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

Перед форвакуумным и диффузионным насосами на пути отка­чиваемого газа всегда помещают ловушки для конденсации га­зов, растворяющихся в жидкостях насосов или взаимодей­ствующих с ртутью (С0₂, H₂S, H₂O, S0₂, NO₂, галогеноводороды и др.). Ловушки погружают в жидкий азот, при температуре испарения которого полностью конденсируются многие газы, за исключением Не, Н₂, Ne, CO, F2, Ar, 0₂, CH₄ и NO.

Формы ловушек разнообразны (рис. 266 - 268). Их изготав­ливают из тонкостенного стекла (0,8 - 1,0 мм), поскольку тол­стостенное стекло при резком изменении температуры может треснуть. Тонкие стенки ловушек, кроме того, улучшают тепло­проводность.

Вымораживание фторсодержаших газов осуществляют во фторопластовых или полиэтиленовых ловушках (см. разд. 1.3). При больших количествах конденсата применяют ловушки со шлифами (рис. 266,б,в), позволяющими быстро и удобно удалять конденсат после выпуска воздуха.в вакуумную систему. Охлаж­даемая зона у таких ловушек не должна достигать шлифа (см. рис. 2.4), так как иначе будет нарушена герметичность.

Для вакуумных линий предварительного разряжения хорошо зарекомендовала себя ловушка с перегородкой (рис. 266,5). Такие ловушки устанавливают между ртутным диффузионным и форвакуумным ротационным насосами, чтобы предотвратить попа­дание ртути в ротационный насос. Эта ловушка не должна иметь диаметр более 40 мм, иначе при охлаждении до темпера­туры -190 °С она может лопнуть.

Если для вымораживания газов жидкий азот не требуется, Применяют ловушки с заливными карманами (рис. 267), куда по­дтают различные охлаждающие смеси (см. разд 6.11), например кашицу твердого СО₂ в ацетоне.

с перегородкой (д)

со спиральной трубкой (б) и трехстенная (в)

для хранения газов в зависимости от их количества, чистоты и длительности хранения используют различные сосуды и приспо­собления. Небольшие объемы газов хранят в газовой бюретке (см. рис. 84) или колбе, или пипетке. Газы объемом от 1 до 5 л содержат в аспираторах и газометрах, а для хранения десятков литров применяют лабораторные газгольдеры. Большие коли­чества газов хранят в сжатом или жидком состояниях в стальных баллонах.

Сосуды для хранения небольших количеств газа. Самое про­стое устройство для хранения газа - круглодонная колба (см. разд. 2.1) и газовая пипетка емкостью 250 - 500 мл с двумя кра­нами на концах.

Перед наполнением колбы газом в нее наливают воду или другую жидкость, которая не взаимодействует с газом, до самого верхнего конца и опускают в сосуд с той же жидкостью, чтобы в колбу не попал ни один пузырек воздуха. В горло колбы под жидкостью вводят трубку, подводящую газ (рис. 269,а). Газ, пробулькивая в колбу, вытесняет из нее жидкость. Когда в кол­бе останется немного жидкости, трубку удаляют, колбу под жидкостью закрывают пробкой, вынимают из сосуда не перево­рачивая и .хранят вверх дном. Жидкость, находящаяся над проб­кой, служит жидкостным затвором.

Перед наполнением газовой пипетки 2 (рис. 269,6) в нее впускают запирающую жидкость, что достигается при открытых кранах 1 и 4 подъемом уравнительного сосуда 3 чуть выше кра­на 1. Затем краны закрывают - сначала нижний 4, потом верх­ний 1. Заполненную жидкостью пипетку присоединяют к ис­точнику газа при помощи резинового или полимерного шланга. Открыв краны и опуская сосуд J, засасывают газ в пипетку до полного вытеснения из нее жидкости, после чего краны закры­вают.

Небольшие количества газа хранят также в газометре Боденштейна (рис. 269,в), который состоит из колокола 3, погру­женного открытым концом в сосуд 4 с ртутью. Перед заполне­нием газом колокол 3 откачивают через кран 7, и он опускается почти полностью в сосуд с ртутью.

газометр Боденштейна (в) и колба Гнаука (г)

Хранение небольших порций особо чистых газов осу­ществляют в стеклянных колбах Гнаука с запаянным носиком J (рис. 269,г), снабженных вакуумным краном 1 (см. рис. 36) с обрезком стеклянной палочки 2.

Перед заполнением газом из сосуда 5 предварительно удаля­ют воздух через отросток 4, после чего через этот же отросток впускают газ для хранения. Затем отросток запаивают. Перед использованием газа колбу встряхивают или несколько раз пе­реворачивают для того, чтобы обрезок стеклянной палочки раз­бил носик 3.

Аспираторы (от лат. aspirare - дуть, выдыхать) - приборы для засасывания и хранения газов, состоящие из двух сосудов, на­пример двух склянок. В верхней склянке 7 (рис. 270,а) находит­ся вытесняющая газ жидкость, а в нижней 5 собирается и хра­нится газ. Резиновая трубка 3, соединяющая две склянки, пере­крывается краном -2. Аспираторы этого типа позволяют созда­вать различное избыточное давление выходящего газа путем подъема или опускания склянки 1.

Если необходимо, чтобы газ поступал в аспиратор с постоян­ной скоростью, независимо от понижения уровня жидкости в нем, его превращают в сосуд Мариотта (см. рис. 151). Тогда засасываемый газ будет всегда находиться под разряжением, определяемым значением ht, которое соответствует перепаду уровня жидкости между концом трубки 3 и нижним отверстием трубки 4, из которого свободно вытекает жидкость.

Перекидной аспиратор (рис. 270,в) состоит из двух сосудов, Уединенных между собой краном и укрепленных в штативе на двух кольцах. Для удобства работы с таким аспиратором его можно укреплять в специальном приспособлении на оси, вокруг которой он может вращаться.

Газ засасывается при перетекании жидкости из верхнего сосуда в нижний. Для вытеснения собранного газа аспиратор переворачивают, и газ вытесняется жидкостью, сливаемой из верхнего сосуда.

По мере заполнения сосуда 5 газом жидкость, находящаяся в нем, вытекает. Чтобы вода стекала в подставленный сосуд, на трубку, подводящую газ, надевают кусок плотной резины или кусок жести для направленного стекания жидкости из газомет­ра. Заполнение газометра заканчивают, как только уровень жид­кости подойдет к тубусу 7, который затем надежно закрывают пробкой. Для потребления газа открывают кран 2, а затем кран 4. Жидкость из воронки 1 заполняет сосуд 5 и, вытесняет газ. Скорость выходящего газа регулируют кранами 4 и 2. По мере отбо­ра давление газа постепенно снижается. Кран 3 служит для наполнения газом небольших колб и цилиндров, располагаемых над верхним отверстием трубки с этим краном и наполненных предварительно жидкостью. Для их заполнения при закрытом кране 4 открывают краны 2 и 3. Газ поступает в колбу или ци­линдр, вытесняя жидкость.

Если же требуется наполнить газометр газом, имеющим дав­ление, равное или меньшее атмосферного, трубку, подводящую газ, присоединяют к открытому крану 4 и вынимают пробку из тубуса 7. Краны 2 и 3 при этом должны быть закрыты. Вода, вытекая из тубуса 7, засасывает газ в сосуд 5.

Аналогичные операции проводят и со стеклянным газомет­ром Берцелиуса (рис. 271,6), выпускаемого отечественными фир­мами объемом 3, 5, 10 и 20 л.

Берцелиус Йене Якоб (1779-1848) - шведский химик. В 1814.г. ввел совре­менное обозначение химических элементов. Открыл химические элементы Се,. Se и Th.
Все шлифы газометра Берцелиуса должны быть притерты и смазаны (см. разд. 1.7 и 2.4). В исправном газометре 4 при за­крытом кране 3 и открытом кране 2 уровень воды в воронке 1 не должен уменьшаться в течение 24 ч более, чем на 5 мм. Для обнаружения утечки газа из газометра выливают всю жидкость, закрывают кран 3 и наполняют воронку 1 водой доверху. Затем открывают кран 2 и следят за тем, вытекает ли из воронки вода и не слышен ли свист выходящего воздуха. Подозрительное место смачивают мыльной водой и смотрят, не образуются ли мыльные пузырьки из-за выходящего воздуха.

Если необходимо использовать газ с постоянным давлением, применяют газометр Бетти (рис. 271,в). Когда кран 4 открыт, газ из него выходит с постоянным давлением, равным гидростатическому давлению, определяемому высотой h. В воронку 2 при выпуске газа непрерывно из трубки 1 подают жидкость, частично удаляемую через сливную трубку для поддержания постоянного уровня. Из воронки жидкость попадает в перелив­ной сосуд 6, из которого она выливается через край в сосуд 5. Стойка 7 поддерживает сосуд 6.

Бетти Марио (1875-1942) - итальянский химик-органик.

Лабораторные газгольдеры (рис. 272,а) изготавливают из не­ржавеющей стали или титана. Для хранения агрессивных газов металл заменяют на винипласт, полипропилен и другие поли­сные материалы (см. разд. 1.3). Основная часть газгольдера 1- колокол 2, опущенный в залитое жидкостью между цилин­драми 1 и 4 кольцевое пространство 5, где жидкость образует гидравлический затвор. Колокол подвешивают на капроновой толстой нити, перекинутой через блоки. Уравновешивают колокол грузом из съемных металлических дисков.

Для таких газов как 0₂, N₂, СО, СН₄, Не, Хе, Аг, Н₂, N0, Ne, SFg в качестве жидкости для газометров и газгольдеров применяют чистую воду. Растворимость этих газов в воде в нормальных условиях (в мл/100 г Н₂0) находится в интервале от 0,97 (Не) до 5,2 (Аг). Только Хе обладает повышенной раство­римостью, составляющей 24,1 мл в 100 г Н₂0. Растворимость газов можно понизить, если использовать водный раствор сер­ной кислоты, почти насыщенный сульфатом натрия.

Водород и диоксид углерода лучше не хранить, а получать непосредственно перед экспериментом из аппарата Киппа (см. рис. 229).

Хлор, тетрафторид кремния и хлороводород хранят в газо­метрах над серной кислотой.

Баллоны. Некоторые газы, используемые в лаборатории, на­ходятся в баллонах 3 - стальных цилиндрических сосудах со сферическим дном (рис. 273,а) и суженной верхней частью, в Которую ввернут запорный вентиль 2. Для предохранения вен­тиля от повреждений на верхнюю часть баллона надевается железный колпак 1. Нижняя часть баллона имеет приваренную подставку 5 ("башмак"), позволяющую хранить баллон в вертикальном положении.

Баллоны, предназначенные для хранения газов (Cl₂, NH₃ S0₂ и др.), сжижающихся под давлением, имеют внутреннюю трубку 4, идущую от запорного вентиля до дна баллона. Такие баллоны рекомендуется применять в перевернутом виде, чтобы конец трубки оказывался вне жидкости. В этом случае предотвращается возможный выброс жидкого газа из вентиля.

Чтобы перекрыть подачу газа, рукоятку1 полностью вывора­чивают вращением против часовой стрелки. Давление газа при­жимает конус 5 к отверстию и тем самым надежно закрывает выход газа.

Когда надо отобрать газ из баллона, сначала открывают за­порный вентиль поворотом его ручки 1 против часовой стрелки (рис. 273, б, в), а затем рукоятку 1 редуктора вращают по направлению движения часовой стрелки, прижимая мембрану 2 ко дну корпуса 3 редуктора. Вместе с мембраной опускается ко­нус 5, открывая отверстие для прохода газа к штуцеру 4. Редук­тор крепят к штуцеру запорного вентиля накидной гайкой 8.

В табл. 39 приведена опознавательная окраска баллонов со сжатыми газами, выпускаемыми фирмами России.

В баллонах, которые содержат жидкий газ, независимо от ко­личества жидкости в баллоне манометр показывает давление пара.

Баллоны с ацетиленом заполнены пористой массой (пемза, уголь), пропитанной раствором ацетилена в ацетоне.

Для баллонов с кислородом применяют редукторы, не содер­жащие прокладок из органического материала. Смазывать части кислородного редуктора каким-либо маслом, так же как и наде­вать на выходной штуцер резиновые и другие шланги из орга­нических материалов, кроме фторопластовых, категорически запрещается. В токе кислорода они могут воспламениться, что повлечет за собой взрыв баллона.

Вентиль, редуктор и манометры для баллонов с аммиаком ацетиленом изготавливают только из стали. Все запорные приспособления, содержащие медь (бронза, латунь и др.), не долж­ны использоваться при работе с аммиаком и ацетиленом из-за их взаимодействия с медью.

**Раствор в ацетон

Плотность газа В(, г/л) определяют взвешиванием ) не­большой стеклянной колбочки известного объема с газом (рис. 274,f) или газового пикнометра (см. рис. 77), применяя формулу

 = /V

Где V- объем колбочки (5 - 20 мл) или пикнометра.

Колбочку взвешивают дважды: сначала вакуумированную, а затем наполненную исследуемым газом. По разности значений двух полученных масс узнают массу газа , г. При заполнении колбочки газом измеряют его давление (см. разд. 10.4), а при взвешивании - температуру окружающей среды, которую при­нимают за температуру газа в колбочке. Найденные значения  и Т газа дают возможность вычислить плотность газа при нормальных условиях (0 °С; ≈0,1 МПа).

Для уменьшения поправки на потерю массы колбочки с газом в воздухе при ее взвешивании (см. разд. 3.2) в качестве тары на другом плече коромысла весов располагают запаянную кол­бочку точно, такого же объема. Поверхность этой колбочки обрабатывают (очищают) каждый раз точно так же, как и взвеши­ваемой с газом.

d_{B =} _B/₀ = M_B/M₀

где M_B и M₀ - соответственно молярные массы исследуемого газа В и стандарт­ного, например воздуха или водорода, г/моль.

Для водорода M₀ = 2,016 г/моль, поэтому

d_B = M_B/2,016

Из этого соотношения можно определить молярную массу газа, если принять его за идеальный.

Быстрым методом определения плотности газа является метод измерения продолжительности его истечения из малого отверстия под давлением, которая пропорциональна скорости истечения. Если плотность воздуха стандартного газа в нормальных условиях (0 ⁰С, 0,1 МПа) равна 1,2928 г/л, то

_B = 1.2928/

Измерение плотности газа этим методом проводят при помощи эффузиометра (рис. 274,б) - широкого цилиндра 6 высо­той около 400 мм, внутри которого находится сосуд 5 с основа­нием 7, снабженным отверстиями для входа и выхода жидкости. На сосуде 5 нанесены две метки М₁ и М₂ для отсчета объема газа, время истечения которого наблюдают. Кран 3 служит для впуска газа, а кран 2 - для выпуска через капилляр 1. Термо­метром 4 контролируют температуру газа.

Определение плотности газа по скорости его истечения вы­полняют следующим образом. Наполняют цилиндр 6 жид­костью, в которой газ почти нерастворим, чтобы был заполнен и сосуд 5 выше метки М₂- Затем через кран 3 жидкость вы­давливают из сосуда 5 исследуемым газом ниже метки М₁, при­чем вся жидкость должна остаться в цилиндре. После этого, закрыв кран 3, открывают кран 2 и дают выйти излишку газа через капилляр 1. Как только жидкость достигнет метки М₁, включают секундомер. Жидкость, вытесняя газ, постепенно поднимается до метки М₂- В момент касания мениска жидкости метки М₂ секундомер выключают. Опыт повторяют 2-3 раза. Аналогичные операции проводят и с воздухом, тщательно про­мыв им сосуд 5 от остатков исследуемого газа. Разные наблюде­ния длительности истечения газа не должны различаться более чем на 0,2 - 0,3 с.

Если для исследуемого газа .нельзя подобрать жидкость, в ко­торой он был бы малорастворим, применяют ртутный эффузиометр (рис. 274,в). Он состоит из стеклянного сосуда 4 с трехховым краном 1 и уравнительного сосуда 5, наполненного ртутью. Сосуд 4 находится в стеклянном сосуде 3, выполняю­щем функции термостата. Через кран1 в сосуд 4 вводят газ, вытесняя ртуть ниже метки M₁. Выпускают исследуемый газ или воздух через капилляр 2, подняв уравнительный сосуд 5. Более чувствительными приборами для определения плотности газов являются газовый ареометр Штока (рис. 275,а) и газовые весы (см. рис. 71).

Шток Альфред (1876-1946) - немецкий химик-неорганик и аналитик.
В ареометре Штока один конец кварцевой трубки раздут в тонкостенный шар. 1 диаметром 30 - 35 мм, наполненный воз­ком, а другой оттянут в волосок 7 Внутрь трубки плотно давлен небольшой железный стержень 3. Острием 4 трубка с шаром опирается на кварцевую или агатовую опору. Трубка с шаром помешены в кварцевый сосуд 5 с пришлифованной круг­лой пробкой.



Рис. 275. Ареометр Штока (а) и схема установки (б)
Вне сосуда расположен соленоид 6 с железным сердечников. При помощи тока различной силы, протекающего через соленоид, выравнивают положение коромысла с шаром так, чтобы волосок 7 указывал точно на индикатор нуля 8. За положением волоска наблюдают при помощи зрительной трубы или микроскопа.

Ареометр Штока приваривают к трубке 2 для устранения ка­ких-либо вибраций.

Шар с трубкой находятся в равновесии при данной плот­ности окружающего их газа. Если в сосуде 5 один газ заменить на другой при постоянном давлении, то равновесие нарушится из-за изменения плотности газа. Для его восстановления необ­ходимо либо притянуть стержень 3 электромагнитом 6 вниз при понижении плотности газа, либо дать ему подняться вверх при увеличении плотности. Сила тока, протекающего через солено­ид, при достижении равновесия прямо пропорциональна изме­нению плотности.

Прибор градуируют по газам известной плотности. Точность ареометра Штока 0,01 - 0,1%, чувствительность порядка 10^-7 г, диапазон измерений от 0 до 4 г/л.

Оперируют этим прибором следующим образом. Сначала за­полняют бюретки жидкостью до уровня выше крана 2, подни­мая сосуд 6. Затем газовую бюретку соединяют с источником газа и вводят его, опуская сосуд 6, после чего кран 2 закрывают. Для уравнивания давления газа, находящегося в бюретке 3, с атмосферным давлением сосуд 6 подносят вплотную к бюретке и устанавливают на такой высоте, чтобы мениски ртути в ком­пенсационной 5 и газовой 3 бюретках были на одном уровне. Поскольку компенсационная бюретка сообщается с атмосферой (ее верхний конец открыт), при таком положении менисков давление газа в газовой бюретке будет равно атмосферному.

Одновременно измеряют атмосферное давление по барометру (см. разд. 10.4) и температуру воды в рубашке 4 при помощи термометра 1.

Найденный объем газа приводят к нормальным условиям (О °С; 0,1 МПа), используя уравнение для идеального газа:

где V₀ и V - приведенный к нормальным условиям объем (л) газа и измерен­ный объем газа при температуре t (°С) соответственно; р - атмосферное давле­ние в момент измерения объема газа, торр.

Если газ содержит пары воды или находился перед измере­нием объема в сосуде над водой или водным раствором, то его обьем приводят к нормальным условиям с учетом давления пара воды р₁, при температуре опыта (см. табл. 37):

V₀ = 273,16 V(p-p₁)/760(273,16 + t) = V(p-p₁)[0,3594/(273,16+t].

Уравнения применяют в том случае, если атмосферное дав­ление при измерении объема газа было сравнительно близко к 760 торр. Давление реального газа всегда меньше, чем у идеаль­ного, из-за взаимодействия молекул. Поэтому в найденное зна­чение объёма газа вводят поправку на неидеальность газа, взя­тую из специальных справочников.