Нагревание и охлаждение
Подводом или отводом тепла достигаются перегонка, возгонка, образование и затвердевание расплавов, вымораживание, кристаллизация и т. п. Нагревание и охлаждение являются важнейшими средствами регулирования скорости и направления протекания реакций. Охлаждение необходимо для получения, выделения и хранения нестойких веществ, легко изменяющихся при комнатной температуре, а также для растворения газообразных веществ в жидкостях, получения сжиженных газов и т. п.
Здесь рассматриваются общие приемы нагревания и охлаждения и оборудование для выполнения этих операций. Специальные приемы нагревания и охлаждения описаны в других главах.
Лабораторные электронагревательные приборы
Наибольшее распространение в лабораторной практике находят электрические нагревательные приборы. В отличие от приборов с другими источниками нагрева, они имеют следующие преимущества: точная регулировка количества подводимой тепловой энергии и легкость автоматического поддержания температуры; равномерный нагрев всего рабочего пространства; отсутствие в рабочем пространстве продуктов горения; простота обслуживания.
По способу преобразования электрической энергии в тепловую лабораторные нагревательные приборы преимущественно относятся к приборам сопротивления. Действие таких приборов основано на выделении теплоты при прохождении тока по нагревательному элементу, выполненному из проводников с большим омическим сопротивлением. Количество теплоты, выделяемой в нагревателе, и, следовательно, его температура, возрастают тем значительнее, чем больше сила тока, протекающего по проводнику, и чем больше сопротивление проводника.
Для каждого нагревательного прибора, в зависимости от материала нагревателя и его сечения, а также от условий теплоотдачи, существует предел силы тока, превышать который не следует во избежание перегрева нагревателя.
Мощность нагревателей рассчитана на разогрев и поддержание максимального температурного режима в рабочем пространстве. При необходимости установить более низкую температуру количество подводимой к нагревателю энергии должно быть уменьшено регулятором напряжения.
Питание электронагревательных приборов производится от сети переменного тока напряжением 127/220 В.
Различаются два типа нагревателей: открытый, расположенный в рабочем пространстве, и закрытый, - вне рабочего пространства.
Характер теплообмена между нагревателями и нагреваемым материалом зависит от типа прибора и его температурного режима. В высокотемпературных приборах при повышении температуры рабочего пространства тепловая энергия передается главным образом излучением нагревателей или стенок рабочего пространства, и, частично, путем конвекции и теплопроводности.
В низкотемпературных приборах (сушильных шкафах и термостатах) материал нагревается, главным образом, благодаря конвекции движущегося нагретого воздуха. Поэтому для равномерного нагрева должна быть обеспечена циркуляция воздуха внутри рабочего пространства.
В печах (электрошкафах), в рабочем пространстве которых создан вакуум, теплопередача конвекцией отсутствует, и материал нагревается только излучением.
В жидкостных термостатах равномерный теплообмен обеспечивается принудительной циркуляцией с помощью мешалок, имеющих привод.
Электропечи сопротивления
Лабораторные печи сопротивления подразделяются на камерные (СНОЛ), трубчатые (СУОЛ) и шахтные (СШОЛ). К электропечам сопротивления относятся также сушильные электрошкафы типа СНОЛ.
Основные технические показатели электропечей сопротивления - размеры рабочего пространства, максимальная температура нагрева и пределы диапазона регулирования температуры.
Для обеспечения безопасности работающих в лаборатории металлические части электроустановок и корпуса электрооборудования должны быть заземлены. Работа с незаземленными электропечами запрещается. Каждый заземляемый элемент установки должен быть присоединен к заземлителю с помощью отдельного ответвления. Последовательное включение в заземляющий проводник нескольких заземляемых частей установок запрещается. Нельзя использовать для заземления водопроводную сеть или сеть парового отопления.
В настоящем разделе будут рассмотрены лишь некоторые электронагревательные приборы, наиболее часто используемые в химических лабораториях.
Электропечи сопротивления камерные лабораторные типа СНОЛ предназначаются для проведения различных термических процессов и аналитических работ в стационарных условиях до 900-1100 °С.
Печи состоят из металлического корпуса, в верхней части которого находится рабочая камера, в нижней - пусковая и контрольно-регулировочная аппаратура. Рабочее пространство электропечей образуется разъемными огнеупорными фасонами. Пространство между фасонами и корпусом заполнено теплоизоляцией. В пазах фасонов установлены четыре спиральных нагревателя, соединенных последовательно между собой. Контроль и регулирование температуры осуществляются показывающим и регулирующим прибором, который связан с термопарой, установленной в нагревательной камере.
Современные образцы печей типа СНОЛ выгодно отличаются от ранее выпускавшихся муфельных печей более точной автоматической регулировкой температуры (±10 °С).
Электропечи сопротивления трубчатые лабораторные типа СУОЛ предназначены для проведения различных термических процессов в лабораторных условиях при температуре до 1250 °С. Электропечь состоит из камеры нагрева и пульта управления. Рабочее пространство образовано внутренней поверхностью керамической трубы, на наружную поверхность которой намотан проволочный нагреватель из сплава высокого омического сопротивления, обмазанный термостойкой массой. Чтобы нагреватель не контактировал с материалом теплоизоляции, блок нагревателя вставляется в другую керамическую трубу большего диаметра. Теплоизоляция электропечи двухслойная, выполнена из кремнеземистых матов и перлитовой крошки. Корпус электропечи выполнен из листовой стали и с внутренней стороны обложен асбестовыми прокладками. Для предохранения от случайного прикосновения к горячему корпусу электропечь снабжена защитным фальшкожухом.
Автоматическое поддержание и регулирование температуры в диапазоне 400-1250 °С, с точностью ±10°С осуществляется показывающим и регулирующим милливольтметром от термопары, установленной в пространстве между нагревателем и защитной керамической трубой.
Электропечи сопротивления шахтные лабораторные типа СШОЛ предназначены для плавки металлов и термообработки различных материалов при температуре до 1250°С в лабораторных условиях. Электропечи состоят из прямоугольного корпуса, выполненного из тонколистовой стали, в котором размещены камеры нагрева и блок управления. Точность автоматического регулирования температуры ±2°С.
Малогабаритные тигельные печи являются разновидностью электропечей типа СШОЛ и служат для тех же целей. О температуре тигельной печи (в °С) можно судить приближенно по цвету нагретого муфеля:
Электропечи для элементного микроанализа
Электропечи сопротивления трубчатые лабораторные типа СУОЛ предназначены для элементного микроанализа органических соединений и служат для нагрева кварцевых трубок и сожжения находящихся в них органических соединений.
Электропечи входят в комплект приборов для элементного микроанализа органических соединений АКОМ-5 для определения углерода и водорода (ПМУВ); углерода, водорода и фтора (ПМУВФ); кислорода и галогенов (ПОМКГ); азота по Дюма (ПМА).
Электропечь для микроанализа типа СУОЛ представлена на рис. 81. Температура в печи регулируется вручную при помощи регулятора напряжения. Контроль температуры в рабочей камере осуществляется посредством термопары ПП-1, вводящейся через торцовую стенку электропечи в спиральный нагреватель, и показывающего прибора.
В табл. 5 приведены технические данные трубчатых электропечей для элементного микроанализа.
Сушильные электрические шкафы
Сушильные электрические шкафы предназначены для сушки различных материалов, определения влажности твердых материалов, суховоздушной стерилизации стеклянной и металлической посуды и других работ, требующих нагревания до 100-350 °С и автоматической регулировки температуры с точностью ±2-3 °С. Они представляют собой теплоизолированные металлические камеры прямоугольной или круглой формы с полками для просушиваемых материалов.
Обогрев сушильных шкафов производится нагревателями открытого или закрытого типов.
Тепло от нагревателя открытого типа к высушиваемому материалу передается, в основном, конвекцией, поэтому материал следует располагать на полках, оставляя пространство для беспрепятственной и равномерной циркуляции воздуха. Подвод сухого воздуха в сушильный шкаф и удаление продуктов испарения происходит через отверстия, имеющие регулировочные заслонки.
Во всех сушильных шкафах заданная температура поддерживается автоматически с помощью терморегулятора. Нагреватель сушильных электрических шкафов рассчитан на рабочее напряжение 220 В. Включение на большее напряжение не допускается.
Шкаф сушильный электрический круглый модели 2В-151 представлен на рис. 82. Пределы регулирования температуры от 40 до 200 °С с точностью ±1 °С.
Рабочая камера обогревается основным нагревателем, намотанным на наружной поверхности камеры на изолирующей прокладке из листового асбеста, и дополнительным нагревательным элементом, расположенным на задней стенке камеры. Пространство между корпусом и рабочей камерой заполнено стекловатой.
Для автоматического поддержания температуры шкаф снабжен терморегулирующим устройством, которое состоит из механической и электрической частей. Действие механической части основано на использовании различного температурного удлинения алюминиевой лодочки и стального стержня. Верхний конец стального стержня прикреплен к лодочке, а нижний воздействует на контактную пластину, размыкая контакты при повышении температуры в рабочей камере. Замыкание контактов при понижении температуры в рабочей камере происходит под действием пружины. Для удобства регулировки верхний конец стержня выведен в отверстие наружного корпуса, которое закрывается пробкой. В нижней части рабочей камеры имеется отверстие для притока воздуха.
Электрическая часть терморегулирующего устройства расположена в подставке шкафа. На передней стенке подставки расположены сигнальная лампа, выключатель, предохранители и ручка терморегулятора со шкалой. Шкала служит для ориентировки при настройке работы шкафа на требуемую температуру. В процессе работы можно установить, какое деление шкалы соответствует определенной температуре в рабочей камере (по наружному термометру). Сигнальная лампа зажигается при нагревании шкафа.
Шкаф сушильно-стерилизационный ШСС-80п представлен на рис. 83. В корпусе шкафа расположена рабочая камера объемом в 80 л, в которой установлены полки для обрабатываемых предметов и нагревательные элементы. Дверь корпуса, закрывающая рабочую камеру, снабжена теплоизоляцией и уплотнением. В верхней части корпуса находятся втулки для установки термометров. Во втулках имеются отверстия для выхода паров в процессе сушки.
В пульте управления смонтированы электронный терморегулятор на транзисторах и схема коммутации нагревательных элементов. В задней стенке кожуха пульта имеется люк для доступа к предохранителям. В верхней части лицевой панели пульта расположена розетка для подключения электроконтактного термометра. На лицевой панели находятся кнопки включения и выключения шкафа, кнопка ускоренного нагрева и сигнальные лампы.
При сушке материалов, для которых температура нагрева ограничена из-за разложения вещества, а также при необходимости ускорить процесс сушки, применяются электрические шкафы, в рабочем пространстве которых создается и поддерживается вакуум механическим вакуум-насосом.
Для сушки и нагревания различных материалов в вакууме при температуре от 80 до 200 °С используется вакуум-шкаф ВШ-0,035М (рис. 84), Рабочая камера нагревается переменным током напряжением 220 В. Нагревательный элемент намотан на внешней поверхности рабочей камеры, закрывающейся крышкой, имеющей уплотнение из резины. Место соприкосновения резины с рабочей камерой охлаждается проточной водой через трубку. Расход воды составляет 50-60 л/ч. Термометр устанавливается в снабженный вакуумным уплотнением патрубок. Остаточное давление в рабочей камере замеряется стрелочным вакуумметром, шкала которого выполнена в относительных единицах. При остаточном давлении 1,33 кПа (10 мм рт. ст.) стрелка вакуумметра должна находиться около цифры 1. По окончании работы воздух вводится в рабочую камеру игольчатым краном, расположенным в ее центре. Температура регулируется автоматически с помощью терморегулятора дилатометрического типа. Схема установки шкафа в лаборатории изображена на рис. 85.
Термостаты
Термостаты - электронагревательные приборы, в рабочем пространстве которых с высокой точностью поддерживается определенная температура. В зависимости от среды, заполняющей термостат, они подразделяются на воздушные и жидкостные.
Воздушные термостаты предназначены для проведения различных работ в интервале температур 20-80 °С. Рабочее пространство воздушного термостата, в которое загружаются исследуемые материалы, представляет собой прямоугольную камеру, часто имеющую водяную рубашку. Температура внутри термостата регулируется нагревом водяной рубашки, в которой размещаются водонепроницаемые электронагреватели. Это обеспечивает равномерное распределение температуры по всей поверхности стенок камеры термостата. Заданная температура с точностью +0,1 °С поддерживается терморегулятором.
Жидкостный термостат представляет собой бачок, наполненный рабочей жидкостью (вода, масло). Теплота подводится нагревателем, а отводится холодильником, расположенными в жидкости. Постоянная температура в рабочем пространстве обеспечивается перемешиванием жидкости пропеллерной мешалкой, приводимой в движение электродвигателем, и поддерживается автоматически с помощью терморегулятора.
Аппараты и сосуды, в которых нужно поддерживать постоянную температуру, погружают в рабочую жидкость. Можно также подавать рабочую жидкость по трубкам из термостата в другие аппараты и сосуды для поддержания в них постоянной температуры (например, в рефрактометрах, вискозиметрах и т.п.).
Электрический термостат 3Ц-1125М с водяной рубашкой состоит из каркаса, внутренней и наружной дверей, блока управления и подставки. Внутри каркаса установлена рабочая камера с водяной рубашкой. Объем воды в рубашке 96 л. В нижней части водяной рубашки расположены электронагреватели. Устанавливается термостат на подставке из стальных труб. Термостат снабжен терморегулятором. Диапазон автоматически регулируемых температур 28-55°С, точность ±0,5 °С.
Ультратермостат УТ-15 представлен на рис. 86. Режим работы автоматический. Объем рабочего сосуда не менее 15 л. Диапазон рабочих температур 0-150 °С, точность ±0,5 °С.
Для работы при температуре ниже температуры проточной водопроводной воды в комплект ультратермостата входит специальное устройство - охладитель. В качестве хладоносителя используются лед или твердый диоксид углерода («сухой лед»). Рабочая жидкость охлаждается за счет перекачивания ее через змеевик, установленный в сосуде с хладоносителем.
Состав рабочей жидкости зависит от заданной температуры термостатирования:
Корпус ультратермостата должен быть надежно заземлен. Категорически запрещается включение ультратермостата в сеть постоянного тока.
За работой ультратермостата должен осуществляться периодический контроль.
Для термостатирования небольших объемов жидкости выпускаются малогабаритные термостаты МТ-1,2 и МТ-0,3. Рабочим сосудом микротермостата МТ-0,3 (рис. 87) служит стеклянный стакан объемом 300-500 см3 с нанесенной на наружную поверхность токопроводящей прозрачной пленкой - нагревательным элементом. Для подведения напряжения (220 В) к пленке на стакан нанесены две контактные полосы. Рабочая жидкость в стакане перемешивается с помощью электромагнитной мешалки. Терморегулирующее устройство позволяет устанавливать следующие рабочие температуры: 37 ±0,5, 56 ±0,6 и 85 ±1,5 °С.
Термостатирование жидкости может быть достигнуто также с помощью погружного устройства УТП-1, состоящего из блока нагрева и перемешивания и блока управления. Блок нагрева и перемешивания - узел с центробежным насосом, витыми трубчатыми нагревательными элементами и датчиком температуры. Блок управления - комплекс узлов и деталей терморегулятора, смонтированный на дюралюминиевом шасси. Диапазон устанавливаемых и автоматически регулируемых температур 25-85 °С. Допускаемая погрешность в диапазоне 25-55 и 55-85 °С равна ±0,1 и ±0,25 °С соответственно. Вместимость рабочих сосудов, используемых для погружного устройства, 5-25 л.
Приборы для прямого нагревания жидкостей
Прямое нагревание жидкостей большей частью осуществляется с помощью закрытых электрических нагревателей (электроплитки, колбонагреватели, электрокипятильники погружные).
Электрическая плитка обладает большой теплоемкостью, а передача тепла от нагревательной спирали к жидкости происходит через несколько поверхностей раздела, так что температура регулируется со значительным запаздыванием и периодически колеблется около заданного значения. Диапазон колебаний несколько уменьшается с увеличением количества нагреваемой жидкости, но и в этих случаях составляет ±2-5 °С.
В химических лабораториях большей частью используются одноконфорочные настольные электроплитки с закрытым нагревательным элементом и переключателем мощности, например ПКЭ-800/3 и «Экран».
Электроплитки, как и другие настольные электронагревательные приборы, следует ставить на асбестированную прокладку или на лист теплоизолирующего материала.
Жидкость в толстостенном сосуде или в сосуде из материала, плохо проводящего тепло, нельзя нагревать на электроплитке. В таких случаях часто используют погружные электрокипятильники бытового типа ВПМ или ВИН номинальной мощности 0,3; 0,6 и 1 кВт. Они имеют меньшую теплоемкость, нежели обычные электроплитки, и передача тепла жидкости осуществляется лучше.
Погружной электрокипятильник нельзя включать в сеть, если он не погружен в жидкость, потому что в воздухе температура нагревателя может сильно возрасти, и он перегорит. Нередко случается, что при длительном нагревании воды и водных растворов нарушается изоляция между нагревателем и металлическим кожухом, поэтому при погружении руки в сосуд с жидкостью может произойти поражение электрическим током. Электрокипятильник можно вынимать из жидкости, только отключив его от сети.
В последнее время выпускают колбы с прямым электрообогревом. Нагревательный элемент встроен в дно колбы и присоединяется непосредственно к источнику тока.
Прямой нагрев жидкости может быть также осуществлен тепло излучателям и. Когда требуется не очень интенсивное нагревание (например, при перегонке диэтилового эфира), в качестве теплоизлучателей можно применять электрические лампы накаливания.
Для обогревания перегонных и реакционных колб применяют инфракрасные излучатели. Подобные излучатели применяются также для высушивания твердых тел и испарения жидкостей. В зависимости от конструкции лампы и расстояния между ней и нагреваемым предметом можно варьировать температуру от 40 до 200 °С. Применение инфракрасных излучателей особенно удобно при работе с огнеопасными веществами.
Для нагревания веществ в круглодонной стеклянной посуде применяют электрические колбонагреватели с закрытыми и открытыми нагревателями. Они имеют конусообразное углубление в середине. По поверхности конуса расположена нагревательная спираль, почти целиком погруженная в керамику.
Газовые горелки
Для выполнения ряда операций (прокаливание, термическая обработка стекла и др.) часто используется нагрев природным горючим газом, главная составная часть которого - метан. При отсутствии газопровода с природным горючим газом, в качестве отопительного газа применяют смесь газовых нефтяных фракций - пропана-бутана, поставляемых в сжиженном виде в баллонах. Теплота сгорания смеси пропан-бутан приблизительно в два раза больше теплоты сгорания природного газа. Температура пламени газа зависит от его состава и полноты сгорания. Температуру можно регулировать подачей воздуха (кислорода).
Непосредственное нагревание стеклянных сосудов открытым пламенем газовой горелки применяется очень редко ввиду малой термической стойкости стекла и неравномерности нагревания. При этом из-за местных перегревов возможно частичное разложение нагреваемых веществ. Иногда вещества в стеклянной посуде нагревают газовой горелкой, устанавливая сосуды на асбестированные сетки или тонкие листы асбеста. Открытым пламенем обычно пользуются при прокаливании веществ в кварцевой, фарфоровой или металлической посуде.
В лаборатории обычно применяют газовые горелки трех типов (рис. 88). Горелки типа I (Бунзена) и II (Теклю) различаются| только устройством регулировки подсоса воздуха. Значительно эффективнее как природный газ, так и пропан-бутановая смесь сгорают в горелках типа III (горелка Меккера).
В горелках типа I и II наибольшая температура пламени во внешней части (зона окисления) и наименьшая - в нижней внутренней части (зона восстановления). Максимальная температура нагрева для горелок типа III выше, так как горячая сетка катализирует горение и сосредоточивает его вблизи головки.
Отечественная промышленность в настоящее время выпускает усовершенствованную модель газовой горелки типа Бунзена для работы с природным газом и универсальную горелку для работы с различными видами отопительных газов.
Для получения пламени различной формы горелки снабжают насадками (рис. 89). При проведении простейших операций со стеклом пользуются паяльной горелкой.
При зажигании газовой горелки сначала, закрыв доступ воздуха, подносят к ней зажженную спичку, затем медленно открывают газовый кран и регулируют доступ воздуха таким образом, чтобы получилось несветящееся пламя. При несоблюдении рекомендуемого порядка зажигания возможен «проскок» пламени - газ горит на месте ввода воздуха в горелку. В результате «проскока» горелка сильно нагревается, что может привести к расплавлению и воспламенению газоподводящей резиновой трубки. В таких случаях нужно немедленно закрыть газовый кран и только после того, как остынет горелка, зажечь ее вновь. Зажигать газовые горелки разрешается только спичками или другой горящей горелкой. Перенос пламени бумагой запрещается.
Жидкостные горелки
В последние годы жидкостные горелки - бензиновые и керосиновые - не используются в практике химических лабораторий. Исключение составляют стеклянные и металлические спиртовые лампочки (спиртовки).
Спиртовые стеклянные лампочки выпускаются двух типов: СЛ-1 со стеклянным колпачком и СЛ-2 с фенопластовым колпачком и подставкой из стальной проволоки. Спиртовая металлическая лампочка состоит из стального корпуса и таганчика, фитиль закрывается пластмассовым колпачком. Номинальная вместимость спиртовок 100 мл.
Обращение со спиртовками несложно. Необходимо следить за тем, чтобы у спиртовой лампочки был хорошо притертый колпачок, предохраняющий спирт от испарения, и исправный фитиль, сделанный не из марли или ваты, а из некрученых хлопчатобумажных нитей. Фитиль вставляется в жестяную трубку светильника так, чтобы не забивая трубки плотно, он тем не менее заполнял ее и не мог сам по себе спускаться в резервуар спиртовки.
Нагревательные бани
В тех случаях, когда необходимо вести нагревание в течение длительного времени при определенной температуре, обычно применяют различные нагревательные бани с теплоносителем. В зависимости от теплоносителя, различают бани воздушные, жидкостные, металлические, солевые, песчаные, паровые.
Воздушные бани
Из всех теплоносителей, используемых в нагревательных банях, воздух обладает наименьшей теплопроводностью, и переход тепла от горячего воздуха к обогреваемому предмету относительно мал. Для передачи больших количеств тепла воздушную баню необходимо нагревать до высокой температуры, но это может вызвать местные перегревы.
В качестве воздушной бани в лабораториях, оснащенных газовыми горелками, применяют так называемые воронки Бабо (рис. 90). Горячие газы проходят снизу через щели между асбестовыми полочками и нагревают колбу, опирающуюся на полоски асбеста. Горизонтальная жестяная пластинка защищает колбу от открытого пламени. Помещая воронку Бабо в вертикальный цилиндр, можно добиться постоянной температуры бани.
Когда требуется не очень сильное нагревание (перегонка диэтилового эфира, ацетона и др.), можно применить воздушную баню, в которой нагревание осуществляется обычной электрической лампой накаливания. Прибор для нагревания можно изготовить из жестяного конического сосуда.
Жидкостные бани
В качестве теплоносителей для жидкостных бань используют воду и водные солевые растворы, минеральные масла, силиконовое масло, глицерин, три-о-крезилфосфат, дибутилфталат, фосфорную кислоту и др. Теплоноситель помещают в металлические кастрюли или специальные медные (латунные) цилиндрические или конические сосуды, закрываемые сверху набором металлических колец (конфорок). Это дает возможность подобрать нужный диаметр отверстия бани, когда необходимо погрузить нагреваемый сосуд в жидкий теплоноситель.
Водяная баня пригодна для нагревания веществ почти до температуры кипения воды (до 100 °С) и для перегонки жидкостей, кипящих не выше 80 °С.
Растворяя в воде некоторые соли (NaCl, СаСl2 и др.), можно значительно повысить температуру нагревания. Например, при заполнении бани насыщенным раствором NaCl можно повысить температуру до 108°С, а 50% раствор СаСl2 позволяет доводить ее до 130°С. Водные растворы солей обладают серьезными недостатками: они усиливают коррозию металлических стенок бань, а при охлаждении часто затвердевают, при этом стеклянный нагреваемый сосуд может быть раздавлен, если его не вынули из бани до ее охлаждения. Нагревание на водяной или водно-солевой бане сосудов со щелочными металлами категорически запрещается.
Водяные бани бывают одно- и многоместные с электрическим или газовым обогревом и часто имеют устройства для автоматического регулирования постоянного уровня воды, действующие по принципу сообщающихся сосудов.
Для нагревания в интервале температур 100-240°С применяют масляные бани. В качестве теплоносителя чаще всего применяют минеральное масло с температурой воспламенения не ниже 300 °С. Необходимо, чтобы масла были стойкими в требуемом интервале температур, нетоксичными, прозрачными, легкодоступными, с возможно более низким давлением пара, малой вязкостью, высокой удельной теплоемкостью. Масла не должны вызывать коррозию металлов. Этим требованиям в наибольшей степени отвечает цилиндровое масло-52 («Вапор»), Часто применяемое в лабораторной практике вазелиновое масло сильно дымит уже при 200 °С и при длительном пользовании окрашивается в желтый или коричневый цвет и становится вязким. Даже «Вапор» со временем становится вязким, поэтому его необходимо менять через некоторое время.
Более эффективным теплоносителем является силиконовое масло. Силиконовую баню можно нагревать до 300 °С без заметного изменения цвета и вязкости масла при длительном пользовании.
Нагревание на масляной бане следует проводить в вытяжном шкафу, так как пары масла неприятны и вредны. В масляную баню необходимо поместить контрольный термометр, на котором красной чертой отмечена температура, выше которой нагревать опасно. Баню заполняют маслом до половины объема, так как при нагревании масло расширяется и избыток масла может перелиться через край и воспламениться. Нагреваемый сосуд помещают в баню таким образом, чтобы уровень вещества в сосуде был на одном уровне с маслом.
При нагревании необходимо следить за тем, чтобы в масло не попала вода или другая низкокипящая жидкость. Уже от нескольких капель воды горячее масло начинает сильно пениться, разбрызгиваться и может воспламениться. Опасность воспламенения паров масла можно уменьшить, прикрывая баню двумя полукольцами, вырезанными из асбестового картона по размеру бани. По окончании нагревания сосуд вынимают из горячей бани, дают маслу стечь со стенок и кусочками фильтровальной бумаги или ватой снимают оставшееся на поверхности сосуда масло.
Часто в жидкостных банях в качестве теплоносителя используют глицерин. Глицерин кипит при 290 °С, очень гигроскопичен н растворим в воде. Глицериновые бани можно нагревать до 200°С; при более высокой температуре он начинает разлагаться с образованием акролеина, вызывающего слезотечение и кашель. Глицерин легко смывается с посуды водой.
Три-о-крезилфосфат, кипящий при 410°С (с разложением), более устойчив, чем минеральные масла и глицерин. Три-о-крезилфосфат безопасен в пожарном отношении и может быть нагрет до 300 °С без заметного изменения цвета и свойств.
В качестве теплоносителя для жидкостных бань в интервале температур от -10 до +180°С рекомендуют этиленгликоль, а в интервале от 0 до 250 °С - триэтиленгликоль. Этиленгликоль и триэтиленгликоль растворяются в воде, не вызывают коррозию и бесцветны.
Солевые бани
Для нагревания до температур, превышающих 300 °С, используют расплавленные соли.
Солевая баня, заполненная смесью 48,7% (масс.) NaNO3 и 51,3% KNO3, применима в интервале температур от 230 до 500 °С, а баня, заполненная смесью 40% NaNO2, 7% NaNO3 и 53% KNO3, - от 150 до 500 °С.
При работе с солевыми банями нужно учитывать следующее: нагреваемые сосуды должны быть из термически устойчивого стекла; сосуды погружают в жидкий расплав, а вынимают из еще горячего расплава; попадание горючих органических веществ в расплав нитратов и нитритов вызывает мгновенное воспламенение, причем горение может принять характер взрыва.
Металлические бани
Металлические бани используют для тех же целей, что и солевые. В качестве теплоносителей используют низкоплавкий сплав Вуда (50% Bi, 25% Pb, 12,5% Sn и 12,5% Cd) с tпл = 65,5°С или сплав Розе (50% Bi, 25% Pb и 25% Sn) с tпл = 94°С. Металлические бани обладают сравнительно низкой температурой плавления, а высокая теплопроводность металлов способствует очень быстрой передаче тепла.
Недостатки металлических теплоносителей: высокая плотность и окисление при повышенной температуре в присутствии воздуха (образующиеся оксиды загрязняют поверхность нагрева и ухудшают теплоотдачу).
Металлические бани используют главным образом для нагревания небольших колб; сосудом для бани может служить железная чашка. По окончании нагрева колбу и термометр вынимают из еще горячего сплава (прежде чем он затвердеет). Работа с металлическими банями должна производиться в вытяжном шкафу.
Песчаные бани
Для осторожного нагревания до высокой температуры часто пользуются песчаными банями. В металлическую чашку, дно которой покрыто слоем сухого мелкозернистого песка, помещают нагреваемый сосуд и засыпают его со всех сторон песком (часто по ошибке пытаются поместить сосуд в уже наполненную песком баню). Песчаную баню нагревают пламенем газовой горелки или электрической плиткой.
Передача тепла при толстом слое песка недостаточна, поэтому полусферическая форма песчаной бани для круглодонных колб предпочтительнее плоской формы. Песчаные бани прогреваются неравномерно, вследствие чего при работе с ними трудно поддерживать постоянную температуру. Ценное преимущество песчаных бань - химическая индифферентность; они значительно безопаснее масляных бань.
В последнее время в качестве твердых проводников тепла для нагревательных бань предложены различные разновидности графита, обладающие высокой жаростойкостью наряду с тепло- и электропроводностью.
Средства и приборы для охлаждения
При перегонке, экстракции и ряде других процессов газы и пары охлаждают при помощи разнообразных холодильников.
Для охлаждения поверхности нагретых колб проточной водой служат свинцовые кольцевые трубки (рис. 91). Если пары необходимо охладить до температуры ниже температуры проточной воды, то воду заменяют другим охлаждающим агентом.
Для охлаждения до -20 °С можно использовать обычные водяные холодильники, через которые пропускают концентрированный раствор NaCl, этиловый спирт или другую жидкость, которую предварительно охлаждают, пропуская жидкость через спиральную трубку, погруженную в сосуд Дьюара с охладительной смесью.
Низкую температуру охлаждающей смеси можно получить при помощи твердого диоксида углерода - «сухого льда» (до -80°С) или жидкого азота (до -195,8 °С). Жидким воздухом и в особенности кислородом, как правило, редко пользуются, они образуют с горючими веществами взрывоопасные смеси.
Охлаждающие смеси обычно готовят в стеклянном сосуде Дьюара.
Лед, вследствие высокой теплоты плавления, - ценное охлаждающее средство. Хорошее охлаждение достигается при тесном контакте охлаждаемой поверхности со льдом. Для этого куски льда разбивают деревянным молотком в полотняном мешочке до зерен величиной в горошину и добавляют небольшое количество воды, чтобы получилась кашица.
Водные растворы, где допустимо небольшое разбавление, можно быстро охладить, добавляя кусочки чистого льда (полученного из дистиллированной воды) непосредственно в реакционную смесь.
Если вещество необходимо охладить до температуры несколько ниже 0°С, то применяют смесь льда (снега) с некоторыми электролитами (соли, кислоты). При контакте электролитов со льдом сначала возникают небольшие количества концентрированных водных растворов, которые замерзают при более низкой температуре, чем чистая вода. Это приводит к ускоренному таянию льда, что сопровождается поглощением тепла. В табл. 6 приводятся данные о предельно низких температурах охлаждающих смесей электролитов со льдом (снегом).
При отсутствии льда охлаждающую баню можно приготовить, используя высокие теплоты растворения некоторых солей в воде. Так, например, 42,9% раствор NaNO3 понижает температуру до -5,3°С; 60% раствор KSCN - до -23,7°С; 37,5% раствор NH4NO3 - до -13,6°С.
В качестве охлаждающей смеси можно использовать раствор Na2SO4-10H2O в конц. НСl. При содержании 39% (масс.) соли температура понижается до -8,1 °С; 50,22% соли - до -12,2°С; 63% соли - до -15,3°С.
При растворении 5 масс. ч. Na2SO4-10H2O в 4 ч. 66% раствора H2SO4 предельно низкая температура достигает -17°С.
Известно, что испарение низкокипящих жидкостей за счет тепла окружающей среды сопровождается интенсивным охлаждением. Жидкий аммиак (tкип = -33,35°С) при выливании из баллонов в сосуд Дьюара испаряется так быстро, что охлаждается ниже температуры кипения. После этого жидкий аммиак можно долго сохранять в открытом сосуде Дьюара в вытяжном шкафу и использовать для охлаждения веществ до -30 °С. Жидкий аммиак при соприкосновении с кожей вызывает сильные ожоги. Особенно опасно попадание аммиака в глаза. Смеси аммиака с воздухом взрывоопасны.
В качестве охлаждающего средства широкое распространение в химических лабораториях получил твердый диоксид углерода («сухой лед»). Твердый CO2 возгоняется при -78,8°С. Для непосредственного охлаждения один «сухой лед» непригоден, так как он плохо проводит тепло и не позволяет достигнуть хорошего контакта со стенками охлаждаемого сосуда. Кроме того, твердый СO2 во влажном воздухе быстро обволакивается слоем льда, поэтому твердый CO2 используют в смесях с некоторыми органическими растворителями, что значительно повышает теплообмен.
Твердый CO2 в настоящее время поступает в продажу в виде блоков или больших кусков. Их измельчают деревянным молотком и небольшими порциями переносят деревянной ложкой в сосуд Дьюара, куда заранее внесен безводный растворитель (ацетон, этиловый спирт, диэтиловый эфир).
«Сухой лед» добавляют при перемешивании до образования кашицы; при этом смесь не должна вспениваться. «Сухой лед» можно получить, используя баллон с жидким СO2. Для этой цели к выпускному патрубку баллона привязывают прочный парусиновый мешок и по возможности полностью открывают вентиль перевернутого вниз горлом баллона. Газ с сильным шипением стремительно выходит в мешок; в это время нужно сильно ударять по мешку, чтобы на его стенках не отлагался твердый диоксид углерода, который может закупорить поры ткани. Твердый СO2 сохраняют в сосуде Дьюара.
Следует иметь в виду, что в холодной смеси твердого СO2 с растворителем (t примерно равна -70°С) заметно конденсируются пары воды, и время от времени растворитель следует обезвоживать.
В последнее время получили распространение низкотемпературные бани на основе жидкого азота (tкип = -195,8 °С). Жидкий азот сохраняют в металлических сосудах Дьюара. Переливать жидкий азот из металлического сосуда Дьюара в стеклянный меньшей вместимости рекомендуют путем передавливания газом, как показано на рис. 92.
В горло сосуда 1 вставляют резиновую пробку с двумя трубками 3 и 4. Слегка зажимая пальцем трубку 4, повышают давление в сосуде 1. За счет повышения давления жидкий азот передавливается в сосуд 2.
Жидкий азот хранят в сосудах Дьюара, горло которых негерметично прикрывают войлочной крышкой. Следует следить за тем, свободно ли газ выходит из сосуда. На ночь сосуд Дьюара с жидким азотом рекомендуют вообще не закрывать, так как намерзающие на войлоке пары воды могут создать герметичную пробку, что повлечет за собой повышение давления и разрушение сосуда.
Металлические сосуды Дьюара устойчивы к быстрому изменению температуры, которое для стеклянных сосудов нередко бывает причиной разрушения. Если необходимо перелить жидкий азот в теплый стеклянный сосуд Дьюара, его следует предварительно охладить током холодного газообразного азота, затем - небольшим количеством жидкого. Лишь после этого можно переливать жидкий азот. Следует также избегать переливания жидкого азота через край стеклянного сосуда Дьюара, так как это может привести к растрескиванию обратного спая и взрыву сосуда. При работе с сосудом Дьюара необходимо надевать защитные очки.
Низкотемпературные бани на основе жидкого азота получают, вливая жидкий азот в растворитель и перемешивая до тех пор, пока не образуется вязкая масса. Температуру бани можно поддерживать постоянной за счет периодического добавления жидкого азота, следя за тем, чтобы смесь оставалась вязкой.
В табл. 7 приведены данные о предельно низкой температуре бань из смесей азота с некоторыми органическими жидкостями.
В лабораторной практике часто возникает необходимость в хранении некоторых веществ при низкой температуре, а в ряде случаев и в получении небольших количеств льда. Для этих целей, как правило, используются бытовые электрические холодильники.