Градуированные микропипетки, микробюретки и микромерные колбы

Для измерения объемов жидкости в пределах от 5-10^-4 до 0,1 мл применяют микропипетки, изготовленные из толстостенного капилляра. Внутренний диаметр капилляра не должен быть меньше 0,5 мм, иначе возрастает погрешность в определении положения мениска. При диаметре капилляра 0,5 мм погреш­ность в отсчете положения мениска составляет 0,1 мм или

2*10^-5 мл.

Пипетка Кирка (рис. 302,а) имеет два расширения. Одно из них ниже метки 6 служит для наполнения измеряемой жид­костью, а. другое 5 является ловушкой, предохраняющей порш­невую часть 2 пипетки от попадания в нее жидкости. Для отбо­ра жидкости чистую сухую пипетку плотно соединяют с порш­невой частью пипетки при помощи резиновой пробки 4 и куска резинового шланга 3. Кончик пипетки опускают в жидкость и, медленно вращая головку 1 и одновременно поднимая ее, заса­сывают жидкость. Когда жидкость поднимается до метки 6, пи­петку вынимают и кончик ее вытирают куском фильтровальной бумаги. Если жидкость поднялась выше метки, то мениск уста­навливают по метке, прикасаясь кончиком пипетки к чистому предметному или часовому стеклу.

Содержимое пипетки выливают в приемный сосуд, осторож­но надавливая на поршень. Кончик пипетки обмывают снару­жи, а внутри капилляр пипетки промывают 2-3 раза, засасывая каплю чистой воды или соответствующего растворителя выше метки. Промывную жидкость соединяют с основным раствором, если надо сохранить все количество вещества, отобранное пи­петкой.

Держатель пипетки (в) и пипетка с самоустанавливающимся мениском (г)

Самозаполняющуюся пипетку трудно опорожнить. Эту опе­рацию выполняют с помощью поршневого шприца 2 (рис. 302,о), надеваемого на конец пипетки. Можно также выдавить жидкость из пипетки ртом через резиновую трубку, надетую на верхнюю часть пипетки, или нагреванием ее верхней части. При очень малых объемах жидкости все содержимое пипетки может остаться на наружной стороне ее кончика. Поэтому желательно в тех случаях, когда это возможно, измеряемый раствор выво­дить из пипетки в каплю воды или раствора, которые могут быть затем использованы для ее промывки.

Закрепляют самозаполняющуюся пипетку либо в поршневом шприце 2 (рис. 302,а), либо в держателе (рис. 302,в), состоящем из металлического цилиндра 7, гайки 2 и резинового кольца 3, Которое соединено с концом 4 пипетки.

Если в самозаполняюшейся пипетке сделать расширение. 5 (рис. 302,г), она перестает заполняться автоматически. Однако после того, как втягиваемая шприцом жидкость пройдет расши­рение 5 и мениск достигнет снова капиллярного сужения, жидкость начнет подниматься самопроизвольно по капилляру 3, пока не достигнет его конца. Укрепляют такую пипетку в держателе 2 при помощи резиновой пробки 4, а конец 1 держателя соединяют со шприцом.

Такие пипетки измеряют уже несколько большие объемы жидкости, от 0,05 до 0,075 мл с погрешностью ±10^-3 мл.

Впервые такие пипетки были предложены Андерсоном в 1948 г. и получили название пипеток с самоустанавливающимся мениском. Для наполнения пипетку наклоняют под углом 30 - 45°, и жидкость засасывают до тех пор, пока она не дойдет до капилляра 3. Когда капилляр будет заполнен, пипетку выни­мают из жидкости, не изменяя ее наклона, и удаляют следы-жидкости с внешней стороны нижнего капилляра куском филь­тровальной бумаги. Только после этого пипетку ставят верти­кально и давлением воздуха из шприца через конец 1 вытесняют жидкость.

Для калибровки пипетку наполняют чистой водой, затем воду выпускают полностью, а пипетку быстро кладут в закры­вающуюся трубку для взвешивания или в бюкс типа "собачка" (см. рис. 57,6) и взвешивают. После этого ее снова заполняют водой и снова взвешивают. Разность между двумя взвешиваниями дает массу воды, вылитой из пипетки. Самозаполняющиеся пипетки калибруют при помощи ртути (см. разд. 4.5).

Микробюретки, изображенные на рис. 303 в натуральную ве­личину, позволяют вести титрование с точно измеряемым объе­мом раствора.

Микробюретки всегда изготавливают из капиллярных трубок, в которых малые объемы жидкости располагаются на значи­тельной длине капилляра. Большинство микробюреток имеет вместимость не более 0,1 мл. Концентрация растворов при ра­боте с такими микробюретками, как правило, выше. 0,01 моль/л.

В микробюретке Кирка (рис. 303,а) капилляр 1 имеет внут­ренний диаметр 0,5 мм и укреплен на пластинке 3 со шкалой 2 Ртуть 6, находящаяся в микробюретке, служит поршнем для выдавливания жидкости, но в контакт с ней не входит. Ртуть не поднимается выше расширения 4, между ней и жидкостью все время находится воздушная прослойка. При выворачивании поршня 10 из корпуса 8 его игла 9 выходит из ртути и послед­няя, следуя за иглой, создает разряжение, благодаря которому жидкость входит в капилляр 1 микробюретки. Игла поршня проходит сквозь фторопластовую шайбу 7, изолирующую от ртути механизм поршня. При вворачивании поршня его игла " входит в ртуть, которая сжимает воздух в расширении 4 и тем самым выдавливает жидкость из микробюретки. Эта микробкз-ретка позволяет измерять объемы жидкостей от 0,03 до 1,0 мл.

В микробюретке Бранд-Реберга (рис. 303,6) жидкость всасы­вается и выдавливается из капилляра 1 также при помощи ртути, движение которой регулируют поршнем б в корпусе 7.



Рис. 303. Микробюретки Кирка (а), Бранд-Реберга (б) и Шварца (в)
Игла поршня проходит сквозь фторопластовую шайбу 5 в резервуар 3, наполненный ртутью. Чтобы в микробюретку набрать жидкость, в нее погружают кончик капилляра и затем медленно выворачи­вают поршень. Корпус 7 соединен с бюреткой отрезком 4 рези­нового шланга.

К недостаткам микробюретки Бранд-Реберга следует отнести утечку ртути через шайбу 5 и взаимодействие ртути с раствором.

Этих недостатков лишена микробюретка Шварца (рис. 303,в). Она обладает постоянством гидростатического давления, что создает равномерную скорость вытекания раствора в процессе всего титрования. Поэтому погрешность, связанная с неполным вытеканием раствора, остается постоянной. Если микробюретку Шварца наклонить немного вправо, кончик капилляра припод­нимается, оставаясь в жидкости, и бюретка автоматически нач­нет заполняться по принципу сифона. Когда мениск жидкости достигнет нулевой отметки шкалы, кончик капилляра вынимают из жидкости. Для удаления жидкости из микробюретки доста­точно ее кончиком коснуться титруемой жидкости, раствор из капилляра сразу же начнет медленно вытекать. Его течение мо­жет быть остановлено при разрыве контакта носика микробютки с жидкостью.

Микробюретку Шварца можно заполнять и через трехходовой кран 1 (рис. 303,в) из воронки 2, не наклоняя кончик ка­пилляра.

Микромерные колбы (рис. 304) выдувают из толстостенных капилляров с внутренним диаметром 2 мм. Шейку колбы дела­ет по возможности более короткой, чтобы облегчить введение кончика микропипетки.



Рис. 304. Микромерные колбы с короткой шейкой и пришлифованным колпач­ком (а), с пришлифованной пробкой (б),

с длинной шейкой и пришлифован­ным колпачком (в) и с открытым горлом (г)

Микромерные колбы с пришлифованным наружным колпач­ком (рис. 304,а,в) вместимостью 0,5 - 1,0 мл применяют для взвешивания жидкостей. Микромерные колбы с пришлифован­ной пробкой (рис. 304,б) нужны для приготовления растворов твердых веществ. Их вместимость 0,2 - 0,5 мл. Микромерные колбы с широкой верхней воронкой (рис. 304,г) применяют для приготовления растворов малолетучих жидкостей.

При работе с микромерными колбами перемешивать раствор взбалтыванием практически невозможно. Поэтому после того, как микромерная колба заполнена раствором и мениск устано­влен на метке, содержимое можно перемешивать с помощью мешалки с вибрирующим стержнем (см. разд. 13.4).Если раствор не взаимодействует с ртутью, то его перемешивают путем встря-хивания с каплей ртути. Этот способ перемешивания, пожалуй, самый эффективный. Вместо капли ртути в раствор помещают в маленький стеклянный или фторопластовый шарик, проходя­щий через шейку колбы.

Таблица 43. Размеры шейки микромерных колб

Емкость колбы, мл	Погрешность измерения объема жидкости. %			Емкость колбы, мл	Погрешность измерения объема жидкости, %
	1.0	0.2	0,1		1.0	0.2	0.1
	Размеры шейки колбы, мм				Размеры шейки колбы. мм_
1.0 0,5	8,0 5,6	4,0 2,6	2.6 1.8	0,2 0,1	3,6 2,6	1,6 1.2	1.2 0.8

Примечание. Погрешность определения положения мениска принята равной 10,2 мм.

Микромерные колбы калибруют при помощи ртути (см. разд. 4.5).

Для нагревания микрососудов применяют микрогорелки, сде­ланные из обычных газовых горелок (см. разд. 6.2), с которых снимают вертикальные трубки и оставляют только выходной капилляр (рис. 305,а). В некоторых случаях на капилляр обыч­ной газовой горелки надевают с помощью отрезка резиновой трубки 2 (рис. 305,о) стеклянный или кварцевый капилляр 1. Микрогорелку можно изготовить из микробюретки (рис. 305,6), согнув под прямым углом ее капиллярный конец и закрепив тем или иным способом муфту крана в полимерной или керами­ческой подставке.

Удобной микрогорелкой является выносной кварцевый ка­пилляр 1 (рис. 305,в), закрепленный в штативе 4 и соединенный резиновым шлангом 5 с капилляром обычной газовой горелки. В такой горелке, регулируя подачу газа зажимом Гофмана 3 (см. рис. 37,о), можно получить микропламя высотой 1 - 5 мм.

Если нет газа, то для нагревания микрососудов применяют маленькие спиртовки (см. рис. 114) или небольшие кусочки твердого горючего (см. разд. 6.3). Нагревание микроколичеств вещества проводят также в микротигельных печах (рис. 306,а), изготовленных из кварцевых пробирок 1 с наружными нихромовыми спиралями 2 в асбестовой теплоизоляции 3 (см. разд. 6.12). Под нагреваемую микропробирку кладут слой 4 асбесто­вой ваты.

Микроплитки могут быть как закрытыми (рис. 306,6), так и открытыми (рис. 306,в). Закрытая микроплитка имеет кварце­вый диск 2 с желобком по окружности, в который устанавлива­ют кварцевый колпак 1 с отверстием в центре для размещения микропробирок и микростаканов

Рис. 305. Газовые микрогорелки: Теклю (а), из микробюретки (б) и с выносным Капилляром (в)

Наконец, нагревание микрососудов осуществляют в неболь­ших жидкостных банях (см. разд. 6.1) или микроколбах Вальтера 2 (рис. 307,а) с насадкой 1, через которую проходит пар кипя­щей жидкости и куда помещают микрососуды. В жидкостную микробаню можно превратить любой небольшой химический стакан 3, поместив в него алюминиевый штатив 2 для микро­пробирок 1 (рис. 307,6).

Выпаривание капель раствора часто проводят на часовых стеклах или в маленьких фарфоровых чашках под ИК-излучателями (см. разд. 6.4).
13.4. Перемешивание и измельчение

Перемешивание и измельчение микроколичеств вешества пред­ставляет собой одну из наиболее трудных и нерешенных пока техгических операций.

Перемешивание суспензий в микрососудах осуществляют тонкими стеклянными палочками разной формы и толщины (рис 308,а), которые вращают между большим и указательным паль­цами.



Рис. 308. Стеклянные палочки и микромешалки (а). Микрошпатель (б). Элек­тромагнитная (в) и газовая (г) мешалки
Для перемешивания твердых крупинок или их переноса из одного сосуда в другой применяют микрошпатели (рис. 308,6), изготовленные из тонких стеклянных палочек. Эффек­тивным способом перемешивания небольших количеств раство­ра является введение в него вибрирующей кварцевой нити. Виб­рация создается быстро меняющимся по направлению током в небольшом электромагните, содержащем стальную пластинку с прикрепленной к ней кварцевой нитью. Электромагнит питают током с частотой 50 Гц.

Для перемешивания используют и миниатюрную магнитную мешалку (рис. 308,в), состоящую из микропробирки 3, остекло­ванного стального шарика 2 и постоянного магнита 1, переме­щаемого вручную вдоль стенки пробирки. В ряде случаев рас­твор перемешивают при помощи слабой струи газа, выходящего из тонкого капилляра (рис. 308,г). Газ либо пропускают через раствор, либо омывают им боковую поверхность капли, находя­щейся на часовом или предметном стекле. Пробулькивание газа через небольшое количество жидкости - операция очень нена­дежная из-за возможного разбрызгивания жидкости и ее испа­рения, часто почти незаметного. Используемый газ не должен содержать примеси аэрозолей и взаимодействовать с перемеши­ваемой жидкостью (см. разд. 10.3).

Наконец, перемешивание проводят методом "пульсирова­ния" - втягиванием и выпусканием жидкости из тонкого капил­ляра. Для этого на капилляр надевают отрезок резиновой труб­ки, который то сжимают, то разжимают двумя пальцами.

Измельчение 5 - 20 мг вещества проводят в микропробирке (часовом или предметном стеклах) стеклянной палочкой с за­кругленным концом (рис. 308,а). Палочку медленно вращают в пробирке до тех пор, пока не будет достигнута нужная крупность частиц порошка. Главная трудность такой операции - перенос измельченного вещества в другой микрососуд без потерь. Поэтому рекомендуют промывать палочку и пробирку жидкостью не взаимодействующей с веществом, но растворяю, щей его, и затем испарять полученный раствор на часовом стекле. Твердый остаток смешивают с основной массой измель­ченного вещества.

Растворение, выпаривание и высушивание микроколичеств ве­щества ничем не отличается от макропроцессов такого рода (см. разд. 9.1). Только следует применять микрососуды, микромешад-ки и микронагревательные устройства, техника работы с кото­рыми была изложена в предыдущих разделах.

Растворение крупицы твердого вещества в капле растворителя проводят на часовом стекле или в углублениях фарфоровой пластинки (см. рис. 300.з) с использованием микрошпателя (см. рис. 308,6), кварцевой нити или платиновой проволочки в ка­честве мешалки.

Если необходимо определить растворимость твердого вещест­ва массой 0,001 - 0,1 мг, прибегают к использованию стеклян­ных капилляров нужного диаметра и длины. В капилляры по­мещают (см. разд. 7.8) в разных соотношениях твердое вещество и растворитель, затем их запаивают и укрепляют в термостате на вращающемся устройстве типа колеса. Благодаря вращению происходит непрерывное перемешивание фаз. После достиже­ния равновесия твердую фазу осаждают на дно капилляра цент­рифугированием, капилляр вскрывают и калиброванной микро­пипеткой извлекают нужное для анализа количество насыщен­ного раствора. При необходимости капилляр снова запаивают, и опыт повторяют.

Упаривание 5 - 10 мл раствора ведут в микроколбочке, снаб­женной пришлифованной насадкой 2 (рис. 309,а), позволяющей отводить конденсат через трубку 3 до тех пор, пока не будет получен раствор нужной концентрации. Через кран 1 насадку присоединяют к водоструйному насосу (см. рис. 258,а).

Упаривание раствора с просасыванием воздуха или инертного газа проводят при помоши прибора, приведенного на рис. 309,б. Жидкостной баней служит небольшой химический стакан 2 с соответствующей жидкостью, нагреваемой электрической плит­кой 1. Трубка 4, по которой подается воздух или газ, вытянута внутри сосуда 3 в капилляр. Предохранительную пробирку присоединяют к водоструйному насосу, а краном 5 регулируют скорость просасывания воздуха или газа.

Высушивание твердого вещества массой 20 - 100 мг осу­ществляют в Г-образном вакуум-эксикаторе 4 (рис. 309,в), соединенном с водоструйным насосом через кран 3.



Рис. 309. Микроприборы для выпаривания и высушивания: насадка (ао), поточ­но-воздушный (6).

Г-образный (в) и микропробирочный (г)

и с предохранительной склянкой (г)

Для высушивания небольших количеств вещества применяют самые разнообразные микроэксикаторы. Микроэксикатор 2 с крышкой 1, изготовленный из бюкса (рис. 310,а), содержит внутри часовое стекло 3 с крупицами вещества. Микроэксикатор-пробирка 1 (рис. 310,6) содержит осушитель 4, стеклянную вату 3, на которую помещают микропробирки 2 или капилляры с осушаемым веществом. Если вещество содержит следы углево­дородов, то на поверхность осушителя кладут небольшие кусоч­ки свеженарезанного парафина для поглощения пара углеводородов.

Во избежание попадания в микровакуум-эксикаторы 2 (рис, 310,в) и 1 (рис. 310,г) влажного воздуха из водоструйного насоса при падении давления воды в водопроводной сети их соединяют с предохранительной склянкой 6 рис. 310,г), содержащей осу­шитель 3 и слой стеклянной ваты 4. В последнем приборе кран 5 служит для отключения вакуума. Микропробирка 2 с высуши­ваемым веществом опирается на слой 4 стеклянной ваты, за­крывающей осушитель 3.

Выпаривание растворов и высушивание веществ в микропро­бирках можно проводить и в металлическом блоке 3 (рис. 311), обогреваемом тигельной печью 6. При необходимости в микропробирку 4 вдувают воздух или инертный газ через капилляр трубки 1. Сменное кольцо 5 позволяет укреплять в блоке мик­ропробирки разного диаметра, а термометр 2 - контролировать температуру блока.

13.6. Фильтрование

Разделение двух микрофаз (твердой и жидкой) осуществляют с помощью многочисленных приспособлений и приемов - декан­тации, простого и вакуумного фильтрования, с применением фильтровальных палочек и центрифугирования. Среди таких операций с небольшими количествами вещества технически наиболее разработан процесс фильтрования.

баллончиком (а), через пластинку Витта (6), при помоши иглы Вильштеттера (в), иглы и пластинки Витта (г),

перфориро­ванной иглы (д) и пипетки (е):

е: I - пипетка; 2 - фильтрат; 3 - ку­сок фильтровальной бумаги; 4 - осадок с раствором
Если твердая фаза 1не представляет собой плотного осадка, т. е. жидкость над ним содержит отдельные частицы, то в конец длинной трубки "баллончика" 3 вставляют в качестве фильтра небольшой тампон 4 из полимерной или обычной ваты. Его вводят в капилляр баллончика при помощи стеклянной нити 5 на расстояние 2 - 3 мм от конца. Для этого несколько расши­ряют конец баллончика. Чтобы разделить микрофазы, конец баллончика с тампоном погружают в суспензию и, осторожно нагревая шарик (см. рис. 301,а), сначала вытесняют воздух, пос­ле чего при охлаждении засасывают фильтрат. Фильтр удаляют, отломив кончик капилляра. Остаток жидкости над осадком снимают узкой полоской фильтровальной бумаги, которую опускают в микропробирку до поверхности осадка.

Если твердая фаза нуждается в промывке, то ее после отде­ления снова смешивают с растворителем и операцию деканти­рования повторяют.

Простое фильтрование ведут с использованием микроворо­нок, в которые вкладывают либо конический фарфоровый конус 1 (рис. 312,6) с отверстиями (пластинку Витта), либо стеклян­ную нить со шляпкой 1 (рис. 312,в), называемую иглой Виль­штеттера, либо то и другое вместе (рис. 312,г). Сверху этих при­способлений помещают листок 2 фильтровальной бумаги. Диа­метр бумажного фильтра должен быть на несколько миллимет­ров больше диаметра пластинки Витта и шляпки иглы Вильштеттера. Фильтровальную бумагу перед фильтрованием смачи­вают водой и прижимают к стенкам микроворонки.

Вильштеттер Рихард Мартин (1872-1942) - немецкий химик-органик, лауреат Нобелевской премии 1915 г.

Пластинка Витта вследствие конической формы хорошо вкладывается в микроворонку, но при надавливании на один край может легко перевернуться. От этого недостатка свободна игла Вильштеттера. Некоторые фирмы выпускают видоизменен­ную шляпку иглы в виде перфорированного конуса 1 (рис. 312,5). Конус не поворачивается и скорость фильтрации через него больше.

Али марин предложил простую операцию по отделению 0,2 -0,6 мл раствора от осадка, техническое выполнение которой ясно из рис. 312,е.

Алимарин Иван Павлович (1903 - I9S9) - русский химик-аналитик, акаде­мик, один из основателей аналитической микрохимии.

В одном из них на пришлифованный конец капилляра 3 (рис. 313,а) надевают микроворонку 2 (рисунок увеличен в мас­штабе), а отверстие капилляра закрывают кружком 1 фильтро­вальной бумаги.

В другом приспособлении на кружок фильтровальной бумаги 3 (рис. 313,6) устанавливают плоский конец микроворонки 1, которую скрепляют с капилляром 4 отрезком резиновой трубки 2. Концы капиллярных трубок закрепляют в резиновой пробке микроколбы Бунзена (см. рис. 22), присоединенных к водоструй­ному насосу (см. рис. 258). Вместо колбы Бунзена применяют устройство, представленное на рис. 313,в, у которого воронка 1 имеет фильтрующую пористую стеклянную пластинку 2. Если нужно собрать фильтрат, то применяют прибор, состоящий из

двух микропробирок 1 и 2 (рис. 313,г). Резиновый шланг 5 этого Прибора присоединяют к водоструйному насосу.

В последних двух приборах фильтровальную трубку 2 устана­вливают так, чтобы микропробирку 7 можно было поднимать и опускать. Фильтровальную трубку сначала погружают в верх­нюю часть раствора. По мере отсасывания жидкости трубку по­степенно опускают.

Налет осадка на фильтре тщательно счищают микрошпателем (см. рис. 308,6), а на внутренние стенки микропробирки по кап­лям выливают небольшое количество растворителя, чтобы смыть на дно прилипшие частички осадка. Затем фильтрование возоб­новляют и частички твердой фазы подобным образом промы­вают еще раз. Трубка 3 с краном (рис. 315,в) нужна для впуска воздуха в приемник 5 после отключения вакуума краном на трубке 4.

Центрифугирование. Твердую и жидкую фазы разделяют центрифугированием с использованием микропробирок с оття­нутым концом (см. разд. 9.4). В результате центрифугирования осадок заполняет узкую часть пробирки. Находящуюся над ним жидкость удаляют баллончиком или капиллярной пипеткой (см. рис. 312,а).

Вместо капиллярных баллончиков применяют и ряд других приспособлений. Одно из них состоит из двух микропробирок 1 и 4 (рис. 316,а). В одну из них вставляют трубку 2 с капилляр­ным концом и закрепляют кольцом 3 из фильтровальной бумаги (два-три слоя). Затем надевают на пробирку 4 более широкую пробирку 7, переворачивают весь прибор и помещают в патрон центрифуги. В процессе центрифугирования осадок, находя­щийся в пробирке 4, отфильтровывается через кольцо 3 в про­бирку 7. Для промывания осадка прибор вынимают из центри­фуги, удаляют из пробирки 1 фильтрат, и в трубку 2 вводят промывную жидкость, которая, пройдя капилляр, собирается в пробирке 4. Затем надевают снова пробирку 1, переворачивают прибор и центрифугируют.

с приплавенными трубками (в) и прибор Скау (г)

Можно приплавить друг к другу две трубки, одна из которых оканчивается капилляром 3 (рис. 316,в). Над капилляром поме­щают слой кашицы 2 из фильтровальной бумаги. Такое устрой­ство перед фильтрованием центрифугируют 15 - 20 с для уплотнения бумажной массы, а затем уже вносят в трубку 1 суспен­зию и центрифугируют 1 - 2 мин. Фильтрат отделяют, удалив пробку из трубки 4. Осадок промывают добавлением в трубку 7 одной-двух капель растворителя и последующим центрифугиро­ванием.

В приборе Скау (рис. 316,г) на иглу перфорированной шляпки 2 надевают кружок фильтровальной бумаги 3, который вместе со шляпкой зажимают колпачком 1, надвинутым на шлиф пробирки 4. После этого прибор переворачивают, и сус­пензию, находящуюся в пробирке 4, центрифугируют 1-2 мин. Маточный раствор стекает в колпачок 1, а на кружке фильтро­вальной бумаги 3 остается плотный слой осадка твердой фазы. Для его промывки колпачок осторожно снимают, выливают из него фильтрат, извлекают иглу с фильтром и осадком, в пробирку 4 заливают 1 - 2 мл промывной жидкости, осторожно вставляют иглу с фильтром и осадком на место, надевают колпачок, переворачивают прибор и снова центрифугируют.

Для центрифугирования применяют ручную или механи­ческую центрифуги с числом оборотов от 2000 до 5000 об/мин (см. разд. 9.4).

Перегонка малых количеств жидкости и возгонка (сублимация) крупинок вещества подчиняются тем же закономерностям, что и аналогичные процессы с использованием больших объемов жидкостей и масс твердых веществ (см. разд. 7.6 и 8.4). Отличие заключается только в необходимости применения миниатюрных приборов с более надежным соединением их узлов во избежание потерь вещества и преимущественном использовании термо­пар и термисторов для контроля за температурой процессов.

Для перегонки колбу помещают в небольшую жидкостную баню, температура в которой поддерживается на 20 - 30 °С выше температуры кипения перегоняемой жидкости. Вакуум при перегонке увеличивают постепенно, иначе возможен переброс жидкости из колбы в воротник. Термометр 5 - укороченный темометр Аншютца с возможно меньшим ртутным резервуаром. Если жидкости меньше 100 мг, то перегонку проводят с исполь­зованием термопары или термистора (см. разд. 5.5 и 5.6). Разде­лительная способность такого прибора очень мала.

Перегонка жидкости объемом 1 - 5 мл возможна в приборе, состоящем из пробирки 2 (рис. 317,6), воздушного конденсатора 4 и микропробирки 5. Капилляры 1 предотвращают вскипание перегоняемой жидкости, а термометр 3 контролирует темпера­туру пара.


Рис. 317. Микродистилляторы с "воротником" (а), с воздушным холо­дильником (б), с колбой Вюрца (в), с вертикальной трубкой (г) и с капил­лярной колонкой (д):

д: 1 - конденсатор; 2 - нихромовая про­волока; 3 - термометр; 4 - теплоизолирующая рубашка; 5 - колонка; б - вакуумная рубашка; 7 - колба; 8 - капилляр; 9 - электронагрева­тель
Перегонку 10 - 15 мл жидкости проводят, используя микро­колбу Вюрца 2 (рис. 317,в). Конденсат собирают в приемнике 5, снабженном пальчиковым холодильником 4. Пробка приемника имеет прорезь для сообщения с атмосферой. Нагревают колбу пламенем микрогорелки (см. рис. 305), передвигая его под кол­бой так, чтобы пар поднимался очень медленно и столбик ртути термометра 1 достиг отводной трубки до начала образования конденсата. К концу перегонки во избежание перегрева жид­кости скорость получения конденсата доводят до 0,2 -0,3 мл/мин. Тампон 3 из стеклянной ваты предотвращает вскипа­ние жидкости.

Фракционная перегонка. Если в приборе с колбой Вюрца (рис. 317,в) заменить приемник 5 на алонж 6 с микропробиркой 7, то можно проводить фракционную перегонку, отбирая порции

конденсата. Расстояние между стенкой алонжа-холодильника и стенкой пальчикового холодильника 4 не должно быть более

2 мм.

Для фракционной перегонки 3 - 8 мл жидкости применяют колбу 2 (рис. 317,г) с вертикальной трубкой, имеющей на конце шарик-приемник жидкости 4. Емкость колбы около 10-12 мл. Колбу нагревают в жидкостной бане Л Боковая трубка 3 служит для ввода перегоняемой жидкости, а вертикальная является де­флегматором (см. рис. 162). Шарик 4 при перегонке охлаждают куском мокрой фильтровальной бумаги. Полученный конденсат отбирают из шарика при помощи баллончика и подвергают повторной фракционной перегонке уже в трубках Эмиха или Мортона (см. ниже).

Металлическую трубку 3 нагревают либо в жидкостной бане, либо в металлическом блоке, либо на микрогорелке 4. В любом случае трубку 3 с пробиркой 1 держат под углом 45°, постоянно вращая, пока в суженном месте не появится первая микрокапля. После этого нагревание прекращают, трубку с пробиркой кладут горизонтально на асбестовый лист и отбирают конденсат баллончиком для определения температуры кипения отогнан­ной фракции. Остаток капли сбрасывают на дно пробирки, сно­ва ее центрифугируют и повторяют перегонку до прекращения испарения жидкости. Таким образом можно получить несколько фракций конденсата и определить их температуры кипения.

Модификацией трубки Эмиха является трубка Мортона I (рис. 318,6). Она имеет длину 60 - 70 мм и диаметр 1,5 - 2,0 мм-Трубка сужена в верхней части до 0,2 мм на расстоянии 20 мм от верхнего конца. Внизу трубка раздута в небольшой шарик 5.



Рис. 318. Трубки Эмиха (а) и Мортона (б)
Трубку заполняют мелко растертой стеклянной ватой. Одну-три капли перегоняемой жидкости помещают в трубку центрифуги­рованием. Затем трубку погружают в асбестовый патрон 3 ме­таллического блока 4 с контрольным термометром 6. Часть трубки выше сужения обматывают полоской 2 фильтровальной бумаги, смоченной водой и действующей как холодильник. Ме­таллический блок медленно нагревают, пока в суженном месте трубки не появится первая микрокапля. Ее засасывают . баллончиком и определяют температуру кипения по Сиволо-бову (см. разд. 8.7). Остаток капли центрифугированием перево­дят на дно трубки и вновь ее нагревают. Так удается одну каплю I жидкости разделить почти на 10 фракций.

Эмих Фридрих Петер (1860 - 1940) - австрийский химик-аналитик, один из создателей количественного микрохимического анализа.

Мортон Эвери (1892 - 1970) - американский химик-органик.
Перегонка микроколичеств вещества с водяным паром. Под­робности технического исполнения этого метода рассмотрены в разд. 8.4 для больших объемов жидкости.

В приборе Поцци - Эскота (рис. 319,а) генератором пара яв­ляется колба 2. Водяной пар через отверстие 4 и связанную с ним трубку проходит через жидкость, находящуюся в шарооб­разном сосуде 3 и уносит из нее целевые компоненты. В дели­тельной воронке 6 удаленная жидкость и вода разделяются на Две фазы. Отросток 5 служит для добавления воды, нагреваемой плиткой 1.

В приборе Черониса (рис. 319,6) парогенератором служит кол­ба 2, а перегоняемая жидкость находится в пробирке 4, из которой вместе с водяным паром уносится в приемник 6, снабженный пальчиковым холодильником 5. Трубка 1служит для вы­равнивания давлений вне и внутри колбы 2. Для этой же цели в пробке приемника 6 делают прорезь. Капилляры 3 обеспечи­вают равномерное кипение воды.


Рис. 319. Паровые микродистилляторы Поцци - Эскота (а), Черониса (б) и Золтиса (в)
Прибор Золтиса (рис. 319,в) мало чем отличается от предыдущих. Перегоняемая жидкость находится в шарике 3, имеющем отводную трубку 1, к которой присоединяют любой приемник двух жидких фаз. Водяной пар из колбы 2 попадает в шарик 3 через воронку 4.

Возгонку (сублимацию) 1 - 2 г вещества осуществляют в ваку­уме с помощью приборов, изображенных на рис. 320.

В пробирочном сублиматоре 4 (рис. 320,а) десублимат 3 кри­сталлизуется на пальчиковом холодильнике 1. Возгоняющееся вещество 5 помещают на дно пробирки, которую нагревают ли­бо в жидкостной бане, либо пламенем микрогорелки. Трубка 2 связывает пробирку с атмосферой.

В сублиматоре с охлаждающим патроном 1 (рис. 320,6) го­ловка патрона пришлифована к пробирке 4 и имеет отверстия для сообщения с вакуумом через трубку 2. Возгоняемое веще­ство 5 находится в углубленной части пробирки. В таком прибо­ре десублимат 3 при снятии не загрязняется смазкой шлифа.

Возгонку 10 мг тщательно растертого неизвестного вещества в приведенных выше приборах проводят следующим образом. Вещество 5 помещают на дно пробирки 4. Нагревание ведут в неглубокой жидкостной бане, погружая пробирку на 5 - 6 мм. Создают вакуум порядка 5-20 торр (650 - 2700 Па). Температу­ру в бане постепенно повышают до 45 - 50 °С и держат на этом уровне около 30 мин. Если на нижней части холодильника не образуется даже легкой пленки десублимата 3, температуру повышают последовательно на 10 - 15 °С.

Рис. 320. Микросублиматоры: пробирочный (а), с охлаждающим патроном (б),

с капиллярной трубкой в), Золтиса (г) и Эдера (д)
При каждой новой тем­пературе вещество выдерживают 30 мин до возможного появле­ния налета десублимата. После образования около 1 мг десуб­лимата откачку воздуха постепенно прекращают и часть кри­сталлов 3 с холодильника счищают острым краем микрошпателя на предметное стекло для изучения под микроскопом и опреде­ления температуры плавления. Холодильник обмывают тонкой струей растворителя на часовое стекло для выпаривания. Затем возгонку повторяют, получая и исследуя остальные фракции десублимата до установления природы возгоняемого вещества.

Сублимацию 10 - 100 мг известного вещества для его очистки проводят в трубке 1(рис. 320,в) с капиллярным концом 6, по­мещенной в металлический блок 3 с электрообогревом. В месте перехода трубки в капилляр располагают тампон 5 из чистого прокаленного асбеста. После внесения вещества 4 трубку запаи­вают в месте сужения. При нагревании трубки вещество возго­няется в капилляр, который затем отрезают и запаивают для последующего анализа вещества или определения его темпера­туры плавления. Температуру блока 3 регулируют по показанию термометра 2.

Возгонку небольшого количества вещества в токе инертного газа проводят в приборе Золтиса (рис. 320,г). Прибор состоит из стеклянной трубки 2 длиной 100- 140 мм и диаметром 10- 12 мм с впаянной пористой стеклянной пластинкой 6. На эту плас­тинку помешают 5 - 30 мг вещества 5, а сверху вставляют там­пон 3 из прокаленного асбеста (см. разд. 1.5) для защиты ве­щества от аэрозоля, поступающего с инертным газом через ка­пилляр 1. Трубку 2 нагревают в трубчатой печи 4. Струя инерт­ного газа должна быть такой, чтобы не допустить диффузии пара вещества через асбестовый тампон. Обычно расход газа под­держивают на уровне 50 - 100 мл/мин. Трубка 8 служит для вы­хода инертного газа. Десублимат снимают с пальчикового холо­дильника 7.

Для возгонки вещества в вакууме используют простой прибор Эдера (рис. 320,д). Пробирка 2 имеет в нижней части выступ длиной 10 мм и диаметром 3 - 4 мм для помещения сухого тон­ко растертого возгоняемого вещества 4. При возгонке десубли­мат оседает на круглой стеклянной пластинке 3, лежащей на слое стеклянной ваты выше уровня жидкости в бане 5. По окончании возгонки пластинку извлекают и десублимат счи­щают шпателем. Пробирку нагревают в жидкостной бане 5 с термометром 6, а вакуум перекрывают краном 1.

Выбор прибора для экстракции микроколичеств вещества из жидкой фазы определяется в первую очередь его массой. Наи­более простым прибором является делительная воронка Горбаха (рис. 321,а), называемая еще "аистов клюв". Ее вместимость 2 -4 мл, длина 50 - 70 мм. После засасывания раствора и экстрагента воронку встряхивают, закрыв пальцем верхнее отверс­тие капилляра. Для того чтобы слить более тяжелую жидкость, воронку держат вертикально, если же хотят удалить из нее более легкую жидкость, то держат наклонно.

Для извлечения примесей из нескольких капель жидкости применяют простой капилляр. Капли жидкости всасывают в капилляр соответствующей длины, затем им же набирают экстрагент. Оба конца капилляра запаивают, и жидкости центрифу­гируют, чтобы тяжелая жидкость проходила через легкую. Эту операцию повторяют несколько раз, переворачивая капилляр. Для разделения слоев жидкостей капилляр разрезают по по­верхности раздела, либо отрезают концы и, наблюдая в лупу за поверхностью раздела, выталкивают необходимую жидкость избыточным давлением.



Рис. 321. Микроэкстракторы: Горбаха (а), капиллярный (б), Вазицкого (в) и Колгрейва (г)
Капиллярный экстрактор 2 с расширениями 3 (рис. 321,6) ра­ботает по принципу однократного экстрактора и может быть использован при работе с растворителями как тяжелее, так и легче воды. Им засасывают из микропробирки 4 каплю очищае­мой жидкости, а затем каплю экстрагента. Перемешивание осу­ществляют вращением капилляра вокруг горизонтальной оси. Слои жидкости извлекают, создавая избыточное давление не­большим отрезком резиновой трубки 1. Расширения 3 позволя­ют контролировать движение разделяемых фаз и последователь­но удалять их из экстрактора.

Для экстракции поверхностных примесей с тщательно рас­тертой твердой фазы применяют приборы Вазицкого (рис. 321,в) и Колгрейва (рис. 321,г), принцип работы которых тот же, что и аппарата Сокслета (см. рис. 223). В том и другом приборе твердую фазу помещают в стакан 3 либо с перфорированным дном 4, либо с сифоном 5 и через слой этой фазы пропускают конденсат растворителя-экстрагента с пальчикового холодиль­ника 1. На дне сосуда 2 кипит подогреваемый растворитель.

Для экстракции примесей из объемов жидкости в 1 мл при­меняют прибор Кирка (рис. 322,6). Жидкость и растворитель примесей помещают в пробирку 5 и при помощи вакуума через трубку 2 и трехходовой кран 4 переводят в сосуд 3 для экстрак­ции. Через трубку 1 с капиллярным концом продувают воздух для перемешивания жидких фаз, затем трехходовой кран пере­крывают.

Если растворителя не более 20 мл, а твердой фазы 1 - 5 г, используют экстрактор Барренштейна (рис. 322,г). Конденсат растворителя из холодильника 1 стекает в сосуд 2, в котором над стеклянным "гвоздем" 3 находится слой очищаемого ве­щества. Проходя этот слой, растворитель извлекает примеси, находящиеся на поверхности твердых частиц. В колбе 4 идет регенерация растворителя - его пар снова попадает по трубке 5 в холодильник 1.

Определение температур плавления небольших количеств твер­дой фазы капиллярным методом рассмотрено в разд. 7.8 (рис. 145 и 146), а температур кипения жидкостей - в разд. 8.7, где приведен на рис. 174,6 прибор Сиволобова. В том и другом слу­чаях для определения этих физических констант требуется всего 20 - 50 мг вещества. Ниже рассмотрена другая лабораторная техника.

Самый простой блок (нагревательный столик) применяют для определения температуры плавления вещества в интервале 30 -200 °С. Электронагревателем служит медное кольцо 6 (рис. 323,а), на котором расположен плоский стеклянный сосуд 3 с прозрачным силиконовым маслом. В центре верхней поверхности сосуда находится углубление для размещения нескольких кристалликов вещества, закрытое сверху покровным стеклом 2. В сосуд введена термопара 4, откалиброванная в дан­ном блоке по реперным веществам (см. разд. 5.6). Медное коль­цо теплоизолировано от столика микроскопа 7 асбестовой прокладкой 5.

Температуру плавления вещества отмечают в тот момент, I когда грани и углы кристаллов, рассматриваемые в микроскоп 1, начинают расплываться и появляются первые микрокапли жидкой фазы.

Блок с теплоизоляционной камерой 3 (рис. 323,6) имеет два покровных стекла 6, между которыми располагают кристаллы вещества 7 и спай термопары 5, изготовленной из тонкой проволоки диаметром 0,10-0,15 мм. Место спая и вещество находят­ся в поле зрения исследователя (микроскоп 1). Зазор между по­кровными стеклами составляет всего 0,2 мм. Сверху и снизу покровных стекол располагают электронагреватели 4 либо в виде медных колец, имеющих по бокам отростки с нихромовой спиралью, либо в виде кольцевой кварцевой трубки с такой же спиралью. В интервале предполагаемой температуры плавления вещества скорость нагрева снижают до 4 - 6 °С/мин.


Рис 323 Блоки для определения температур плавления веществ под микроско­пом (а - в).

Капилляр Эмиха (г) и капилляр для определения плотности ве­щества (д)

При медленном нагревании бани пузырек поднимается и до­стигает уровня жидкости в бане в тот момент, когда термометр показывает тепературу кипения жидкости, находящейся в ка­пилляре. При первых признаках движения пузырька или стол­бика жидкости вверх нагревание бани прекращают. Для провер­ки полученного значения температуры кипения баню охлаждают на 10 - 15 °С и снова медленно нагревают. В полученное значе­ние температуры кипения вводят поправку на атмосферное дав­ление (см. разд. 8.7).

Гарсиа предложил обходиться без пузырька воздуха. По его методу жидкость в капилляр вносят баллончиком и переводят ее в запаянную часть капилляра центрифугированием. Затем капилляр, прикрепленный к термометру, погружают в баню, которую медленно нагревают до тех пор, пока на открытом конце капилляра не образуется капля жидкости, после чего на­гревание прекращают, чтобы капля затянулась в капилляр.

Температура, при которой мениск жидкости в капилляре совпадает с уровнем жидкости в бане, принимают за температу­ру кипения жидкости, введенной в капилляр. В этом методе пространство ниже капли полностью заполнено паром жид­кости, что более приближается к условиям равновесия между паром и жидкостью, чем в присутствии воздуха.

Определение плотности малых количеств твердых и жидких веществ проводят преимущественно двумя методами: методом смещения мениска в капилляре и флотационным методом. Обычный пикнометрический метод определения плотности не может быть применен из-за больших ошибок, связанных с влиянием поверхностного натяжения при измерении объемов небольших (5-10 мг) масс вещества.

Перед началом измерения вытягивают серию узких тонко­стенных капилляров (см. разд. 1.1), внутренний диаметр кото­рых чуть больше размера крупинки исследуемого вещества. По­лученные капилляры проверяют под микроскопом, снабженным окулярным микрометром, на цилиндричность. Отбирают капил­ляры с круглым сечением и измеряют их диаметр на расстоянии 5 - 10 мм от заплавленного конца. В этом интервале диаметр должен быть одинаков. На отобранном капилляре на расстоя­нии 2 - 3 мм от заплавленного конца наносят с помощью алма­за царапину 4 (рис. 323,д). Крупинку исследуемого вещества взвешивают на весах Сальвиони (см. рис. 73,в), Фольмера (см. рис. 73,г) или Цейтена (см. рис. 73,д). Затем в капилляр наби­рают жидкость, не растворяющую образец и не взаимодей­ствующую с ним, в количестве, достаточном для образования в капилляре столбика высотой 3-4 мм. С помощью центрифуги опускают столбик жидкости к заплавленному концу 1 капилля­ра. После центрифугирования мениск жидкости 5 должен быть расположен вблизи метки 4. Измеряют расстояние мениска от метки окулярным микрометром микроскопа. Взвешенную кру­пинку 2 вносят в капилляр и центрифугированием опускают ее к заплавленному концу. Вновь измеряют расстояние между ме­ниском и меткой. Зная диаметр капилляра, а следовательно, и его сечение, а также смещение мениска, вычисляют объем кру­пинки вещества. По ее массе и объему находят плотность ве­щества.

Погрешность определения смещения мениска составляет не более 5%, а погрешность определения плотности вещества этим методом может достигать 10% из-за отклонения сечения капил­ляра от правильного круга.

Флотационный метод определения плотности состоит из сле­дующих операций. Пробирку длиной 50 мм и диаметром 8 мм наполняют на 1/3 объема жидкостью, плотность которой намно­го больше или меньше плотности исследуемого вещества и с ним не взаимодействует, а также практически не растворяет вещество (проверяют опытным путем). В табл. 44 приведен пе­речень наиболее часто используемых флотационных жидкостей. Затем в пробирку опускают несколько частиц грубого по­рошка или каплю исследуемой жидкости. В зависимости от то­го, всплывет частица или потонет, добавляют небольшими пор­циями соответственно более тяжелую или более легкую флота­ционные жидкости, каждый раз тщательно перемешивая смесь вручную небольшой стеклянной мешалкой (см. рис. 308,а). Ме шалку погружают до дна пробирки и вращают большим и указа­тельным пальцами.
Таблица 44. Флотационные жидкости

Жидкость	Плотность, г/см3. 20 °С	Температура кипе­ния, 0С	Жидкость	Плотность, г/см3, 20 °С	Температура кипе­ния. 0С
Тетрабромметан СВг4	3,42	189.5(с разл.)	Нитробензол С6Н5М02	1,2082	210,8
Метиле ниодид СН212	3,325	181 (с разл.)	Хлорбензол С6Н5С1	1,1063	131,6
Тетрабромэтан С2Н2ВГ4	2.964	151 (54 торр)	Дибутилфталат С6Н4(СООС4Н9)2	1.045	340 (с разл.)
Бромоформ СНBr3	2,8919	149,6	о- Ксилол С6Н4(СНз)2	0,8802	144,4
Иодбензол С6Н51	1,824	188,6	Бензол С6Н6	0,879	80,1
Бромбензол С6Н5Вг	1,4951	156,1	Толуол С6Н5СН3	0,8669	110,6
1 -Хлорнафталин C6Н7С1 .	1,1938	259,3

Если плотность жидкой флотационной сме­си оказывается точно равной плотности частицы, то она будет находиться во флотационном равновесии - не всплывать и не тонуть. Такое равновесие считается достигнутым, когда отдель­ные частицы тонут, но большее их число медленно всплывает. В процессе измерения плотности температура флотационной жид­кости не должна изменяться. Поэтому пробирку помещают в химический стакан с термометром, а находящаяся в нем вода должна непрерывно циркулировать через термостат. Пробирка же между перемешиваниями должна быть закрыта пришлифо­ванной пробкой.

После установления флотационного равновесия отбирают часть флотационной жидкости и пикнометрическим или гидро­статическим методами (см. разд. 4.6) определяют ее плотность, которая и будет плотностью исследуемого вещества.
РЕКОМЕНДУЕМАЯ ЛИТЕРАТУРА

Черонис Н. Микро- и полумикрометоды органической химии. М.: Издатинлит, 1960.

Лабораторная техника органической химии/Под ред. Б. Кейла. М.: Мир, 1966.