Нагревание и охлаждение. Бани

В лаборатории органического синтеза большинство операций проводятся при температурах, отличающихся от комнатной температуры. Многие процессы проводят при нагревании (химические реакции, растворение, перегонка и т.д.), а некоторые при охлаждении (кристаллизация, экзотермические, плохо контролируемые химические реакции и т.д.).

В зависимости от теплоносителя бани делят на жидкостные, жидкосолевые, жидкометаллические, воздушные, паровые и песочные.

Бани применяют для нагрева сосудов, когда требуется создать вокруг нагреваемого объекта равномерное температурное поле и избежать использование открытого пламени или раскаленной электрической спирали.

 

Нагреватели. нагревательные бани

 

Большинство химических реакций при комнатной температуре протекают весьма медленно. Чтобы увеличить скорость таких реакций, повышают температуру. По закону Вант-Гоффа скорость любой химической реакции увеличивается в 2-4 раза при повышении температуры на каждые 10^о С. Повышение скорости химических реакций при нагревании связано с увеличением числа столкновений реагирующих молекул в единицу времени и с увеличением числа активных молекул, т.е. таких молекул, которые по сравнению с другими обладают повышенным запасом энергии. В качестве теплопроводящей среды в нагревательных банях применяют воздух, воду, расплавы солей, песок, органические жидкости (глицерин, масло) или металлические сплавы.

Водяные бани

 

Водяные бани используют для нагревания до температуры, не превышающей 100^о С. Вследствие незначительной тепловой инерции они позволяют очень точно поддерживать заданную температуру. Воду в бане нагревают до кипения и поддерживают в таком состоянии до завершения процесса. При работе с водяной баней необходимо следить за тем, чтобы в ней всегда была вода. Водяные бани не используются при работе с абсолютными растворителями и в тех случаях, когда присутствие водяных паров нежелательно по условиям эксперимента.

 

ВНИМАНИЕ!!!Водяные бани запрещено использовать при работе с металлическим натрием и калием, а также с другими веществами, бурно реагирующими с водой

 

Паровые бани

Для нагревания до температуры 100^оС иногда применяют паровые бани. Обычно паровая баня представляет собой сосуд, снабженный трубкой для подводки водяного пара и коленом для стока конденсата (рис 54). Это колено одновременно является гидравлическим затвором, препятствующим выходу пара. Под колено паровой бани нужно ставить какую-нибудь посуду, в которую будет стекать конденсат. Перед пуском пара рекомендуется в колено налить воды. Колбу, которая должна обогреваться паром, укрепляют на паровой бане таким образом, чтобы из нее выглядывало только горлышко сосуда. Паровую баню закрывают круглым куском жести с круглым вырезом по радиусу, позволяющим надевать эту крышку на горло колбы. Работающую баню помещают в вытяжной шкаф. Пар для обогрева можно брать из общего паропровода, если он имеется в лаборатории, или же получать его в паровике.

 

Рисунок 54. – Паровая баня

 

Масляные и парафиновые бани

Масляные и парафиновые бани используют для нагревания до 250^оС, при более высоких температурах они начинают дымить, поэтому работа с ними проводится в вытяжном шкафу. Эти бани обладают относительно большой тепловой инерцией. Баню до половины наполняют минеральными маслами, получаемыми из нефти, и нагреваемый сосуд помещают в баню таким образом, чтобы уровни вещества в сосуде и масла совпали. Максимальная температура, достигаемая с помощью таких бань, зависит от вида применяемого масла, и должна быть на 50^о С меньше температуры вспышки масла. Контроль температуры обязательно проводить с помощью контактного термометра.

Применяемое масло должно быть чистым, сухим, без инородных предметов.

 

ОПАСНО!!!Необходимо следить, чтобы в горячие масляные бани не попадала вода, т.к. это может привести к сильному вспениванию, разбрызгиванию масла и пожару.

 

Для предотвращения попадания воды, конденсирующей на поверхности, обратные холодильники должны иметь около нижнего конца манжету из фильтровальной бумаги.

 

ОПАСНО!!!При длительном нагревании до высокой температуры масло в бане может вспыхнуть. Вспыхнувшее масло нельзя тушить ни водой, ни песком. Следует накрывать баню листом асбеста или использовать огнетушитель.

 

После работы сразу же следует осторожно обтирать тряпкой, бумагой поверхность колбы, удаляя еще горячее масло.

Гликолевые бани

Часто для нагревания сосуда до температуры 150-200 ⁰С используют гликолевые бани, в которых в качестве теплоносителей применяют этиленгликоль, диэтиленгликоль, полиэтиленкликоль. Такие бани оказываются очень удобными. Попадание в такую баню воды не представляет опасности, а остающийся на поверхности колбы гликоль легко смывается водой. Однако при высоких температурах они тоже дымят, как и масляные бани, потому с ними следует работать только в вытяжном шкафу.

 

Металлические бани

Для достижения температур выше 100 ⁰С очень часто применяются бани из легкоплавких сплавов (металлические бани) – сплав Вуда или сплав Розе.

Сплав Вуда — тяжелый, легкоплавкий сплав, изобретенный в 1860 году Б.Вудом. Температура плавления 65,5 °C, плотность 9720 кг/м³. Состав: Олово — 12,5 %; Свинец — 25 %; Висмут — 50 %; Кадмий — 12,5 %.

Сплав Розе назван в честь немецкого химика Валентина Розе Старшего. Температура плавления +94 °C. Состав: Олово 25 %; Свинец 25 %; Висмут 50 %. Сплав Розе похож на Сплав Вуда, но отличается от него меньшей токсичностью, так как не содержит кадмия.

Эти сплавы обладают высокой теплопроводностью и позволяют осуществлять быстрый и равномерный обогрев. Их существенными недостатками является высокая цена и при больших размерах бани большая масса при больших размерах бани.

Солевые бани

Для нагревания до температуры выше 100^оС можно пользоваться солевыми банями, в которых теплоносителями служат растворы минеральных солей. Как известно, температура кипения растворов солей зависит от природы соли и концентрации раствора. Это дает возможность пользоваться различными степенями нагревания. Солевой раствор можно поместить в обычную водяную баню, при необходимости ее оборудуют приспособлениями для поддерживания постоянного уровня жидкости и постоянной температуры.

 

Песочные бани

Для осторожного нагревания до высокой температуры или для осторожного прокаливания используют песочные бани. Для этого берут мелкий песок и помещают его в металлическую чашку, насыпая так, чтобы получилась пирамидка. В середину пирамидки устанавливают сосуд, погружая в песок так, чтобы он не касался дна чашки. Температуру нагрева контролируют контактным термометром. Песок для бани должен быть чистым, без механических включений, прокаленным, чтобы сгорели все органические примеси. Песочные бани обладают очень большой тепловой инерцией и с трудом позволяют регулировать температуру. Кроме того, частый контакт стеклянной посуды с песком может приводить к появлению не всегда заметных трещин, что впоследствии, например, при использовании колбы для работы в вакууме, может приводить к взрыву. Поэтому, по возможности, песочные бани следует заменять другими типами нагревательных бань.

Воздушные бани

Из всех теплопроводящих сред, используемых в банях, воздух обладает наименьшей теплопроводностью. Как правило, теплопроводность газов примерно в 20 раз меньше теплопроводности жидкостей, которая в свою очередь примерно в 1000 раз меньше теплопроводности металлов.

Таким образом, переход тепла от газа (например, от горячего воздуха) относительно мал. В случае применения воздушной бани для передачи больших количеств тепла, вероятна опасность перегрева в местах, от которых тепло не отводится внутрь сосуда достаточно быстро (например, в местах, которые не смачиваются кипящей жидкостью). По этой причине воздушные бани не очень пригодны, например, при перегонке больших объемов.