Стекло
Преобладающая часть лабораторных работ осуществляется в посуде и приборах из специального тонкостенного или толстостенного прозрачного стекла. Благодаря своей коррозионной стойкости, твердости, прозрачности и сравнительно небольшому коэффициенту линейного теплового расширения стекло является ценным конструктивным материалом для изготовления лабораторной посуды, приборов и аппаратов. Прозрачность стекла позволяет непосредственно следить за ходом процесса в реакционном сосуде, а гладкость поверхности стекла облегчает мытье посуды.
Недостатки стекла - его хрупкость, относительно малая устойчивость к резким перепадам температуры, а порой и нестойкость в отношении некоторых агрессивных химических веществ (концентрированные щелочи, фосфорная, фтористоводородная кислоты и др.). Почти нет стекол, которые в той или иной степени не реагировали бы с водой и щелочами.
По составу, а следовательно, и химическим и физико-химическим свойствам стекла весьма разнообразны. Свойства стекла зависят кроме состава также от условий варки, формования (выдувание, прессование, вытягивание и др.) и последующей термической обработки.
Основные требования, предъявляемые к лабораторной посуде и изделиям из стекла — это термическая и химическая стойкость.
Под термической стойкостью понимают способность стекла выдерживать без разрушения резкие колебания температуры. Максимальная разность температур, которую выдерживает стекло, не разрушаясь, является величиной его термической устойчивости. Термическая стойкость стеклянных сосудов зависит, в частности, от толщины стенок. Так, например, термическая стойкость изделий из чехословацкого стекла «симакс» при толщине стенки сосуда 1 мм равна 312°С, при 3 мм — 180°, при 10 мм—100°С.
Под химической стойкостью понимают способность стекла противостоять разрушающему действию воды, кислот, щелочей и других химических реагентов.
Кварцевое стекло состоит из диоксида кремния SiО2 и является самым термостойким стеклом: коэффициент его линейного расширения в пределах 0-1000 °С составляет всего 6·10-7.Поэтому раскаленное кварцевое стекло, опущенное в холодную воду, не растрескивается. Температура размягчения кварцевого стекла равна 1250 °С. При отсутствии значительных перепадов давления кварцевые изделия можно применять до этой температуры.
Кварцевое стекло устойчиво в среде всех кислот, кроме HF и Н3РО4. На него не действуют до 1200 °С Cl2 и НС1, до 250 °С сухой F2. Нейтральные водные растворы NaF и Н2[SiF6] разрушают кварцевое стекло при нагревании. Оно совершенно непригодно для работ с водными растворами и расплавами гидроксидов щелочных металлов.
Стекло марки “викор” обладает многими свойствами кварцевого стекла, так как содержит около 96% SiО2.
Стекло марки “пирекс” является боросиликатным стеклом с содержанием не менее 80% SiО2, 12-13% В2О3, 3-4% Na2О и 1-2% Al2O3. Оно известно под разными названиями; корнинг (США), дюран 50, иенское стекло G20 (Германия), гизиль, монекс (Англия), ТС (Россия), совирель (Франция), симакс (Чехия). Температура размягчения стекла пирекс 580-590 °С. Тем не менее стекло пригодно для работ при температурах до 800 °С,но без избыточного давления. Фтороводородная и нагретая фосфорная кислоты, так же как и водные растворы (даже 5%-ные) КОН и NaOH, а тем более их расплавы, разрушают стекло пирекс.
Лабораторное стекло фирмы России выпускают нескольких марок; Л-50 (ТХС-2), № 29 (ХС-2), Л-80 (ХС-3), АМК (ХС-3). В соответствии с ГОСТ 21400-75 эти марки означают; ТХС-2 - термически и химически стойкое 2-го класса, ХС-2 и ХС-3 -химически стойкое 2-го и 3-го классов. Состав этих стекол приведен в табл. 1.
Температура размягчения стекла марок, указанных в табл. 1 составляет 540-640 °С.
Пробирки. Для проведения предварительных опытов и качественных проб часто используют пробирки. Они бывают различного диаметра и длины. Помимо обычных имеются пробирки специального назначения: градуированные, центрифужные (из толстостенного стекла), пробирки для микро- и полумикроанализа (рис. 1.3, а — г).
Химические стаканы. Вспомогательные работы преимущественно с водными растворами и редко — с органическими растворителями обычно проводят в химических стаканах. В них также проводят химические реакции при температурах не выше 100 °С при условии, что реакционная смесь не требует защиты от доступа воздуха и влаги.
Стаканы бывают высокие и низкие, с носиком и без него (рис. 1.4), вместимостью 50, 100, 250, 400, 600 мл, 1 и 2 л. Стаканы обычно изготавливают тонкостенными. Их можно нагревать, подкладывая под дно асбестовую сетку с диаметром асбестового круга, чуть большим диаметра стакана. Стаканы, как и другую тонкостенную посуду, нельзя сразу после нагревания ставить на холодную поверхность.
Большие стаканы с содержимым, как и любую большую и тяжелую посуду, переносят, обязательно поддерживая рукой под дно.
Керамика, керметы, графит и асбест
Фарфор - керамический материал, просвечивающий в тонком слое и обладающий характерным звучанием при ударе.Отличается водо- и газонепроницаемостью, механической прочностью. Термостойкость неглазурованного фарфора составляет 1400-1500 °С. Глазурованный фарфор менее термостоек. Вследствие легкоплавкости глазури его можно применять лишь до 1200 °С. При продолжительном нагревании такого фарфора уже при температуре около 1000 °С глазурь расстекловывается и отслаивается.
Фарфор химически устойчив к действию большинства кислот и кислых расплавов, кроме HF и Н3РО4. Хлороводород разъедает фарфор при 800 °С, а выше 1000 °С фарфор разрушается от воздействия хлора.
Фарфор применяют для изготовления тиглей, лодочек, чашек, ступок, шпателей, стаканов и других изделий.
Шамот - керамический материал серовато-коричневого цвета, термостойкий до 1300-1400 °С. Если к шамоту добавить кварцевый песок, получается кварцевый шамот, выдерживающий температуру до 1500 °С. Шамот менее химически устойчив, чем фарфор, и более газопроницаемый.
Шамот содержит 50-54% SiО2 и 42-45% Al2O3. Из шамота готовят муфели электропечей, тигли и кирпичи для газовых печей.
Динас - серовато-коричневый керамический материал, размягчающийся при 1350 °С и плавящийся выше 1650 °С. Изделия из динаса ниже 600 °С не переносят резких колебаний температур. Динас менее газопроницаем, чем шамот. Кислоты, кроме HF, на динас не действуют. Динас состоит на 95% из SiO2 и содержит еще 2-4% СаО. Главное достоинство изделий из динаса - сохранение формы без какой-либо усадки до самого момента плавления.
Диабаз - материал серо-черного цвета с синеватым отливом, отличающийся твердостью и химической устойчивостью. Температура начала размягчения диабаза равна 1000 °С, а твердость по щкале Мооса - 7,8. Изделия из диабаза устойчивы к действию почти всех агрессивных сред, кроме HF, H2[SiF6] и расплавов гидроксидов щелочных металлов.
Получают диабаз расплавлением диабазовой или базальтовой горной породы при температуре 1400-1500 °С.
Из диабаза готовят чащи, тигли, лодочки и трубки путем отливки его расплава в металлические формы.
Корунд (алунд) - прозрачный твердый огнеупорный материал с температурой плавления 2044 °С. Температура начала деформации изделий из корунда под нагрузкой 0,2 МПа составляет около 1900 °С. Твердость по щкале Мооса равна 9. Корунд отличается исключительно высокой химической стойкостью. Посуда из корунда до 1700 °С не поддается воздействию всех газов, кроме фтора, который начинает разрущать корунд выще 500 °С. Изделия из корунда неприменимы только для работ с фторсодержащими расплавами, расплавами гидроксидов, карбонатов, нитратов и гидросульфатов щелочных металлов, с которыми он начинает взаимодействовать при 1000 °С. При более высокой температуре корунд реагирует с SiО2 с образованием алюмосиликатов.
Состоит корунд из Al2O3 с примесью до 5% SiO2. Корунд без примеси SiO2 носит название микролита, а прозрачные изделия из него - поликора.
Керамика из диоксида циркония - белая или серая сплавленная масса, обладающая очень высокой прочностью, сохраняющейся до 1300-1500 °С. Температура начала деформации изделий из этой керамики под нагрузкой составляет 2300-2400 °С.
Периклазовая керамика - серая тугоплавкая твердая масса с температурой плавления, достигающей 2800 °С. Периклазовая керамика состоит из кристаллического оксида магния. Однако из-за способности керамики взаимодействовать с водяным паром и повышенной летучести в вакууме, из-за высокого значения коэффициента линейного расширения и сравнительно небольшой теплопроводности практическое применение периклазовой керамики ограничено в атмосферных условиях областью температур 2000-2200 °С, а в восстановительной среде и в вакууме температурой не выше 1700 °С.
Сверхогнеупорная керамика имеет температуру плавления не ниже 3000 °С. Ее ассортимент весьма ограничен.
Керметы - высокопрочная и тугоплавкая керамика, содержащая включения различных металлов (W, Мо, Ni, А1, Си, Со, Та, Ti и др.). К керметам относят также твердые сплавы на основе Со и Ni, карбидов W, Ti, Та и Мо. В зависимости от состава термическая устойчивость керметов колеблется от 1400 до 2000 °С, а твердость по шкале Мооса от 7 до 9 единиц. Керметам свойственна и высокая химическая инертность, определяющаяся природой керамики и легирующего металла.
Графит - вещество черного цвета с металлическим блеском, аллотропная модификация углерода, наиболее устойчивая в обычных условиях. Графит характеризуется высокой пористостью и химически инертен. При 400 °С он начинает окисляться кислородом воздуха и взаимодействовать с оксидами азота, а с галогенами образовывать соединения включения. В химической практике используют изделия из стеклоуглерода и пирографита.
Стеклографит - очень твердое вещество черного цвета с металлическим блеском, термически устойчивое до температуры 3000 °С. Этот вид графита практически не реагирует с фтороводородной, азотной и серной кислотами и их смесями, с бромом и фтором, с расплавами многих металлов, фторидов, сульфидов и теллуридов. Даже при температуре 1500 °С стеклоуглерод стоек в парах мышьяка и сурьмы. При температуре до 400 °С подвергается окислению в незначительной степени.
Асбест - огнестойкий природный минерал из хруппы гидросиликатов волокнистого строения, обладающий способностью расщепляться на тонкие прочные волокна.
Асбест применяют в виде ваты, бумаги, картона, ткани. Из него производят асбестопластики, химически и термически стойкие материалы, в которых связующим являются фенолоформальдегидные смолы, пропилен, полиэтилен и кремнийорганические полимеры. Операции с асбестовой ватой необходимо проводить в вытяжных шкафах и в перчатках, защищая органы дыхания при помощи респираторов типа “лепесток”.
Полимерные материалы
Фторопласт-4 - политетрафторэтилен с повторяющейся формульной единицей обладает высокой химической устойчивостью. На фторопласт-4 не действуют кипящие фтороводородная, серная, азотная, фосфорная кислоты и их различные смеси. Не изменяется он в расплавах КОН, NaOH и K2S2O7. Полимер стоек в кипящих органических растворителях. Фтор, трифторид хлора, дифторид кислорода оказывают заметное действие на фторопласт-4 только при температуре выше 150 °С. Щелочные металлы и их оксиды при температуре выше 200 °С быстро разрушают полимер. Изделия из фторопласта-4 применяют в интервале температур от -190 до +260 °С. Разложение полимера начинается при температуре выше 360 °С.
Фторопласт-4 физиологически безвреден, обладает низким коэффициентом трения, превосходными диэлектрическими свойствами, но низкой теплопроводностью. Он не сваривается и с трудом склеивается. Основные виды скрепления узлов фторопластовых установок и сосудов - фланцевые и резьбовые. Из этого полимера производят стаканы, чашки, трубки, шланги, сильфоны, пластины для фильтрования.
Фторопласт-3 – полихлортрифторэтилен. Это прозрачный полимер, несколько уступающий фторопласту-4 по химической и термической устойчивости. Фторопласт-3 начинает разлагаться при температуре выше 200 °С. Сосуды из него можно охлаждать жидким азотом, не опасаясь растрескивания, они не теряют при этом своей газонепроницаемости.
Фторопласт-3 стоек к действию большинства кислот, растворителей и окисляющих реагентов, включая фтор. При нахревании полимер набухает в хлорсодержащих растворителях (CCl4, CHCl3, CH2CI2 и др.), толуоле, диэтиловом эфире, с увеличением массы до 20%.
Из фторопласта-3 производят мерную посуду, колбы, чашки и различные узлы установок для получения особо чистых веществ.
Полиэтилен. Он известен двух видов: полиэтилен высокого давления (политен, луколен), устойчивый до 100 °С, и полиэтилен низкого давления (хостален), сохраняющий свою прочность до 120 °С. Однако он не переносит охлаждения до низких температур уже ниже -30 °С становится твердым, как стекло.
На полиэтилен обоих видов даже при температуре 100 °С не оказывают действия концентрированные галогеноводородные, кислоты, кроме HF, Н3РО4, 30%-й HNO3 и 50%-го водного раствора КОН или NaOH. В концентрированной H2SO4 он устойчив при температуре ниже 40 °С, в ее среде полиэтилен лишь светлеет. В органических растворителях полиэтилен набухает.
Из полиэтилена производят мерную посуду для работ с фтороводородной кислотой любой концентрации. Следует иметь в виду, что полиэтилен, полученный при низком давлении, содержит включения соединений металлов, попавших в полимер из катализатора. Зольность такого полиэтилена довольно высокая и колеблется от 0,4 до 2,0%.
Полипропилен - устойчив к воздействию температур от -20 до +140 °С. По химической устойчивости полипропилен уступает только фторопластам. При температуре 20 °С на него не действуют водные растворы всех галогеноводородных кислот, фосфорная, хлорная (до 10%), азотная (до 50%) и серная (до 90%) кислоты. Он не разрушается в водных растворах гидроксидов калия и натрия, аммиака, пероксида водорода.
Ароматические, алифатические и хлорированные углеводороды вызывают при температурах 25-30 °С лишь небольшое набухание полимера. Органические кислоты и галогены абсорбируются полипропиленом и медленно диффундируют через него.
Для полипропилена характерна высокая стойкость к многократным изгибам и истиранию. Из полипропилена готовят высококачественную мерную посуду и многочисленные изделия лабораторного назначения, шланги и пробки.
Поливинилхлорид. Он может быть и прозрачным, и окрашенным в светлый красно-коричневый цвет. Полимер применяют в температурном интервале от -20 до +60 °С; при более высокой температуре поливинилхлорид переходит в резинообразное состояние, а при температуре ниже -20 °С становится ломким. При нагревании до 110 °С и выше полимер разлагается с выделением HCl.
Поливинилхлорид устойчив к действию водных растворов солей, КОН и NaOH (до 50%), концентрированных водных растворов галогеноводородных кислот, этанола, метанола и алифатических углеводородов. Все другие органические растворители вызывают набухание полимера. Поливинилхлорид растворяется в циклогексаноне, диметилформамиде, ацетоне, ограниченно - в бензоле.
Полиметилметакрилат (органическое стекло, плексиглас, диакон и др.). Органическое стекло более устойчиво к действию водных растворов оснований, чем силикатное стекло. При температуре ниже 90 °С на него не действуют разбавленные водные растворы кислот, кроме НСООН и СН3СООН. В концентрированных кислотах полимер набухает, а в полярных органических растворителях частично теряет свою массу и растрескивается в поверхностном слое (“серебрение” полимера).
Полиметилметакрилат растворяется в ацетоне, хлороформе, бензоле, дихлорэтане, тетрахлориде углерода. При температуре выше 120 °С полимер разрушается с изменением окраски до желто-красной.
Металлы
Платина - серебристо-белый пластичный металл, плавящийся при 1772 °С. Для изготовления посуды и приборов ее легируют иридием, повышающим механическую и химическую устойчивость металла. Платиновые изделия не взаимодействуют при 25 °С с галогеноводородными кислотами, серной, фосфорной и азотной кислотами. Платина устойчива в атмосфере хлора до 260 °С, в атмосфере фтора до 480 °С, на нее не действуют полисерные кислоты до 400 °С, а ортофосфорная кислота - до 100 °С. Разрушается платина в среде селеновой кислоты, в хлороводородной кислоте.
Применяют платину для изготовления тиглей, лодочек, чашек, трубок шпателей, электродов, термопар и электронагревателей, широко используют в физико-химических приборах.
Серебро - мягкий белый металл, плавящийся при 962 °С. Для повышения механической и химической устойчивости его легируют никелем до 0,1%. Такой сплав незаменим при работе с расплавами гидроксидов и карбонатов щелочных металлов. Галогеноводородные и серная кислоты при 25-30 °С на серебро не действуют, а азотная и нагретые концентрированные водные растворы фосфорной и серной кислот, а также водные растворы цианидов щелочных металлов в присутствии кислорода воздуха разрушают серебряные изделия. Сероводород и сера уже при 40-50 °С превращают серебро в сульфид Ag2S. Серебро взаимодействует с хлором, бромом и иодом даже при 25 °С, в присутствии влаги и света это взаимодействие ускоряется. Выше 600 °С серебро разрушается пероксидами и сульфатами щелочных металлов. Из серебра производят тигли, лодочки, чашки, шпатели и проволоку.
Никель - серебристо-белый пластичный металл, плавящийся при 1455 °С. Выше 800 °С окисляется с поверхности кислородом воздуха, медленно взаимодействует с разбавленными водными растворами хлороводородной и серной кислот, более энергично с разбавленным водным раствором азотной кислоты и галогенами. Концентрированные азотная и серная кислоты пассивируют металл. Никель устойчив к действию фтора до 600 °С. Основное достоинство никеля - инертность к воздействию расплавов и концентрированных растворов шелочей. Поэтому из него готовят лодочки, чашки и тигли для работ в этих средах вместо более дорогих серебряных изделий.
Резина и каучуки
Резина - продукт вулканизации каучука, обладающий способностью к большим обратимым деформациям. Температура эксплуатации обычной резины колеблется в интервале от -50 до 150 °С. Теплостойкие резины выдерживают температуру до 200 °С, а морозоустойчивые до -150 °С.
Термическая деструкция резины сильно ускоряется в присутствии кислорода и других окислителей. При температуре ниже -20 °С обычная резина становится хрупкой. При температуре ниже +70 °С на нее не действуют концентрированные водные растворы оснований и кислот, кроме серной и азотной. Резина набухает в органических растворителях и способна растворять в заметных количествах газы, особенно такие как SO2, NH3, H2S, СО2, N2O, СН4, О2, СО и N2, в меньшей степени Н2 и Не. Эти газы медленно проникают через резину.
Резина стареет в атмосфере О2 и на свету, при этом ее поверхность сначала становится клейкой, а затем хрупкой, после чего резина растрескивается.
Кремнийорганический каучук (силоксановый, силиконовый каучук) - полимер (-R2SiO-). Такой каучук более термически устойчив, чем резина из натурального или синтетического каучука. Продолжительность эксплуатации изделий из кремнийорганического каучука на воздухе при 120 °С составляет 10-20 лет, а при 200 °С - 1 год. Однако газопроницаемость этого каучука в десятки раз выше, чем у натурального. Еще более термостоек силастик ЛС-53 (метил-3,3,3-трифторпропилсиликоновый каучук), не теряющий эластичности в температурном интервале от -68 до +205 °С.
Силоксановый каучук устойчив в среде большинства кислот, кроме фтороводородной и концентрированных азотной и серной. Полимер постепенно разрушается концентрированными водными растворами КОН и NaOH, набухает и растворяется в ССl4,СНСl3, простых и сложных эфирах, углеводородах.