Поддержание температуры и ее регулирование
Наиболее распространенными операциями в химической лаборатории является нагревание и охлаждение. Многие органические реакции не происходят самопроизвольно при смешении реагентов. Для того чтобы началась реакция, необходимо нагреть реакционную смесь. С другой стороны экзотермические реакции требуют отвода тепла, выделяемого во время реакции. Кроме того многие процессы выделения веществ (перегонка, кристаллизация) требуют подвода тепла или охлаждения.
Нагревание
Нагревательные приборы делятся на 4 основных типа:
1. Электронагревательные
2. Газовые нагревательные приборы
3. Горелки на жидком топливе
4. Водяной пар
Использование горелок в органической лаборатории чрезвычайно опасно, поскольку пары органических веществ в смеси с воздухом способны воспламениться. Более того использование открытого огня может быть запрещено по правилам безопасности работы в лаборатории.
Нагревание водяным паром может применяться в лабораториях, где есть источник водяного пара. Обычно это лаборатории на промышленных предприятиях.
Электронагревательные приборы очень удобны в обращении. Они не дают копоти; спираль накала в них может быть закрыта и тем самым обеспечена безопасность при работе с горючими веществами; приборы можно снабдить автоматическими терморегуляторами.
Для работы при температурах от 30 до 400 °С применяют:
1. Электрические плитки (с открытой и закрытой спиралью)
2. Сушильные шкафы (обычные и вакуумные)
3. Жидкостные и воздушные бани
4. Колбонагреватели
5. Электрообогревательные чехлы и ленты
Для достижения более высокой температуры применяют:
1. Муфельные печи
2. Тигельные печи
3. Трубчатые печи
Типы жидкостных бань:
1. Водяная (до 100 °С)
2. Глицериновая (до 180-200 °С) или гликолевая (до 180 °С)
3. Масляная (от 100 до 240 °С; силиконовое масло до 300 °С)
4. Солевая (например, NаNО3 + КNО3, от 230 до500°С)
5. Металлические бани
6. Песчаные бани
Бани с соответствующими теплоносителями используют для равномерного нагревания в определённом интервале температур. Водяная баня применяется в тех случаях, когда достаточен нагрев не выше 100°С. Водяная баня представляет собой металлическую кастрюлю, снабжённую водомерной трубкой с воронкой для контроля за уровнем жидкости в бане и доливания её по мере испарения. Сверху баня закрывается рядом съёмных концентрических колец разного диаметра. С их помощью регулируют размер отверстия, в которое помещают нагреваемый сосуд. Опускаемые в баню колбы не должны касаться её стенок или дна. Пробирки помещают в баню в специальных круглых штативах.
Масляная баня заполняется более высококипящим, чем вода, теплоносителем (минеральным маслом, глицерином, силиконовой жидкостью), что позволяет проводить нагревание в интервале температур 100 - 300°С (в зависимости от вида теплоносителя).Масляную баню обычно заполняют маслом наполовину, поскольку при нагревании масло расширяется и может выплеснуться через край. Контроль за температурой бани осуществляют с помощью термометра, укреплённого так, чтобы ртутный шарик находился на одном уровне с дном колбы. У масляной бани «водомерная» трубка отсутствует. При работе необходимо следить, чтобы в масляную баню не попала вода, иначе может произойти вспенивание и разбрызгивание горячего масла. Нельзя нагревать масляную баню выше температуры вспышки используемого масла, поскольку может произойти воспламенение масло. При длительной работе при высоких температурах масло подвергается деструкции и температура вспышки снижается.
Песчаная баня позволяет получать более сильный нагрев по сравнению с другими видами бань. Песчаная баня представляет собой кастрюлю без ручки и крышки, заполненную наполовину чистым прокалённым песком. Однако из-за низкой теплопроводности песка присутствует градиент температуры по слою песка. Температура на дне песчаной бани всегда выше.
Для нагревания жидкостных бань применяют электроплитки (предпочтительно регулируемые).
При необходимости длительного нагревания реакционной смеси преимущество имеют нагревательные бани со ступенчатой регулировкой температуры, обладающие интегрированной системой контроля температуры с помощью электронно-регулируемого термостата.
Охлаждение
Для снижения скорости реакции, инициирования кристаллизации, а также при работе с термолабильными соединениями широко используется охлаждение. Простейший способ состоит в том, что сосуд с охлаждаемым веществом помещают в баню с холодной водой или льдом. Для быстрого охлаждения небольших сосудов и пробирок их помещают под струю водопроводной воды. Для достижения температур ниже 0°С используют охлаждающие смеси, состоящие из льда и неорганических солей (табл. 2).
| Соль | Масса соли, г/100 г льда | Предельная температура, °С |
| КС1 | -11 | |
| NH4C1 | -15 | |
| NaCl | -21 | |
| CaCl2·6H2О | -40 | |
| CaCl2·6H2О | -55 |
Чтобы по возможности дольше поддерживать достигнутую в охлаждающей смеси температуру необходимо тщательно теплоизолировать сосуд с охлаждающей смесью от окружающего теплого воздуха. Для этой цели обычно используют теплоизолирующие материалы, либо помещают охладительную смесь в сосуд Дьюара.
Сосуд Дьюара представляет собой сосуд с двойными стенками. Из пространства между стенками выкачен воздух, а внутренние стенки посеребрены. Обычно сосуд Дьюара изготавливается из стекла.Сосуд должен быть помещен в защитный кожух. Горло сосуда неплотно закрывают колпаком, который не препятствует испарению газа.
Для создания очень низких температур применяют сжиженные газы: азот с температурой кипения 196 °С. Азот можно использовать в смеси с органическими растворителями. При приготовлении смеси в сосуд Дьюара наливают небольшое количество растворителя, а затем небольшое количество азота.
Кроме жидкого азота используют сухой лед или СО2 (в баллоне в жидком виде).
| Растворитель | Температура кипения, °С |
| Диэтиловый эфир | -78 |
| Ацетон | -92 |
| Хлорбензол | -45 |
| Хлороформ | -63 |
| Гептан | -91 |
| Пентан | -131 |
| Изопентан | -160 |
Точное термостатирование при низких температурах (примерно до -80 °С) обеспечивается низкотемпературными термостатами (криостатами). С помощью электронно-регулируемого ротационного насоса, обладающего высокой устойчивостью к перемене температур, к реакционным сосудам и вспомогательным устройствам подается для охлаждения специальная охлаждающая жидкость.
Для хранения веществ при пониженных температурах в течение длительного времени служат холодильные шкафы (холодильники). В холодильных шкафах на веществах может конденсироваться влага, выделяющиеся из веществ агрессивные газы могут вызвать коррозию холодильника, а пары органических растворителей — вызвать взрыв, поэтому в холодильные шкафы разрешается ставить только хорошо закупоренные сосуды. Последние должны быть снабжены четкими надписями.
Хранение огнеопасных жидкостей в холодильных шкафах допускается только в том случае, если внутри охлаждающего пространства нет электротехнических устройств, либо имеются только взрывобезопасные устройства. Охлаждающее пространство должно быть изолированным от электротехнических и пожароопасных устройств.
Классификация приборов для измерения температуры
- термометры расширения (дилатометрические): предназначены для изменения температур в диапазоне от -190 до +500 градусов Цельсия. Принцип действия термометров расширения основан на свойстве тел под действием температуры изменять объем, а следовательно, и линейные размеры. Термометры расширения разделяются на жидкостные стеклянные и механические (дилатометрические и биметаллические);
-манометрические термометры: предназначены для измерения температуры в диапазоне от -160 до +600 градусов Цельсия. Принцип действия манометрических термометров основан на изменении давления жидкости, газа или пара, помещенных в замкнутом объеме, при нагревании или охлаждении этих веществ;
-электрические термометры сопротивления применяются для измерения температур в диапазоне от -200 до +650 градусов Цельсия. Принцип действия термометров сопротивления основан на свойстве проводников изменять электрическое сопротивление в зависимости от температуры;
-термоэлектрические преобразователи (термопары) используются при измерения температуры от 0 до +1800 градусов Цельсия. Принцип действия термопар основан на свойстве разнородных металлов и сплавов образовывать в спае термо электродвижущую силу, зависящую от температуры спая;
-пирометры излучения применяются для измерения температуры в диапазоне от +100 до 2500 градусов Цельсия. Пирометры излучения работают по принципу измерения излучаемой нагретыми телами энергии, изменяющейся в зависимости от температуры этих тел.
По методам измерения:
1. Контактные
2. Бесконтактные
Существуют термохимические средства, которые при нанесении их на поверхность меняют свою окраску при изменении температуры.
Чаще используют дилатометрические термометры, принцип действия которых основан на изменении объема жидкости в капилляре. В качестве дилатометрической жидкости используют:
• Ртуть(-30 + 550°С)
• Этанол (-65+ 65°С)
• Толуол (-90 + 90°С)
• Пентан(-180-20°С)
Существуют так же газовые - они заполнены водородом, гелием, азотом. Учитывая высокое давление паров, не ртутные жидкостные капилляры термометров заполняют азотом под давлением.
Для определения температуры не ртутными приборами требуется больше времени, так как эти жидкости имеют низкую теплопроводность.
Манометрические:
• Газовые;
• Паровые;
• Жидкостные
Их действие основано на измерении давления газа или жидкости, находящейся в замкнутом пространстве, которое зависит от температуры. Состоят из термометрического баллона, капиллярной трубки и манометра. Жидкость через капилляр воздействует на пружину, которая в свою очередь раскручивается при росте температуры и скручивается при уменьшении Т. Движение свободного конца пружины предается на стрелку манометра, откалиброванного в °С.
Электрические:
Принцип их работы основан на свойстве материала изменять сопротивление при изменении температуры.
• Термометры сопротивления - состоят из платиновой или другой проволоки, намотанной на каркас; Концы проволоки прикреплены к клеммам термометра. Весь термометр помещен в кварцевую трубку. Показания выводятся на амперметр, откалиброванный в °С. Платиновый ТС: Т = -160+600 С; Медный ТС: Т = -55+200°С.
• Термисторы - полупроводниковые приборы. Например, стержень состоит из СuО+МnО2. Сопротивление стержня меняется с изменением температуры на концах стержня -контактные выводы. Термометр помещают в герметичный корпус. Диапазон температур = -70 + 450 С. Температура измеряется очень точно. Термисторы используют для калибровки других термометров.
• Термопары - это два разных проводника спаянных одними концами, а другие концы соединены с гальванометром. Помещаются в кварцевую трубку или фарфоровую. При росте температуры возникает ЭДС пропорциональная разности температур между горячим и холодным спаем.
Достоинства: Занимают малый объем - позволяют измерять температуру в малодоступных местах.
Интервал измерения температуры зависит от природы проводников. Иридий и иридиево-родиевый сплав до 2000°С; платинородиевый и платина 250-1450°С.
• Пиролевые - действие основано на измерении величины излучения, испускаемого нагретыми телами. В радиационных пирометрах излучение улавливается и фокусируется на теплоизлучательной части прибора, соединенной с термопарой. В оптических пирометрах сравнивается яркость излучения исследуемого накаленного тела с яркостью накала нити интенсивного излучения, которая в зависимости от температуры известна. В фотоэлектрических пирометрах световой поток изменяет ток, возникающий в фотоэлементе.
Измерение давления
• Манометры (абсолютного и избыточного давления);
• Вакуумметры (вакуум и или разрежение);
• Мановакуумметры (избыточное и вакуум);
• Барометры (атмосферное)
Все манометры делятся на:
• Жидкостные;
• Деформационные;
• Электрические
Жидкостные - стеклянные манометры. Служат для измерения атмосферного давления воздуха, вакуума, перепады. Используют для градуировки и калибровки других манометров. Верхний предел измерения давления 0,2 МПа. Разность давлений определяется типом исследуемой жидкости. Чаще всего для этих целей используют воду и ртуть.
Деформационные - имеют одно- или многовитковую трубчатую пружину, которая может менять свое сечение в зависимости от давления. Запаянный конец пружины перемещается пропорционально измеряемому давлению. Они помещаются в круглый корпус - это показывающий манометр. Нижний предел «0», а верхний предел измерений 0,1-160 МПа.
Электрические (термопарные) - принцип действия основан на зависимости теплопроводности газов при изменении давления. При росте давления увеличивается теплопроводность, что приводит к снижению температуры и уменьшению ЭДС термопары.
Ионизационно-термопарные - при создании потока электронов в разреженном газе возникает ионизация и между электродами возникает ионный ток. Сила тока пропорциональна плотности газа, а, следовательно, и давлению. Чем выше давление, тем больше ток.
Радиоизотопные - принцип действия основан на свойстве α- частиц ионизировать газ. Возникающий ионный ток пропорционален давлению газа.
Регулирование давления
В стеклянной аппаратуре можно работать до давления не более 0,1 МПа. Для поддержания давления на определенном уровне используют маностаты, работа которых основана на гидростатическом принципе. Так же используют стеклянные предохранительные клапаны с противовесом или пружинами.
(1) - промывная склянка, соединенная с уравнительным сосудом (2), меняя положение которого относительно (1) можно изменять высоту столба жидкости и задавать нужное давление в системе, зависящее от плотности жидкости и высоты. Прибор, в котором образуется газ, соединен со склянкой (1). При превышении давления в системе выше заданного, газ пробулькивает через столб жидкости (4) и выходит через тубус (5). В качестве запирающей жидкости используют воду, растворы солей (ZnCl, NaCl, СаСl2, H2SO4, Hg, масло, силиконы). Этим способом пользуются для создания избыточного давления не более 0,02 Па.
Регулирование избыточного давления 0,02 до 0,1 МПа осуществляется при помощи клапанов.