6.1. Бани. Часть 1
Бани в зависимости от теплоносителя делят на жидкостные, жидкосолевые, жидкометаллические, воздушные, паровые, песочные и криптоловые. Бани применяют для нагрева стеклянных и фарфоровых сосудов, когда требуется создать вокруг надеваемого объекта более или менее равномерное температурное поле и избежать использования открытого пламени и раскаленной электрической спирали.
Рис. 110. Жидкостные бани: многоместная (а), одноместная (б) и пробирочная (в). Переносной (г) и пробирочный (д) регуляторы уровня
Жидкостные бани (рис. 110) бывают одно- и многоместными, как правило, с закрытым электрическим обогревом, с автоматическим регулированием уровня жидкости. Все многоместные жидкостные бани снабжают уровнемером 5 (рис. 110, а).
Для нагревания сосудов до 100 °С применяют водяные бани. Вода по сравнению с другими жидкостями обладает самой высокой теплопроводностью (уступает только ртути). Такай баня пригодна для нагревания при помощи электронагревателя 4 колб с перегоняемой жидкостью, кипящей при температуре не выше 80 °С. Уровень воды в бане не должен доходить 2 — 3 см до ее края. Нагреваемый сосуд может быть погружен в кипяшую воду, а может находиться и выше ее уровня. Например, стаканы обычно устанавливают на крышке бани. Вода в бане во время ее использования постоянно кипит. Поэтому баню снабжают регулятором постоянного уровня 1 (см. рис. 110, а), конструкция которого была предложена еще в 1890 г. Ферстером. Трубки 2 и 3 регулятора присоединяют при помощи резиновых шлангов соответственно к водопроводному крану и сливной раковине Напор воды регулируют водопроводным краном с таким расчетом, чтобы через трубку 3 вытекала тоненькая струнка воды Верхний срез трубки 3 определяет уровень воды в бале. Регулятором уровня воды в бане может служить трубка Истерфельда (рис. 110, г) или простая пробирка с сифоном (рис. 110. д).
В водяную баню можно превратить любой химический стакан (рис. 110, б, в). В устройстве типа в пробирки держатся в стакане на подставке с отверстиями.
Кроме воды в жидкостных банях применяют водные растворы некоторых солей, обладающих высокой теплопроводностью и позволяющих поддерживать в бане температуру от 105 до 140 °С (табл. 20).
Поверхность водных растворов солей защищают от появления кристаллической пленки, добавляя в баню 5 — 10 мл парафинового масла. Разумеется, что для поддержания постоянной температуры кипящего водного раствора соли следует сохранять ее исходную концентрацию, автоматически добавляя чистую воду до начального уровня при помощи регуляторов (см. рис. 110 а, г, д).
В качестве кипящей жидкости помимо водных растворов солей применяют смесь 400 г 85%-го раствора Н3РО4 и 100 г твердого (НРО3)4. Такая смесь остается прозрачной и устойчивой при нагревании до 250 °С. Однако водные растворы солей и фосфорных кислот вызывают сильную коррозию металлических бань; кроме того, при охлаждении бань наблюдается кристаллизация солей на стенках и крышке. Поэтому бани для солевых Растворов готовят либо из нержавеющей стали, либо из титана. Некоторые фирмы выпускают бани, изготовленные из фарфора с внутренними кварцевыми электронагревателями.
Теплоносителем жидкостных бань может быть глицерин в Температурном интервале от 60 до 180 °С. При температуре выше 200 °С глицерин начинает дымить и разлагаться с образовавшем акролеина, вызывающего слезотечение и кашель.
В интервале температур от 60 до 250 °С может быть использован бесцветный триэтиленгликоль Н[0(СН2)3(ОН) с температурой плавления -7,2 °С и кипения 287,4 °С.
Бани с парафиновым (вазелиновым) маслом можно нагревать только до температуры 150 °С. При длительном их использовании наблюдается осмоление, жидкость приобретает желто-коричневый цвет, становится вязкой, а при 200 °С начинает сильно дымить.
Для области температур от 100 до 250 °С широкое применение нашли масляные бани, в которых жидкостью’ являются высококипящие продукты перегонки нефти, например масло цилиндровое 52 («Вапор») или менее вязкое масло цилиндровое 24 («Вискозин»), температура воспламенения которых близка к 300 СС. Масло при контакте с воздухом начинает темнеть только выше 360 «С, и скорость его окисления с одновременным увеличением вязкости растет с дальнейшим повышением температуры. Одновременно возрастает и возможность внезапного воспламенения. В часто используемой масляной бане масло необходимо менять не реже одного раза в месяц.
Более устойчивым к нагреванию, чем минеральные масла, является трикрезилфосфат (СН3С6Н40)3Р, представляющий собой смесь изомеров с температурой кипения равной 191 °С при 14,7 Па и 235 °С при 933 Па. При атмосферном давлении трикрезилфосфат кипит около 410 °С с разложением. Он безопасен в пожарном отношении и может быть нагрет до 300 °С без заметного изменения свойств и цвета, но пары его ядовиты.
Лучшим теплоносителем для масляных бань является бесцветное силиконовое масло (смесь кремнийорганических соединений), выдерживающее длительное нагревание до 300 — 360 o C без заметного изменения цвета и вязкости, к тому же это масло не вызывает коррозии металлических бань.
Баню заполняют маслом до 1/2 объема, так как при нагревании масло расширяется и его избыток может перелиться через край и воспламениться. В масляных банях нужно непрерывно контролировать температуру. Постоянной температуры масло не имеет, и перегрев его также может вызвать воспламенение. При нагревании в масло не должны попадать вода и другие низкокипяшие жидкости. Уже от нескольких капель воды масло вспенивается и разбрызгивается.
Масляные бани следует использовать в вытяжном шкафу: пар масла вреден и имеет неприятный запах. Рядом с масляной баней всегда пало держать асбестовую ткань. Иногда при длительном нагреваний с предельно допустимой температурой масло в бане вспыхивает.
Чтобы погасить огонь, баню накрывают асбестовой тканью. Ни воду, ни песок для тушения горящего масла применять нельзя.
Уровень нагреваемого вещества в сосуде, помещенном в массную баню, должен совпадать с уровнем масла. При удалении сосуда из горячей бани его сначала держат над фарфоровой чашкой, чтобы масло могло стечь с его стенок, а затем кусочком фильтровальной бумаги снимают остатки масла и погружают для удаления последних масляных следов в ССl4.
Нагрев до температуры выше 350 °С практически не выдерживает ни одна жидкость в качестве теплоносителя. Поэтому для таких температур применяют бани с расплавами солей (жидкосолевые бани) и с расплавами металлов и их сплавов (жидкометаллические бани).
Жидкосолевые бани используют тогда, когда нельзя воспользоваться жидкостными банями. Для жидкосолевых бань чаще применяют три смеси солей: о) смесь ВаС12 (31%), СаС12 (48%) и NaCl (21%) с температурой плавления 430 °С и областью применения 580 — 700 °С; б) смесь ВаС12 (50%), КС1 (30%) и NaCl (20%), используемую в интервале температур 650 — 900 °С; в) смесь ВаС12 (50%) и NaCl (50%) для температурного интервала 750 — 900 °С.
Смеси из нитритов и нитратов калия и натрия использовать для жидкосолевых бань не рекомендуют из-за опасности мгновенного воспламенения и взрыва при перегревании и попадании органических веществ.
Стеклянный сосуд нельзя сразу помещать в жидкий расплав солей — он лопнет. Чтобы этого не случилось, нагревают твердую смесь солей и одновременно в ней проплавляют углубление, в которое и помещают сосуд. Через это углубление жидкий расплав, образующийся на дне бани, сможет, омывая сосуд, вытекать на поверхность твердой массы. Углубление проплавляют герметичным электронагревателем, способным развивать необходимую температуру. По окончании работы сосуд немедленно удаляют из жидкого расплава и только после этого отключают нагрев бани.
Жидкометаллические бани применяют в тех случаях, когда требуется постоянство высокой температуры и нагревание небольших сосудов. Высокая теплопроводность жидких металлов и их сплавов позволяет автоматически регулировать температуру в зоне нагрева сосуда с точностью ±0,01 °С без какого-либо перевешивания расплава.
Чтобы предупредить прилипание металла к стеклу, стенки сосуда покрывают графитом и соскабливают металл стальной пластинкой с еше горячего сосуда, а затем вытирают его насухо шерстяной тканью или кусочком сукна. Недостаток таких бань — высокая плотность расплавов, вызывающая выталкивание сосуда из его среды, и окисляемость поверхности расплава на воздухе. Кроме того, металлы при высокой температуре начинают испаряться, а пары некоторых из них (свинец, кадмий) крайне ядовиты. В табл. 21 приведены металлы и их сплавы, применяемые в жидкометаллических банях.
Песочные и криптоловые бани содержат в качестве теплоносителя либо сухой мелкозернистый песок, либо угольную крошку с размером частиц 0,5 — 3,0 мм (криптол). Такие бани имеют электрический или газовый обогрев. Они значительно безопасней масляных бань и позволяют поднимать температуру нагревания сосудов до 500 — 800 °С. (В криптоловых банях можно развивать температуру до 1500 «С, если создать инертную атмосферу.)
Перед применением в металлическую баню насыпают песок или криптол слоем около 2-3 см, ставят сосуд, подлежащий нагреванию, а затем еще добавляют песок или криптол, располагая их вокруг нагреваемого предмета. Рядом с ним помещают термопару для контроля за температурой. (Розе Валентин (1736 — 1771)- немецкий аптекарь, исследователь легкоплавких сплавов. Вуд Роберт Уильям (1898 — 1970) — американский физик.Ньютон Исаак (1643 — 1727) — гениальный английский физик, заложивший основы классической механики и оптики.)
Песочные бани, в отличие от криптоловых, прогревают неравномерно, и при работе с ними трудно поддерживать более или менее постоянную температуру. Недостаток криптоловых бань — постепенное выгорание угольной крошки с образованием СО и СО2; при этом остается зола, оплавляющая керамическую футеровку бани и защитные чехлы электронагревателей.
Источник статьи: http://www.himikatus.ru/art/htlab/61bani1.php
LABTRICKZ
Органическая химия — это вам не хвост собачий
J-2. Охлаждающие бани
Некоторые органические реакции проводят при низких температурах, которые поддерживают в течение длительного времени при помощи охлаждающих бань. В простейших случаях для охлаждения используются лёд (0 °С), сухой лёд (–78 °С) и жидкий азот (–196 °С). Получить бани с промежуточными температурами можно тремя способами:
В ходе таких реакций температуру необходимо контролировать специальным низкотемпературным термометром.
Солевые бани
Обычная ледяная баня поддерживает температуру на уровне 0 °С, поскольку это температура плавления льда. Однако добавление определённых солей ко льду будет приводить к понижению температуры его плавления. Для достижения максимального эффекта лёд и соль должны быть мелко перемолоты и тщательно перемешаны.
| Вещество | Начальная Т, °C | г/100 г H2O | Конечная Т, °C |
|---|---|---|---|
| Na2CO3 | –1 (лёд) | 20 | –2 |
| NH4NO3 | 20 | 106 | –4 |
| CH3COONa | 10,7 | 85 | –4,7 |
| NH4Cl | 13,3 | 30 | –5,1 |
| NaNO3 | 13,2 | 75 | –5,3 |
| Na2S2O3·5H2O | 10,7 | 110 | –8 |
| CaCl2·6H2O | –1 (лёд) | 41 | –9 |
| KCl | 0 (лёд) | 30 | –10,9 |
| KI | 10,8 | 140 | –11,7 |
| NH4NO3 | 13,6 | 60 | –13,6 |
| NH4Cl | –1 (лёд) | 25 | –15,4 |
| NH4NO3 | –1 (лёд) | 45 | –16,8 |
| NH4SCN | 13,2 | 133 | –18 |
| NaCl | –1 (лёд) | 33 | –21,3 |
| CaCl2·6H2O | 81 | –21,5 | |
| H2SO4 (66,2 %) | 23 | –25 | |
| NaBr | 66 | –28 | |
| H2SO4 (66,2 %) | 40 | –30 | |
| C2H5OH (4°) | 0 (лёд) | 105 | –30 |
| MgCl2 | 85 | –34 | |
| H2SO4 (66,2 %) | S1 | –37 | |
| CaCl2·6H2O | 123 | –40,3 | |
| CaCl2·6H2O | 143 | –55 |
Тающие бани
Наиболее широко применяется бани, состоящие:
- из ацетона, охлаждаемого сухим льдом (–78 °С);
- ацетонитрила, охлаждаемого сухим льдом (–40 °С);
- хлористого метилена, охлаждаемого жидким азотом (–92 °С).
Иногда поддержать необходимую температуру можно при помощи не очень дорогого вещества с подходящей температурой плавления. Ниже приведены 86 веществ, которые плавятся в диапазоне от 13 до –160 °С (doi:10.1021/je60028a037). Баня готовится путём охлаждения выбранного вещества в сосуде Дьюара при добавлении жидкого азота с постоянным перемешиванием. При правильном смешивании содержимое бани приобретёт кашеподобную консистенцию и сможет поддерживать необходимую температуру при периодическом подливании жидкого азота. (Примечание: поскольку при охлаждении происходит конденсация влаги из атмосферы, вряд ли стоит сливать использованное вещество обратно в тару.)
| Растворитель | T, °C |
|---|---|
| п-Ксилол | 13 |
| Диоксан | 12 |
| Циклогексан | 6 |
| Бензол | 5 |
| Формамид | 2 |
| Анилин | –6 |
| Диэтиленгликоль* | –10 |
| Циклогептан | –12 |
| Метилбензоат | –12 |
| Бензонитрил | –13 |
| Бензиловый спирт | –15 |
| Пропаргиловый спирт | –17 |
| 1,2-Дихлорбензол | –18 |
| Тетрахлорэтилен | –22 |
| Тетрахлорметан | –23 |
| 1,3-Дихлорбензол | –25 |
| Нитрометан | –29 |
| о-Ксилол | –29 |
| Бромбензол | –30 |
| Иодбензол | –31 |
| м-Толуидин | –32 |
| Тиофен | –38 |
| Ацетонитрил | –41 |
| Пиридин | –42 |
| Бензил бромистый | –43 |
| Циклогексил хлористый | –44 |
| Хлорбензол | –45 |
| м-Ксилол | –47 |
| н-Бутиламин | –50 |
| Бензилацетат | –52 |
| н-Октан | –56 |
| Хлороформ | –63 |
| Метил иодистый | –66 |
| трет-Бутиламин | –68 |
| Трихлорэтилен | –73 |
| Изопропилацетат | –73 |
| о-Кумол | –74 |
| п-Кумол | –74 |
| Бутилацетат | –77 |
| Изоамилацетат | –79 |
| Акрилонитрил | –82 |
| Гексил хлористый | –83 |
| Пропиламин | –83 |
| Этилацетат | –84 |
| Гексил бромистый | –85 |
| Метилэтилкетон | –86 |
| Акролеин | –88 |
| Амил бромистый | –88 |
| Бутанол-1* | –89 |
| Бутанол-2* | –89 |
| Изопропиловый спирт* | –89 |
| Нитроэтан | –90 |
| Гептан | –91 |
| н-Пропилацетат | –92 |
| 2-Нитропропан | –93 |
| Циклопентан | –93 |
| Этилбензол | –94 |
| Гексан | –94 |
| Толуол | –95 |
| Кумол | –97 |
| Метанол | –98 |
| Метилацетат | –98 |
| Изобутилацетат | –99 |
| Амилхлорид | –99 |
| Масляный альдегид | –99 |
| Пропил иодистый | –101 |
| Бутил иодистый | –103 |
| Циклогексен | –104 |
| втор-Бутиламин | –105 |
| Изооктан | –107 |
| 1-Нитропропан | –108 |
| Этил иодистый | –109 |
| Пропил бромистый | –110 |
| Дисульфид углерода | –110 |
| Бутил бромистый | –112 |
| Этанол* | –116 |
| Изоамиловый спирт* | –117 |
| Этил бромистый | –119 |
| Пропил хлористый | –123 |
| Бутил хлористый | –123 |
| Ацетальдегид | –124 |
| Метилциклогексан | –126 |
| Пропанол-1* | –127 |
| н-Пентан | –131 |
| 1,5-Гексадиен | –141 |
| Изопентан | –160 |
* Образуется вязкий сироп, с которым не очень удобно обращаться, однако он вполне пригоден для охлаждения.
Бани с двумя жидкостями
Обеспечить поддержание температуры реакции в непрерывном диапазоне можно при помощи бинарных смесей на основе спиртов. Так, смеси этанола и этиленгликоля, охлаждаемые сухим льдом, позволяют получать температуры от –80 до –20 °С в зависимости от состава этих смесей.
(Reprinted with permission from J. Chem. Educ., 2000, 77 (5), p 629. Copyright 2000 American Chemical Society.)
Аналогичный результат можно получить при помощи бани, состоящей из воды и метанола (диапазон от 0 до –128 °С, график). Так, при 30 % метанола такая баня даёт –20 °С, а при 50 % — –47 °С. Минимум температуры достигается при 86 % метанола. Водно-метанольная смесь приобретает кашеобразную консистенцию при охлаждении сухим льдом, причём её температура постоянно медленно понижается за счёт кристаллизации воды и увеличения доли метанола. См. приготовление в картинках.
Источник статьи: http://labtrickz.wordpress.com/j/j-2/
