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

Техника лабораторного эксперимента в химии:

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

Подробно рассмотрена элементарная приборная техника. Приведены рекомендации по рациональному использованию химической посуды, различных приборов и материалов и самостоятельному изготовлению несложных приборов.

Предназначено для студентов, аспирантов и преподавателей химиче­ских вузов и работников НИИ, а также учащихся техникумов, школьни­ков старших классов и учителей школ, лицеев и колледже

5. 
   Электрические плитки, трубчатые электронагреватели закрытого ти­па,
   

Прежде чем приступить к любому химическому эксперименту, необходимо приобрести навыки работы с лабораторным обору­дованием и овладеть техникой эксперимента.

Химики столетиями совершенствовали приемы работы с ве­ществом, изобретали различную химическую посуду и приспо­собления к ней для осуществления той или иной операции. Од­ни приемы работ вошли в классику проведения химического эксперимента, другие имеют историческое значение. В результа­те многолетней работы химиков накоплен огромный опыт в выполнении различных синтезов в лабораторных условиях, в исследовании веществ и их смесей.

Часть этого опыта преподаватели передают студентам и школьникам, ученые старшего поколения - своим младшим коллегам в процессе общения и совместно проводимых исследо­ваний. Предлагаемая книга поможет тем и другим в поиске наиболее эффективного аппаратурного осуществления намечен­ного эксперимента.

В пособии рассмотрены распространенные и многократно опробованные простейшие приборы из стекла и полимерных материалов и, если последних в лаборатории нет или они не отвечают условиям предстоящей работы, то студент-химик, ас­пирант или преподаватель могут создать их сами или заказать стеклодуву и мастерам механического цеха, используя схемы приборов из этой книги.

Книга избавляет экспериментатора от трудоемкого и подчас напрасного поиска в обширной литературе описания необходи­мого ему прибора. Поэтому в ней для большей наглядности приведено много рисунков и схем.

В предлагаемом учебном пособии нет описания приборов для рентгеновской кристаллографии, калориметрии, спектроскопии, фотоэлектронных устройств и др. Им посвящены специальные монографии. По той же причине в пособии не приведены спе­циальные приборы для узкопрофессиональных исследований, методы и техника глубокой очистки веществ.

В начале глав, посвященных описанию приборов, рекомен­дуемых для определения тех или иных физических величин (температуры, давления, плотности, объема, массы и др.), при­ведено краткое определение этих величин и их единиц измере­ния (обычно в системе СИ).

При характеристике прибора, там, где, возможно, указаны погрешности измерения физической величины и способы их уменьшения.

Все главы и разделы книги взаимно связаны и сопровожда­ются многочисленными отсылками на другие разделы и рисун­ки, позволяющие быстро найти необходимый материал.

В конце каждой главы в списках рекомендуемой литературы указаны монографии и статьи обзорного характера, в которых читатель найдет ссылки на оригинальные работы.

При написании книги автор использовал многолетний опыт работы в ЦЗЛ химического завода, в отраслевом институте хи­мических реактивов (ВНИИ ИРЕА) и на кафедре неоргани­ческой химии академии тонкой химической технологии им. М. В. Ломоносова.

Автор выражает глубокую признательность рецензентам - проф. С. И. Дракину и проф. Г. М. Курдюмову, сделавшим много ценных замечаний.

Автор

Глава 1

МАТЕРИАЛЫ И ПРИСПОСОБЛЕНИЯ

В ТЕХНИКЕ ЛАБОРАТОРНОГО ЭКСПЕРИМЕНТА

Для проведения любого химического эксперимента необходима стандартная химическая посуда, а также соединительные и за­пирающие узлы - шланги, пробки, шлифы, для создания нуж­ной герметичности - качественные смазки и замазки. Монтаж самой малой установки невозможен без крепежных приспособ­лений и стендов.

Почти всегда необходимы фильтры и теплоизолирующие ма­териалы, чистая вода, реже чистая ртуть. Выбирая стеклянную или полимерную посуду, необходимо знать ее термическую и химическую устойчивость.

Ассортимент конструкционных и вспомогательных материа­лов, используемых в химических лабораториях, достаточно ши­рок и с каждым годом увеличивается. Дать всем известным ма­териалам исчерпывающую характеристику в объеме одной главы невозможно. Экспериментаторам следует чаше обращаться к проспектам и каталогам различных фирм.

Большая часть химической посуды и приборов изготавливается из стекла. Твердость и гладкость поверхности облегчает мытье стеклянной посуды, а прозрачность дает экспериментаторам возможность следить за ходом химических реакций и физиче­ских процессов.

Стекло хорошо переносит нагрузку на сжатие, хуже - на из­гиб, но плохо сопротивляется ударным воздействиям. Ниже приведены характеристики некоторых наиболее употребляемых сортов лабораторного стекла.

Кварцевое стекло состоит из диоксида кремния Si0₂ и яв­ляется самым термостойким стеклом: коэффициент его линей­ного расширения в пределах 0-1000 °С составляет всего 6*10^-7. Поэтому раскаленное кварцевое стекло, опущенное в холодную воду, не растрескивается. Температура размягчения кварцевого стекла, при которой до­стигается динамическая вязкость 10⁷ пуаз (10⁶ Па с) равна 1250 °С. При отсутствии значительных перепадов давления кварцевые изделия можно применять до этой температуры. Полное же плавление кварцевого стекла, когда из него можно изготавливать изделия, наступает при 1500-1600 °С.

Известно два сорта кварцевого стекла: прозрачный кварц и молочно-матовый. Мутность последнего вызвана обилием мель­чайших пузырьков воздуха, которые при плавке стекла не могут быть удалены из-за высокой вязкости расплава. Изделия из мутного кварцевого стекла обладают почти такими же свойства­ми, как и изделия из прозрачного кварца, за исключением оп­тических свойств и большей газовой проницаемости.

Поверхность кварцевого стекла обладает незначительной ад­сорбционной способностью к различным газам и влаге, но имеет наибольшую газопроницаемость среди всех стекол при повышенной температуре. Например, через кварцевую трубку со стенками толщиной в 1 мм и поверхностью 100 см² при 750 °С за один час проникает 0,1 см³ Н₂, если перепад давлений составляет 1 атм (0,1 МПа).

Кварцевое стекло следует тщательно предохранять от всяких загрязнений, даже таких как жирные следы от рук. Перед нагре­ванием кварцевого стекла имеющиеся на нем непрозрачные пятна снимают при помощи разбавленной фтороводородной кислоты, а жировые - этанолом или ацетоном.

Поверхностные загрязнения могут вызвать расстекловывание, т.е. переход из метастабильного стеклообразного состояния в кристаллическое. Этот процесс, однажды начавшись, приводит к быстрому механическому разрушению изделия. Расстекловы­вание кварцевого стекла делает его непригодным для нагрева­ния в течение длительного времени при температуре выше 1100 °С.

Кварцевое стекло устойчиво в среде всех кислот, кроме HF и Н₃Р0₄. На него не действуют до

1200 °С Сl₂ и HC1, до 250 °С сухой F₂. Нейтральные водные растворы NaF и H₂[SiF6] разру­шают кварцевое стекло при нагревании. Оно совершенно непри­годно для работ с водными растворами и расплавами гидроксидов щелочных металлов.

Даже кратковременный контакт с кварцевым стеклом боль­шинства расплавов хлоридов металлов, расплавов щелочных металлов, магния и алюминия делают невозможным дальнейшее использование кварцевых изделий. При высокой температуре кварц ведет себя как сильная кислота и взаимодействует не только с основаниями, но и оксидами металлов.

Кварцевое стекло при высокой температуре сохраняет свои электроизоляционные свойства. Его удельное электрическое со­противление при 1000 °С равно 10⁶ Ом-см.

Стекло марки "викор" обладает многими свойствами кварце­вого стекла, так как содержит около 96% Si0₂. Такое стекло получают из боросиликатного стекла путем его обработки хлороводородной кислотой при нагревании, извлекающей бораты щелочных металлов. Остающийся тонкопористый материал под­вергают затем спеканию.

Из этого стекла многие фирмы готовят химическую посуду, конические и шаровые шлифы (см. разд. 2.5).

Температура размягчения стекла пирекс до динамической вязкости в 10¹¹ пуаз (10¹⁰ Пас) составляет 580-590 °С. Тем не менее стекло пригодно для работ при температурах до 800 °С, но без избыточного давления. При использовании вакуума тем­пературу изделий из стекла пирекс не следует поднимать выше 650 °С. В отличие от кварцевого стекло пирекс до 600 °С прак­тически непроницаемо для Н₂, Не, 0₂ и N₂. Фтороводородная и нагретая фосфорная кислоты, так же как и водные растворы (даже 5%-ные) КОН и NaOH, а тем более их расплавы, разру­шают стекло пирекс.

При воздействии воды и водных растворов солей на стекло в результате растворения и гидролиза силикатов щелочных метал­лов на поверхности стекла образуется защитная пленка из Si02-Такая пленка достаточно устойчива в нейтральных и кислых растворах (кроме HF), но разрушается в щелочных из-за реак­ций

Si0₂ + 4КОН = K4Si0₄ + 2H₂0;

H₄Si0₄ + 4КОН = K4Si0₄ + 4H₂0,

переводящих в раствор орто- и полисиликаты щелочных и дру­гих металлов, входящих в состав стекла.

Химическую устойчивость лабораторной посуды, изготовлен­ной из стекла марок ХС-2 и ХС-3, можно повысить в 5-6 раз путем обработки внутренней ее поверхности разбавленным вод­ным раствором серной или хлороводородной кислот с после­дующей выдержкой посуды в этих кислотах в течение 10-20 ч.

Для защиты стекла от воздействия щелочной среды рекомен­дуют создавать на поверхности стеклянного сосуда специальную пленку, обрабатывая изделие сначала серной кислотой (1:1), а затем, после промывки - расплавленным парафином или стеа­рином, при 200-300 °С.

Стеклянная химическая посуда может неожиданно растрес­киваться без видимой причины. Часто это происходит из-за появления на ее поверхности незначительных царапин, обра­зующихся при механической очистке посуды песком, углем, металлической щеткой и другими твердыми предметами. Цара­пины могут появиться и тогда, когда посуду ставят на кирпичи, керамические плитки с неровной поверхностью. Поэтому не следует использовать для нагревания стеклянных сосудов песоч­ные бани, как это рекомендуют в некоторых устаревших руко­водствах.

При закреплении стеклянных изделий в штативах часто не­дооценивают давления различных лапок и держателей при затя­гивании винта. Стеклянные предметы следует закреплять в за­жимах, снабженных прокладками из эластичных материа­лов.

Простейшие работы со стеклом. Каждый химик-эксперимен­татор должен уметь проводить простейшие стеклодувные опера­ции: резать стеклянные трубки и палочки, сгибать и оплавлять, спаивать и заплавлять трубки, вытягивать капилляры.

Рис. 1 Устройство газовой горелки (а), разламывание надрезанной стеклянной трубки (б) и металлическая призма (в)

Приемы и тонкости рабо­ты стеклодува-профессионала трудно поддаются описанию. Поэтому в дополнение к опи­санным ниже приемам неплохо посмотреть на работу стеклоду­ва, если имеется такая возмож­ность.

Для выполнения стеклодув­ных работ следует иметь в ла­боратории газовую горелку с насадками (см. разд. 6.2) и па­яльную горелку (рис. 1, a) с воздуходувкой.

Регулируя кранами 1 и 2 подачу воздуха и газа и передвигая внутреннюю трубку с соплом 5, после ослабления винта 3, мож­но легко перейти от небольшого спокойного острого пламени 7 к большому шумящему пламени 8, и наоборот. Сетка 6 не дает прорваться пламени внутрь горелки.

Для получения острого небольшого пламени внутреннюю трубку подвигают ближе к выходному отверстию колпака 4 и усиливают подачу воздуха. Удаляя сопло J от выходного от­верстия, можно получить сильно шумящее широкое высокотем­пературное пламя 8.

При зажигании паяльной горелки, прежде всего, открывают газовый кран, зажигают газ и уже после этого включают подачу воздуха.

Если нет лабораторной воздуходувки, то вместо нее приме­няют бытовой пылесос, вставляя в его выходное отверстие рези­новую пробку со стеклянной трубкой и резиновым шлангом. Около воздушного крана 1 помещают тройник с надетым на него отрезком резиновой трубки, зажатой винтовым зажимом (см. рис. 37). Это позволит выпускать излишек воздуха при ра­боте с малым дутьем.

Если в лаборатории есть сеть сжатого воздуха, то необходи­мость в воздуходувках, естественно, отпадает.

Многократное надпиливание нецелесообразно, так как оно только ослабляет действие первого надреза. Затем берут трубку обеими руками так, как указано на рисунке 1, б. Энергичное сгибание трубки в сторону, противоположную надрезу, и одно­временное ее растягивание вызывают разлом трубки по окруж­ности. Рекомендуют предварительно смачивать место надреза водой или водным раствором мыла. В этом случае стекло легче обламывается, а края разлома получаются более гладкими. Если для нанесения царапины применяют напильник, то трубку в месте надреза надо не пилить, а сделать только царапину.

Для разрезания трубок диаметром более 15 мм наносят цара­пину по всей окружности трубки, а затем накаленной докрасна железной проволокой толщиной около 3 мм и согнутой в виде полуокружности обводят трубку вдоль царапины. При этом поч­ти всегда под царапиной образуется глубокая трещина, и трубка легко ломается. Если трещина не образуется, то трубку, сняв с проволоки, быстро охлаждают, сильно подув на нагретую часть или направив на нее струю воздуха. Более удобно железную проволоку закрепить в штативе, раскалить, а затем, положив на нее трубку с нанесенной царапиной, медленно вращать ее вдоль по надрезу. Через некоторое время трубка разламывается.

Иногда трубку диаметром 20-25 мм надрезают так же, как и трубки с диаметром менее 15 мм, но ломают не руками, а поло­жив ее на край стола, причем надрез должен находиться сверху, а острая кромка стола - снизу. Одной рукой придерживают ко­нец трубки, лежащей на столе, другой берут второй ее конец и, одновременно оттягивая и изгибая, ломают трубку.

Некоторые химики предпочитают другой прием разлома над­резанных трубок. Два асбестовых шнура одинаковой длины сма­чивают водой и обматывают ими трубку с двух сторон на одина­ковом расстоянии (4-5 мм) от места кругового надреза, соблю­дая параллельность между шнурами, иначе разрез получится неровным. Затем на место надреза направляют острое пламя 7 паяльной горелки (см. рис. 1, о) и трубку равномерно вращают в пламени до образования кольцевой трещины. Этим способом разрезают стеклянные трубки любого диаметра из стекла любой термостойкости.

Если в лаборатории есть алмазная пила, то она заменит все приведенные выше приспособления для резки стеклянных тру­бок.