово­локи.

Для изготовления рубашки из листового асбеста (см. разд. 1.2) вырезают два прямоугольника длиной, равной длине нагревательной рубашки, а шириной, несколько большей длины внешней окружности реакционной трубки. Выре­занные полоски асбеста размачивают в воде, реакционную трубку или обрезок стеклянной трубки с диаметром, равным диаметру реакционной трубки, обертывают двумя слоями фильтровальной бумаги и на нее накладывают один из листов намоченного асбеста. Шов между краями листа замазывают асбестовой кашицей и затем наматывают проволочное сопротивление. В таком виде трубку высушивают в сушильном шкафу (см. разд. 6.10) и обертывают второй полоской намоченного асбеста. Шов также замазывают асбестовой кашицей, а всю ру­башку плотно обматывают бинтом и высушивают в сушильном шкафу. После высыхания удаляют бинт, рубашку снимают с трубки и удаляют слой фильтровальной бумаги. Концы проволочного сопротивления присоединяют к автотрансформатору и нагревают током при постепенном повышении напряжения. Остаточная вода иэ асбеста испаряется, а приставшая фильтровальная бумага обугливается. После этой операции асбест становится твердым и прочным. Наружную поверхность рубашки покрывают слоем алюминиевого лака, чтобы предотвратить обдирание асбеста во время эксплуатации рубашки.

К трубчатым электронагревателям относят и нагреватели погружного типа, одна из конструкций которых, предложенная Степиным, приведена на рис. 117, г. Длина запаянной с одного конца кварцевой трубки 2 может быть различной в зависимости от размера сосуда, в котором этот нагреватель располагают. Нихромовую спираль 3 после размещения вокруг кварцевой пере­городки 4 в трубке засыпают порошком 5 огнеупорного мате­риала (Zr0₂ с добавкой 5% СаО, MgO, шамотный порошок и т. п.). Поверхность порошка закрывают огнеупорной замазкой 6 (диабазовой, асбестобариевым силикатом и т. п., см. разд. 1.7) Электрический ввод - кварцевая трубка, в которой проводники залиты той же огнеупорной замазкой.

Такой нагреватель может развивать на своей поверхности температуру до 600 - 700 °С. Используют его в тех узлах лабора­торных установок, где применение других видов электронагревателей невозможно. Трубки изготавливают из стекла марок "пирекс" (до 520 °С),

«супремакс» (до 700 °С) и кварцевого стекла (до 800 °С). При более высокой температуре кварц начинает хорошо проводить электрический ток. Если же проволочное сопротивление непосредственно не контактирует с трубкой, то кварц используют до 500 °С. Очень хорошим изолятором для проволочного сопротивления служат изделия из стеатита (силиката магния), оксида магния и диоксида циркония (см. разд. 1.2).

При выборе проволочного сопротивления (табл. 22) следует учитывать температурный предел нагревания рабочего пространства.

Температура проволочного сопротивления всегда будет выше этого предела.

Электронагреватели с проволокой из вольфрама и молибдена дают самую высокую температуру, но их можно использовать только в восстановительной атмосфере или в вакууме. В при­сутствии С0₂, СО, N₂, пара S₈, влаги и 0₂ проволоки из воль­фрама и молибдена при высоких температурах быстро разру­шаются из-за образования сульфидов и летучих оксидов. По­этому такие проволочные сопротивления помешают в атмосферу сухого водорода или в смесь азота с 25%-ми водорода, более безопасную в обращении, рекомендуют также применять пар метанола или этанола как среду для раскаленных вольфрамовой и молибденовой проволок. Подобно термопарам срок службы проволочных сопротивлений быстро снижается с уменьшением диаметра проволоки. В частности, нихромовая проволока (см табл. 22) диаметром 0,3 мм при температуре 1000 ^СС служит не более 500 ч.
Колбонагреватели. Для нагревания круглодонных колб при­меняют электрические колбонагреватели (рис. 118), имеющие полусферическое или конусообразное углубление из термостой­кой керамики, под которым расположена нихромовая спираль Проволочное электрическое сопротивление 2 (рис. 118, в) может быть и открытым, расположенным снаружи керамики 1. Такие колбонагреватели не следует применять для работ с легко воспламеняющимися жидкостями.


Рис. 118. Колбонагреватели фирмы "Aldrich" (США)

с электромагнитной мешалкой (а) и обычный (б).

Разрез колбонагревателей (в, г)

Рис. 119. Стакан с токопроводящим покрытием
Керамическая полусфера окружена снизу теплоизоляцией 3 (рис. 118, в, г). Для колб Вюрца (см. рис. 23), имеющих снизу питающую трубку (см. рис. 118,г) производят колбонагреватели с донным отверстием. У колбонагревателей фирмы "Aldrich", США (рис. 118, а, б) и ряда других фирм в корпус вмонтирова­но устройство для регулирования температуры и приведения в действие магнитной мешалки.

Токопроводящие пленки. К электронагревателям, имеющим непосредственный контакт с сосудом, следует отнести и токопроводящие пленки, наносимые на внешнюю поверхность сосу­да (рис. 119).

Токопроводяшая прозрачная пленка 2, состоящая из диоксида олова SnО₂ с включениями мельчайших частиц олова, образуется при обработке внешней поверхности сосуда паром SnCl₂ в присутствии воздуха при 375 - 420 ^oС или при опрыскивании нагретого до 580 °С сосуда спиртовым раствором SnCl_4, после остывания на границу токопроводяшего слоя наносят серебряную пасту в виде полоски 1 для присоединения электропровода. Состав пасты: 10 г порошка серебра, 0.25 г канифоли и 1 г скипидара. Сосуд с нанесенной контактной полоской выдерживают 1 ч в муфельной печи при 580 ⁰С.

Токопроводящее покрытие имеет удальное электрическое со­противление от 100 до 500 Ом * см и обладает устойчивой электропроводностью при нагревании до 300 - 350 °С. На токопроводящую пленку можно накладывать переменный и постоянный ток плотностью до 100 А/мм². Толщина пленки составляет от 0,5 до 2,0 мкм, что практически не сказывается на прозрачности стекла. При работе с такими пленками удобно наблюдать все превращения вещества в процессе его нагревания. К досто­инствам пленки надо отнести также ее устойчивость к разбав­ленным растворам кислот (кроме HF), органическим раствори­телям и влаге атмосферы.

Токопроводящие пленки получают и из нитрида титана TiN_x, обрабатывая нагретую поверхность термостойких стеклянных сосудов смесью хлорида титана TiCl₄ и аммиака NH_{3 ,} Токопроводящая пленка из нитрида титана устойчива при нагревании на воздухе до 250 °С, а в восстановительной атмосфере - до 900 -1000 °С, не разрушается она и в воде.

Не надо забывать, что токопроводящий слой - открытый электропроводник и прикасаться к нему руками, когда включен электрообогрев, нельзя. Для регулирования степени нагрева сосуда с токопроводящим покрытием его присоединяют к авто­трансформатору или автоматическому устройству по регулиро­ванию силы тока по показаниям датчика, следящим за измене­ниями температуры в среде нагреваемого вещества.

6.6 Электропечи

Электропечи подразделяют на муфельные, трубчатые, тигель­ные, шахтные и криптоловые.

Муфельные печи (рис. 120, о, б, г) - это электропечи с гори­зонтально расположенной камерой нагрева 1 (муфелем), изго­товленной из огнеупорного материала (см. разд. 1.2), обла­дающего достаточной теплопроводностью и устойчивостью к изменениям температуры. На внешней поверхности муфеля размещают электронагревательный элемент 2 (см. рис. 120, б) в виде проволочного или ленточного сопротивления, вокруг кото­рого находится теплоизоляция 4. Контроль за температурой в муфеле осуществляют при помощи термопары 3. Допустимые температуры нагревания муфельных электропечей приведены в табл. 22 и зависят от материала электросопротивления: среди приведенных в табл. 22 материалов особенно ценными являются мегапир, кантал и нихром, сопротивления которых почти не зависят от температуры.

При перегреве печи с последующим ее охлаждением проволока из сплавов железа, хрома, никеля и алюминия рвется и может даже рассыпаться в порошок.

крепление силитовых стержней (в) и печь Степина (г)

Обычно муфельные печи позволяют развивать температуру от 250 до 1150 °С с точностью ее поддержания ±20 °С. Время про­гревания муфеля до 1100 °С составляет примерно 2 ч.

Помимо проволочных сопротивлений для нагрева муфеля применяют стержни из силита (карборунда, глобара) и стержни Нернста. Силит (карборунд, глобар) - это спеченная при 1500 °С в атмосфере азота масса, содержащая карбид SiC и диоксид кремния SiO₂. Стержни Нернста - спеченная смесь, состоящая из диоксида тория Th0₂ (90%) и триоксида диитттрия Y₂O₃ (10%). Стержни из силита и стержни Нернста об­ладают достаточной механической прочностью и химической стойкостью. Удельное электрическое сопротивление силитового стержня составляет 1 • 10^-7 Ом • см, а стержня Нернста - 5 * 10^-7 Ом : см. Стержни Нернста и силитовые стержни позво­ляют развивать в муфельных печах температуры, равные соответственно 2000 и 1400 °С. Стержни располагают внутри муфеля в специальных углублениях. Печи с такими нагревателями легко вывести из строя, если при разогреве стержней через несколько минут не уменьшить силу тока, так как их сопротивление с увеличением температуры резко падает, а при более высоких тем. пературах остается почти постоянным. Силитовые стержни с течением времени стареют, причем их сопротивление увеличи­вается. Кроме того, температуру в муфеле доводить до предель­ных значений не рекомендуют: наступает взаимодействие стержней с парами воды, кислородом и азотом воздуха, что приводит в течение 10 ч к их разрушению.

Чтобы контакты 3 стержней 1 не слишком сильно нагрева­лись, их делают утолщенными (рис. 120, в) и теплоизолируют от накаленной стенки муфеля 2 или уменьшают сопротивление концов добавлением при формовке стержней в массу концов различных добавок. При нагревании от 1200 до 1400 ^СС полые электрические контакты стержней присоединяют к системе во­дяного охлаждения.

Нернст Вальтер Фридрих Герман (1864 - 1941) - немецкий физик. Он от­крыл в 1906 г. третий закон термодинамики, лауреат Нобелевской премии.
Для высокотемпературной обработки небольших количеств чистых веществ применяют малогабаритные кварцевые муфель­ные печи Степина (см. рис. 120, г), позволяющие создавать в нагреваемом пространстве инертную или восстановительную атмосферу-. Конструкция подобной печи понятна из приведен­ного рисунка (обозначения такие же, как и для рисунка 120, б, только муфель 1кварцевый, а наружный кожух - керамиче­ский).

Трубчатые печи представляют собой открытые с двух концов керамические или кварцевые трубы, на которые намотано про­волочное сопротивление (рис. 121). Трубчатые печи могут быть горизонтальными, вертикальными и наклонными. Есть печи, которые можно поворачивать и устанавливать под нужным уг­лом. Небольшие трубчатые печи делают разъемными, двухствор­чатыми. Они нужны для проведения некоторых аналитических работ.

Трубчатые печи с проволочным сопротивлением из мегапира или кантала (см. табл. 22) рассчитаны на температуру внутри рабочей полости 1200 - 1250 °С. Заметим, что температура внутри печи всегда на 50 - 100 °С ниже, чем температура самого проволочного сопротивления.

Чем длиннее труба и чем меньше ее диаметр, тем больше зона равномерного нагрева. Печь с широкой и короткой трубой обладает значительной разностью температур между серединой и концами трубы.

Выключение трубчатой и муфельной печей производят сразу, выведя реостат и отключая сеть, так как остывание большой массы керамики и теплоизоляции протекает медленно.

В любой химической лаборатории можно создать порта­тивную трубчатую печь для нагрева до 400 - 600 °С, обмотав нихромовой проволокой 3 (рис. 121, а, .6) кварцевую трубку 4 нужного диаметра. Проволоку наматывают на 3 - 4 узкие поло­ски 8 из асбестовой бумаги, приклеенные к трубке по ее длине жидким стеклом. В начале и в конце обмотки 3-4 витка про­волоки наматывают вплотную, закрепляя конец ее под винтом в медном или латунном хомуте 7. После обмотки На проволоку наматывают увлажненный тонкий лист асбеста в несколько слоев толщиной 40 - 50 мм или толстый асбестовый шнур. Теплоизолятором 6 может служить асбестовая крошка или стекловата (см. разд. 6.12).

В такой трубчатой печи не следует развивать температуру свыше 800 °С, так как асбест при таком нагреве образует с нихромовой проволокой легкоплавкие шлаки, быстро приводящие печь в негодность.

Температуру трубчатой печи регулируют по показаниям термопары 5 (см. разд. 5.6) или термометра сопротивления (см. разд. 5.4), размешенными либо непосредственно внутри трубки,


Рис 122 Тигельные печи: обычные (а), высокотемпературные (б), для термографии (в) и школьные(г)

подачи этанола;

11 - огнеупорное основание; 12 - сосуды Степанова
либо под электронагревателем, ближе к центру трубки. Температура в трубчатых печах неодинакова по всей длине трубки, поэтому нагреваемый объект надо помещать вблизи датчик температурь Снаружи трубчатой печи находится керамическая труба 2. закрытая железным кожухом 1.

Тигельные печи имеют вертикальное расположение курамического цилиндрического муфеля со съемной керамической крышкой обычно составленной из двух половинок для введния одной или двух термопар (рис. 122, а) Высокотемпературные тигельные печи делают каскадными (рис 122, б) с 2 нагревателями - наружным 3 и внутренним 2 . В тигельной печи с молибденовым проволочным сопротивлением 2 можно развивать температуру до 1100 - 1500 °С. При более высоких темпера­турах керамические огнеупорные материалы, из которых готовят нагревательные камеры 5, становятся легко проницаемыми для газов, и поэтому молибденовая проволока быстро перегорает. Молибденовый нагреватель размешают по цилиндру 5 в кольце­вом пространстве 7, куда для создания восстановительной атмо­сферы подают по каплям этанол из приспособления 10.

Этанол начинают вводить в печь тогда, когда температура в ней достигнет 350 - 400 °С. Поступление спирта по каплям в кольцевое пространство регулируется краном. Омывая молибденовую проволоку (диаметр 0,5 - 1,0 мм), пар спирта выходит из печи через трубку и поджигается. По размеру пламени судят о потоке пара спирта. Расход этанола составляет 100 - 150 мл/ч. Только после того, как начал гореть спирт, включают печь на полную ее мощность. Внутренний цилиндр 5 ("жаровая труба") готовят из алунда AI₂O₃, а тепловой изоляцией 4 служит оксид магния. Наружный нагреватель выполняют из нихромовой про­волоки.

Тигельную печь широко применяют в термографии. В этом случае в нее опускают металлический блок 9 (рис. 122, в) с дву­мя гнездами, в которых располагают либо тигли, либо сосуды Степанова 12 с исследуемым веществом и эталоном (про­каленные оксиды алюминия или магния). Температура вещества контролируется с помощью термопары 8 (см. разд. 5.6). Сосуд Степанова готовят из термостойкого стекла для навесок 3 - 4 г. Правый отросток сосуда служит для его загрузки, создания в нем вакуума либо для введения инертного газа. После этих опе­раций отросток запаивают. Термопару вставляют в левый отрос­ток-карман.

Степанов Николай Иванович (1879 - 1938) - русский физикохимик.
Металлический блок необходим для выравнивания темпера­туры вокруг тиглей или сосудов Степанова. В противном случае неравномерность нагрева скажется на результатах исследования. Главным требованием, предъявляемым к тигельным печам, Применяемым в термографии, является возможность равномер­ного подъёма температуры и регулирования скорости нагрева.

Небольшие тигельного типа школьные нагревательные печки Для пробирок (рис. 122, г) очень удобны для проведения лабора­торных работ. Они содержат открытую нагревательную спираль в углублениях фарфорового цилиндра 5, состоящего из двух половинок.

Располагая проволокой из платины и из сплава платины с Родием, можно изготовить почти в любой лаборатории простую каскадную высокотемпературную тигельную печь.

В качестве внутреннего нагревателя 3 в такой печи (рис. 123, а) применяют проволоку из сплава платины с 20% родия, кото­рый менее подвержен распылению при высокой температуре, чем чистая платина. Наружный нагреватель 4 - платиновая про­волока.

Полученный цилиндр обматывают снаружи платиновой про­волокой 4 (диаметр 0,8 мм) и вставляют в шамотовую трубу 7 такого диаметра, чтобы между трубами 2 и 7 был зазор 70 мм для тепловой изоляции 5, в качестве которой используют оксид магния MgO. Печь снабжают крышкой 1 и огнеупорным осно­ванием 6.

При токе 5 - 6 А через внутренний нагреватель 3 и 10 - 12 А через внешний нагреватель 4 при напряжении 220 В в печи раз­вивается температура 1700 °С, мощность 3-4 кВт.