Нагревание и охлаждение

Нагревание и охлаждение (теплопередача) — важнейшие средства регулирования хода химических процессов. Температура влияет не только на скорость органических реакций, но часто и на их направление. Охлаждение необходимо при проведении некоторых реакций, выделении продуктов реакций, а также при хранении нестойких веществ.

Теплопередача может осуществляться посредством теплопроводности, конвекции или излучения. Теплопроводность — процесс передачи теплоты через твердое тело, например через стенку колбы. Конвекция возможна там, где частицы веществ не имеют фиксированного положения, т. е. в жидкостях и газах. В этом случае теплота переносится при помощи движущихся частиц. Излучение — это передача теплоты тепловыми лучами с длиной волны в пределах 0,8—300 мкм. Чаще всего теплопередача осуществляется одновременно всеми тремя способами, хотя, конечно, не в равной мере.

Нагревание. Нагревание используют для ускорения большинства органических реакций, при выделении и очистке веществ (перегонка, возгонка, растворение, плавление, сушка), при определении физических констант веществ (температура плавления, температура кипения и т. д.). Большинство органических реакций протекает сравнительно медленно. Чтобы иметь максимальный выход, увеличивают продолжительность или повышают температуру реакции. С повышением температуры на 10° скорость реакции увеличивается примерно в 2,5 раза.

Часто реакционную массу кипятят в колбе, снабженной обратным холодильником, при этом температура в процессе реакции остается приблизительно постоянной.

В лаборатории применяют различные нагревательные приборы. Электроплитки с закрытой спиралью предназначены для прямого нагревания круглодонных колб. Еще лучше мягкие колбонагреватели из стекловолокна с вплетенными электрическими спиралями.

Рис. 19. Регулятор уровня воды для водяной бани:

1 — передвижная стеклянная трубка; 2 — приток воды; 3 — сток воды Непосредственное нагревание стеклянных сосудов пламенем горелки Теклю или Бунзена применяют редко ввиду малой устойчивости стекла к резким изменениям температуры. Поэтому правилами техники безопасности? запрещается нагревать горючие жидкости на открытом пламени. Кроме того, из-за местных перегревов возможно частичное разложение органических соединений. Обычно пользуются нагревательными банями, где теплопроводящей средой могут быть воздух, вода, органические жидкости, расплавы солей или металлов.

Для получения температуры не выше 100 °C применяют водяные бани. Наиболее удобны медные или латунные бани, покрытые сверху кольцами. При длительном нагревании особенно удобна водяная баня с переливом и автоматической подачей воды, что обеспечивает постоянную температуру нагревания (рис. 19).

? Водяные бани нельзя использовать при работе с металлическим калием и натрием! ?

Для температур от 100 до 200 °C применяют масляные бани. Их до половины наполняют минеральным маслом. Темные технические масла, получаемые при сухой перегонке угля, устойчивы до 240 °C. Парафиновое масло начинает разлагаться при температуре выше 220 °C. Особенно внимательно надо следить за тем, чтобы в такие бани не попадала вода, так как масло при нагревании начинает пениться и разбрызгиваться. Обратные холодильники поэтому всегда должны иметь около нижнего конца манжету из фильтровальной бумаги. После окончания работы сразу обтирают поверхность колбы, удаляя еще горячее масло. Нагревание выше 150 °C лучше проводить? под тягой <, чтобы избежать запаха продуктов разложения масла.

Во многих случаях более удобны гликолевые бани (триэтиленгликоль, диэтиленгликоль, этиленгликоль). В зависимости от применяемого гликоля эти бани используют при нагревании до 150—200 °С. При более высоких температурах они сильно «дымят» и работать с ними следует только в вытяжном шкафу.

Для температур выше 100 °C универсальное применение имеют металлические бани, где используют легкоплавкие сплавы (сплав Вуда или Розе с т. пл. 71 и 94 °С). Высокая теплопроводность металлов способствует очень быстрой передаче теплоты от металлических бань. Их используют главным образом для нагревания небольших колб. Сосудом для бани может служить железная чашка. По окончании нагрева колбу вынимают из еще горячего сплава, прежде чем он затвердеет.

Для контроля за температурой в баню помещают термометр. При пользовании металлическими и парафиновыми банями необходимо удалить его из бани до начала затвердевания расплава.

Применяя специальные регулирующие приспособления, можно поддерживать постоянную температуру долгое время. В лабораториях обычно пользуются прибором, состоящим из контактного термометра и реле (рис. 20).

Охлаждение. Для охлаждения до комнатной температуры чаще всего применяют воду. Если не требуется быстрого охлаждения, достаточно погрузить реакционную колбу или стакан в большой сосуд, через который непрерывно протекает холодная вода. В случае сильно экзотермических реакций вода даже при перемешивании не в состоянии отобрать достаточное количество теплоты, поэтому ее следует заменить другим охлаждающим агентом.

Иногда температуру реакции регулируют многократным кратковременным охлаждением. Для этого используют закрытую с одного конца свинцовую трубку в виде почти замкнутого кольца (рис. 21, б), снабженную небольшими отверстиями.

Рис. 20. Схема включения электромаг- Рис. 21. Охлаждение поверхнонитного реле для поддержания постости колбы с помощью свинцоянной температуры (нагрев включен) вой кольцевой трубки Вода из отверстий трубки равномерно стекает по поверхности колбы и отводится в слив (рис. 21, а).

Для охлаждения до О °С пользуются льдом. Для хорошего охлаждения важен тесный контакт охлаждаемой поверхности с охлаждающим агентом, поэтому лед надо сильно измельчать.

При работе с некоторыми водными растворами, где небольшое разбавление допустимо, очень быстрого охлаждения можно достичь, добавляя кусочки льда непосредственно в реакционную смесь. Часто для охлаждения пользуются охлаждающими смесями. При смешивании одной части поваренной соли и трех частей мелкого льда получают температуру от -5 до -18 °С.

Таблица 1. Охлаждающие смеси.

т — масса соли (г) на 100 г воды или льда.

Смесь пяти частей кристаллического хлорида кальция и четырех частей мелкого льда дает охлаждение от -40 до -50 °С. Другие варианты охлаждающих смесей приведены в табл. 1.

Для охлаждения до -80 °С берут твердый оксид углерода (1У) («сухой лед»). Однако сухой лед плохо проводит теплоту, поэтому применяют смесь его с различными органическими растворителями (например, с ацетоном).

Другой принцип достижения очень низких температур и интенсивного охлаждения основан на испарении низкокипящих жидкостей за счет теплоты окружающей среды. Так, при помощи жидкого воздуха или жидкого азота можно достичь охлаждения до -180 °С.