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

Если тигель 5 и корпус 2 изготовлены из MgO или AI₂O₃ (см.разд. 1.2), то в криптоловой печи при напряжении 60 - 100 В и силе тока 100 - 200 А можно получить температуру до 2000 °С.

Для питания криптоловой печи нужен электросварочный трансформатор.

Печь выделяет при работе значительное количество СО, по­этому ее следует размешать в вытяжном шкафу. Из-за образова­ния монооксида углерода для измерения температуры в криптоловой печи нельзя применять платиновую термопару.

Сила тока в печи зависит от диаметра угольных зерен и плотности их набивки. Чем меньше размер зерен и плотнее на­бивка, тем больше сила тока и равномернее нагрев.

За криптоловой печью во время ее работы следует вести не­прерывное наблюдение. Криптол может остыть в одном месте и ярко раскалиться в другом. Если это произошло, то, постукивая по верхнему графитовому кольцу 3 и стенкам 2 корпуса печи утрамбовывают угольные зерна, плотнее прижимают верхнее графитовое кольцо к верхнему слою криптола. Печь снабжают крышкой 1.

Криптол готовят дроблением угольных электродов в ступке с последующим рассеиванием помола на ситах. Для печи отби­рают зерна размером 2-3 мм.

Шахтные лабораторные печи отличаются от тигельных толь­ко своими размерами и мощностью.

Индукционные печи применяют для нагревания веществ или реакционных сосудов, обладающих достаточной электропровод­ностью. Такая печь представляет собой соленоид, сердечником которой является нагреваемый сосуд с веществом. Например, индукционная печь с графитовым тиглем 3 (рис. 124, а) позво­ляет получить внутри тигля температуру порядка 2500 - 3000 ⁰С. Индукционные токи, возникающие в сосуде или в веществе, называют вихревыми токами, или токами Фуко.

Фуко Леон (1819- 1868) - французский физик-механик, впервые обнару­жил нагревание металлических предметов при движении их в магнитном поле.

Количество энергии в форме теплоты, выделяемое в единицу времени токами Фуко, прямо пропорционально квадрату частоты изменения магнитного тока, поэтому для получения высоких температур в индукционных печах применяют токи высоком частоты. Нагрев токами Фуко происходит тем быстрее, чем большей электропроводящей массой обладает сосуд с веществом. Для получ­ения равномерного распределения температуры в массе вещества стенки сосуда в местах большего потребления энергии делают более толстыми. В этом случае исчезают зоны перегрева в веществе и уменьшается его спекание.

Для больших мощностей катушку изготавливают из изолиро­ванной медной трубки 1 (рис. 124, б), по которой пропускают воду для охлаждения индуктора. Правда, в такой вакуумном индукционной печи из-за сравнительно большого зазора между индуктором и тиглем 3 увеличивается рассеяние магнитного поля индуктора, что приводит к дополнительным затратам энергии.

Индукционные печи применяют и для нагревания потоков газов и жидкостей в стеклянных трубках, но для этого их окружают стальным цилиндром 11 (рис. 124, в) в зоне нагрева. кварцевые трубчатые индукционные печи 2 (рис. 124, г) рабо­тают только тогда, когда вещество находится в металлических лодочках.

При зонной плавке (см. разд. 9.7) энергия, генерируемая в пределах очищаемого вещества 7 (рис. 124, д), сводит к мини­муму загрязнения, поступающие из материала трубки или кон­тейнера; к тому же возникающие за счет индукции вихревые потоки хорошо перемешивают расплав.

Долговечность индукционной печи практически не ограни­чена. Ее недостатки: большие размеры вспомогательного обору­дования, его дороговизна и сложность регулирования темпера­турного режима печи. Небольшие изменения в положении сосу­да и электропроводности вещества могут резко изменить мощ­ность печи.

6.8. Высокочастотные диэлектрические нагреватели

Во внутреннем электрическом поле, создаваемом пластинами конденсатора, диэлектрики - вещества, не обладающие элек­трической проводимостью, подвергаются различной поляриза­ции: происходит смещение их валентных электронов, дипольных молекул и ядер молекул.

При переменном электрическом поле через конденсатор про­ходит электрический ток, поляризация диэлектрика непрерывно начинает меняться и тем чаще, чем больше частота переменного тока. Частицы вещества ориентируются в изменяющемся элек­трическом поле, между ними возникают своеобразные "силы трения". На преодоление этих сил расходуется энергия, вызы­вающая нагрев диэлектрика. Количество выделившейся энергии в форме теплоты зависит от частоты изменения электрического поля, его напряженности и от свойств диэлектрика. С ростом частоты возрастают скорости поворота диполей и сопротивление Движению диполей, т. е. как бы возрастает "трение" между ни­ми. При некоторой частоте диполи уже не успевают ориентиро­ваться в быстро меняющемся электрическом поле, "силы трения" падают и выделяющаяся энергия уменьшается. Таким об­разом, для каждого вещества-диэлектрика существует своя частота максимального выделения энергии в форме теплоты.

Лабораторные высокочастотные диэлектрические нагреватели (Рис. 135) включают ламповые генераторы с колебательной мощностью 1 - 10 кВт и частотой тока 40 - 80 МГц. Напряженность электрического поля не должна превышать определенного значения, иначе произойдет электрический пробой конденсатора. У большинства органических веществ значение пробивного напряжения составляет (10 - 30) 10³ кВ/м.

и с пластинкой конденсатора (б)

В нагревателе типа б верхняя высокопотенциальная пластина конденсатора 1 перфорирована для свободного выхода газов и паров воды, выделяющихся из нагреваемого вещества 4. Плас­тина может вертикально перемещаться для изменения зазора между нею и веществом. Положение пластины, определяющее режим нагревания, устанавливают экспериментально. Нижняя пластина конденсатора 5 заземлена. Между пластинами нахо­дится теплоизоляционный цилиндр 6.

Возможен еще один вариант высокочастотного диэлектриче­ского нагрева: в тигель с веществом вводят высокопотенциаль­ный электрод-трубу, а металлический тигель (никель, платина). являющийся другой пластиной конденсатора, заземляют.

При нагревании диэлектрика токами высокой частоты зона с более высокой температурой находится в центре вещества и движение влаги и газов происходит из внутренней части к поверхности вещества, что благоприятствует высокотемпературной обработке материалов. Достоинствами высокочастотного нагрева являются также большая скорость нагревания, отсутствие местных перегревов и инерционного периода, возможность избирительного нагрева отдельных частей объема и удаления про­ектов разложения и влаги из порошков без появления жидкой лазы (явление электроосмоса в поле высокой частоты).

В газовых печах источником энергии является природный газ или пропан. Такие печи в лабораториях применяют редко. Тем не менее они имеют свои достоинства, связанные прежде всего _с равномерным распределением тепла в нагреваемом объеме печи вследствие интенсивной циркуляции нафетых продуктов сгорания газа. Разъемная газовая печь (рис. 126, а) состоит из двух частей: корпуса 4 и крышки 3. На огнеупорном керами­ческом диске 6 с отверстиями размещают нагреваемый сосуд. Такие печи собирают из шамотного кирпича или блоков из ок­сида магния (см. разд. 1.2). Нижняя часть печи закреплена на подставке неподвижно, а верхняя может сниматься. Регулируя высоту диска 6 над пламенем горелки 5 и размер отверстий в нем, можно создать в печи температуру от 800 до 1200 °С. Крышка 3 имеет два отверстия: для выхода газов 1 и термопары 2.

Печь типа б обогревается пламенем паяльной горелки, на­правляемым, через отверстие 1 по касательной к нагреваемой поверхности. Продукты сгорания газа приходят в печи в вихре­вое движение, следуя по полусферическим углублениям 3 в стен­ке 2 печи. Температуру в такой печи можно довести до 1600 °С. Внутренний объем печи должен быть небольшим, рассчитанным на помещение одного тигля 4 из алунда (AI₂O₃) или диоксида циркония (Zr0₂).



Рис. 126. Разъемная (а) и высокотемпературная (б) газовые печи
Равномерная высокотемпературная зона об­разуется из-за горения газа на поверхности каналов. Известно, что сгорание газов при высоких температурах ускоряется любой поверхностью независимо от ее природы. Контроль за темпера­турой ведут при помощи термопары 5.

В качестве огнеупорного материала в рассмотренной печи применяют оксид магния MgO.

Сушильные шкафы - теплоизолированные металлические каме­ры круглой или прямоугольной формы с полками и герметич­ными дверками. Шкафы применяют для удаления жидкой фазы из порошкообразных веществ или со стенок вымытой посуды. Температуру внутри шкафа можно изменять от 50 до 350 °С с точностью ±5 °С. Сушильные шкафы принципиально не отли­чаются от воздушных термостатов (см. рис. 111). Почти все су­шильные шкафы имеют электрический обогрев и снабжены стержневыми терморегуляторами (см. разд. 5.9). Подвод внеш­него воздуха и удаление продуктов испарения происходит через специальные отверстия с регулирующими заслонками. Для ускорения процесса сушки и снижения его температуры приме­няют вакуум-сушильные шкафы, позволяющие поддерживать в рабочей камере вакуум 600 - 1200 Па.

Для высушивания небольших масс твердых веществ приме­няют трубчатые сушильные аппараты, получившие название сушильных пистолетов (рис. 127).

Рис. 127. Сушильный пистолет с твердым осушителем (а) и упрощенный (б)

При высушивании в токе инертного газа источник газа при­соединяют к трубке б, а для выхода газа открывают пробку трубки 2.

В приборе, показанном на рис. 127, б, высушивание можно производить как под вакуумом, так и при атмосферном давле­нии, когда кран трубки 6 открыт.

6.11. Средства и приборы для охлаждения

Создание низких температур, не изменяемых в течение опреде­ленного времени, рассмотрено в разделе о криостатах (см. разд. 5.11). Здесь же рассмотрены общие приемы получения низких температур.

Обычный прием охлаждения вещества - это погружение его вместе с сосудом в чашу с охлаждающей смесью. Если сосуд не велик, его помещают в охлаждающую смесь, находящуюся в сосуде Дьюара (см. рис. 33), в котором низкая температура под­держивается более длительное время.

Температуру около 0 °С получают с использованием ледяной кашицы. Водные растворы и реакционные смеси, для которых допускается небольшое разбавление водой, охлаждают до 0 °С, добавляя кусочки чистого льда, полученного из дистиллирован­ной воды.

Когда необходимо охладить вещество или реакционную смесь ниже 0°С, применяют охлаждающие смеси, состоящие из льда и солей (табл. 23) (тонкие слои льда и соли кладут попеременно друг на друга).

Охлаждать сосуды с веществом до температур от -80 до -60 °С можно с помощью твердого диоксида углерода С0₂ (" сухого льда"). Сам "сухой лед" охлаждает плохо, так как обра­зующийся газообразный С0₂ изолирует хладоагент от непосред­ственного контакта с охлаждаемым сосудом; кроме того, куски твердого С0₂ быстро обволакиваются слоем льда из-за конденсации влаги воздуха. Поэтому для охлаждения используют смесь измельченного твердого С0₂ с безводным органическим растворителем.

Такую смесь в виде кашицы получают при смешении компонентов в сосуде Дьюара при атмосферном давлении, осто­рожно заливая куски твердого СО₂ растворителем. Поскольку происходит бурное выделение газообразного СО₂, жидкость следует приливать небольшими порциями.

В табл. 24 приведен перечень органических растворителей, пригодных для создания охлаждающих смесей с твердым СО₂ .

Для охлаждения сосудов с веществом рекомендуют также смесь Na₂S0₄ • 10Н₂О и HC1 (36,7%). При содержании соли в смеси 50,2 и 63,0% можно достигнуть охлаждения до -12,2 и -15,3 °С соответственно при начальной температуре смеши­ваемых компонентов +22 ^СС.

Для получения температур, указанных в табл. 24, необходимо поддерживать в смеси постоянный избыток твердого СО₂ .



Рис. 128. Приборы для получения сухого льда (а) и охлаждения сосуда жидким азотом (б, в)
Сухой лед получают, используя баллон с жидким СО₂ . Для этого на выпускное отверстие баллона наворачивают изогнутую трубку с накидной гайкой (рис. 128, о) и к ее другому концу, имеющему небольшой фланец, привязывают прочный паруси­новый мешок и открывают вентиль. Во время выхода СО₂ нуж­но рукой, одетой в суконную перчатку, сильно ударять по меш­ку, чтобы на его стенках не отлагался твердый СО₂ который может закупорить поры ткани. Такой способ получения порош­кообразного СО₂ возможен только в том случае, если баллон с жидким СО₂ имеет сифон, соединяющий вентиль с придонным объемом баллона, в противном случае баллон переворачивают вентилем вниз.

Твердый СО₂ хранят в сосудах Дьюара или Вейнгольда (см. рис. 33).

Приведенный выше способ получения сухого льда из жидко­го СО₂ неэффективен: из 1 кг жидкого диоксида углерода мож­но получить в лучшем случае только 250 - 300 г твердого СО₂.

Более низкую температуру, чем температуры, получаемые с помощью приведенных выше охлаждающих смесей, можно по­лучить, используя жидкий азот (температура кипения -195,8 °С). Для этого применяют приборы типа приведенного на рис. 128, 6