Сушка газов, жидкостей и твердых веществ

Сушкой называется процесс освобождения вещества в лю­бом агрегатном состоянии от любой примеси жидкости. Чаще всего под сушкой понимают освобождение от влаги или органи­ческих растворителей.

Многие реакции в органической химии проводятся при отсут­ствии влаги, в таких случаях следует высушивать исходные веще­ства, применять абсолютированные растворители и предохранять реакционную среду от попадания влаги из воздуха. Осушитель должен действовать быстро, не растворяться в органических жид­костях, не взаимодействовать с высушиваемым веществом.

Высушивание газов. Большинство газов, получаемых в ла­боратории, а также многие сжатые газы из баллонов могут быть осушены концентрированной серной кислотой или твердыми осушителями, такими, как хлористый кальций, натронная из­весть, фосфорный ангидрид. Серной кислотой можно осушить воздух и следующие наиболее часто применяемые газы: кисло­род, водород, азот, диоксид и оксид углерода, хлор, хлороводо-род, сернистый газ. Для высушивания газ пропускают через промывные склянки Дрекселя (рис. 20), Тищенко или Алифано-ва, в которые на треть вместимости напита концентрированная серная кислота. Обычно промывная склянка соединена с источ­ником газа и прибором посредством двух пустых предохрани­тельных склянок, роль которых выполняют склянки Дрекселя или Тищенко. Высушивание газов твердыми осушителями про­водят в осушительных колонках, а для защиты газа от влаги воздуха прибор закрывают хлоркальциевой трубкой.

Рис. 20. Склянка Дрекселя

Высушивание органических жидкостей. Высушива-ние жидких органических соедине­ний или растворов их в органических раство­рителях производится обычно твердыми не­органическими осушителями. Выбор осуши­теля определяется рядом условий, причем хо­роший осушитель должен удовлетворять сле­дующим основным требованиям:

- не должен химически взаимодействовать с высушиваемым органическим соединением;

не должен каталитически способствовать самоокислению,
полимеризации и конденсации высушиваемых органических соединений;

не должен заметно растворяться в органической жидкости;

должен высушивать быстро и эффективно;

должен быть доступным веществом.

Относительная эффективность осушителей зависит от дав­ления паров в системе вода - осушитель.

При высушивании жидких органических соединений или растворов их в органических растворителях всегда следует брать небольшое количество осушителя, чтобы избежать потерь от ад­сорбции вещества осушителем. Лучше всего встряхивать жид­кость с осушителем до тех пор, пока не прекратится его действие. Если объем воды, удаляемой из жидкости, велик и вследствие этого выделяется небольшой слой водного раствора осушителя (например, с хлористым кальцием, гидроксидом натрия, или дру­гими осушителями), то следует этот водный раствор отделить, а жидкость обрабатывать дальше новой порцией осушителя при встряхивании. Даже в том случае, когда после такой обработки осушителем жидкость будет казаться сухой, следует отфильтро­вать ее и оставить на ночь с новой порцией осушителя.

Перед перегонкой высушенную жидкость обычно отфильт­ровывают от осушителя через складчатый фильтр. Это особенно необходимо в тех случаях, когда применялись осушители, дей­ствие которых основано на способности к образованию гидра­тов (безводные сернокислый натрий, сернокислый магний, хло­ристый кальций); при повышенных температурах давление пара над солью становится заметным, и если соль не была отфильт­рована, то большая часть воды, если не вся вода, может снова оказаться в полученном при перегонке дистилляте.

Некоторые осушители (металлический натрий, оксиды кальция, бария, фосфора (V)) при взаимодействии с водой дают в качестве продуктов реакции вполне устойчивые гидраты, а потому фильтрование высушенной ими жидкости не является обязательным.

Высушивание твердых веществ. Легколетучие примеси мо­гут быть удалены из негигроскопичных твердых веществ высу­шиванием на фильтровальной бумаге, термически устойчивые вещества могут быть высушены в сушильных шкафах. Для суш­ки твердых веществ часто применяют обыкновенные и вакуум-эксикаторы. Последние в крышке имеют отверстие, в которое на резиновой пробке вставляют трубку с краном. Это дает возмож­ность соединить эксикатор с водоструйным насосом, между ко­торыми помещают манометр и предохранительную склянку.

Под вакуумом эксикаторы могут взрываться, поэтому перед включением насоса их необходимо обернуть полотенцем. При открывании вакуум-эксикатора, чтобы избежать распыления высушенного вещества воздухом, следует очень осторожно и медленно поворачивать кран. Только после того как давление будет уравнено, можно открывать притертую крышку вакуум-эксикатора.

Осушающий агент подбирают в зависимости от химических свой-ств высушиваемого вещества. Чаще всего в качестве осу­шителей для эксикаторов применяют хлорид кальция, натрон­ную известь, гидроксид натрия, гидроксид калия, фосфорный ангидрид, концентрированную серную кислоту. При этом нужно помнить, что серную кислоту нельзя применять для высушива­ния в вакууме, ее используют только в обыкновенных эксикато­рах для поглощения влаги, остатков спирта, эфира, ацетона, анилина, пиридина. Для адсорбции углеводородов, особенно гексана, лигроина, бензола и его гомологов, в качестве заполни­теля для эксикатора применяют парафин; для удаления веществ кислого характера применяют гидроксид натрия или гидроксид калия. Вода и спирты хорошо поглощаются фосфорным ангид­ридом, натронной известью.

Основные осушители

Приводим описание обычно употреб­ляемых осушителей с указанием их осушительной способности и случаев их применения.

Безводный хлорид кальция (СаС1₂). Благодаря своей доступ­ности, дешевизне, простоте приготовления и высокой осуши­тельной способности широко применяется в качестве осушите­ля. Он очень хорошо адсорбирует воду, так как при температу­рах, не превышающих 30 °С, образует СаС1₂^. 6Н₂О. Однако хло­рид кальция не относится к числу быстродействующих осуши­телей и для высушивания им требуется продолжительное время. Медленность действия обусловливается тем, что поверхность твердого хлорида кальция покрывается тонким слоем его раствора в извлекаемой воде; при стоянии вода поглощается с образованием твердого низшего гидрата, который в свою очередь также является осушителем.

В процессе приготовления безводного хлорида кальция (выпаривание насыщенного раствора и последующее прокали­вание) обычно, хотя и в незначительной степени, происходит гидролиз соли. Вследствие этого осушитель всегда может со­держать небольшое количество гидроксида кальция или основ­ной соли кальция. Поэтому нельзя применять хлорид кальция для высушивания кислот или кислых жидкостей.

Хлорид кальция образует соединения со спиртами, фенола­ми, аминами, аминокислотами, амидами и нитрилами кислот, кетонами, некоторыми альдегидами и сложными эфирами, и потому его нельзя употреблять для высушивания таких веществ.

Безводный сульфат магния (МgSО₄). Он является очень хо­рошим нейтральным осушителем. Высушивает быстро, химиче­ски инертен, а потому может применяться для высушивания наибольшего числа соединений, включая и те, для которых не­применим хлорид кальция.

Гранулированный сульфат магния получают осторожным нагреванием МgSО₄^.7Н₂О сначала при 150-175 °С в муфельной или какой-либо другой печи до тех пор, пока не будет удалена большая часть гидратной воды, а затем при красном калении.

Можно получить безводный сульфат магния и более быст­ро, но с меньшей осушительной способностью, нагревая в чашке на голом пламени горелки тонкий слой кристаллической соли. Вещество при этом частично плавится и обильно, выделяет пары воды.

Твердый остаток (кусочки и порошок) растирают в ступке в порошок и хранят в плотно закрытой банке. Если при прокали­вании размешивать кристаллическую соль стеклянной папочкой, то сразу получают только сухой порошок.

Безводный сульфат натрия Nа₂SО₄). Это нейтральный, дешевый осушитель, обладающий высокой способностью к ад­сорбции воды: при температуре ниже 32,4 °С он образует гидрат Nа₂SО₄ ^.10Н₂О. Его можно употреблять почти во всех случаях, но высушивает он медленно и не до конца. Безводный серно­кислый натрий следует применять для предварительного удале­ния больших объемов воды. Он не пригоден в качестве осуши­теля для таких растворителей, как бензол и толуол, раствори­мость которых в воде мала; в этих случаях лучше применять безводный сульфат меди. Безводный сульфат натрия нельзя применять как осушитель при температурах выше 32,4°С - тем­пературы разложения декагидрата (Nа₂SО₄ ^.10Н₂О).

Безводный карбонат калия (К2СО₃). Обладает умеренным осушающим действием, он образует дигидрат К₂СО₃^.2Н₂О. Применяется для высушивания кетонов, нитрилов, сложных эфиров некоторых кислот. Иногда, например, при высушивании аминов им заменяют гидроксид калия и гидроксид натрия, во избежание действия сильной щелочи. Карбонат калия нельзя потреблять для высушивания кислот, фенолов и других кислых соединений.

Безводный карбонат калия часто применяется для высалива­ния растворенных в воде спиртов, гликолей, кетонов, простых 1фиров и аминов. Во многих случаях безводный карбонат калия можно заменять безводным сульфатом магния.

Гидроксид натрия (NаОН) и гидроксид калия (КОН). Их применяют главным образом для высушивания аминов (для этой цели можно также применять оксид кальция, оксид бария и натронную известь). Иногда лучше применять гидроксид калия, чем гидроксид натрия. Большую часть воды можно сначала удалить встряхиванием с концентрированным раствором гидро-ксида калия. Гидроксид натрия и гидроксид калия реагируют в присутствии воды со многими органическими соединениями (кислотами, фенолами, сложными эфирами, амидами) и раство­ряются в некоторых органических жидкостях, поэтому находят лишь весьма ограниченное применение в качестве осушителей.

Оксид кальция (СаО). Его применяют обычно для высуши-вания спиртов, обладающих низкой молекулярной массой. Дей­ствие оксида кальция может быть усилено предварительным на­греванием его до 700-900 °С. Оксид кальция и образующийся гидроксид кальция нерастворимы в высушиваемой жидкости, устойчивы к нагреванию и практически нелетучи, поэтому нет надобности отделять осушитель перед перегонкой. Оксид каль­ция (из-за его сильной щелочности) нельзя применять для вы­сушивания кислых соединений и сложных эфиров; последние претерпевали бы омыление. Спирты, высушенные перегонкой над натронной известью или оксидом кальция, все же не вполне сухи; последние следы влаги из них можно удалить перегонкой над металлическим кальцием, амальгамой магния или алюми­ния, или обработкой небольшим количеством натрия и высоко­кипящим сложным эфиром.

Оксид алюминия (А1₂О₃), приготовленный из гидроксида алюминия, может адсорбировать воду до 15-20% своей массы. Активность использованного оксида алюминия может быть вос-

становлена нагреванием при 175 °С в течение 7-8 ч и заметно не снижается при повторном употреблении. Применяется как осу­шитель в эксикаторах.

Оксид фосфора (V) (Р₂О₅). Исключительно эффективный и быстродействующий осушитель. Однако оксид фосфора доро­гой препарат и к тому же неудобный в обращении; при употреб­лении его поверхность быстро покрывается густым сиропом. Поэтому необходимо предварительно высушивать жидкость безводным сульфатом магния или другим подобным осушите­лем. Оксид фосфора следует употреблять только в тех случаях, когда требуется исключительно высокая степень высушивания. Его применяют, например, для высушивания углеводородов, простых эфиров, алкил- и арилгалргенидов и нитрилов, но не используют для осушки спиртов, кислот, аминов и кетонов. Ок­сид фосфора применяют иногда как осушитель в эксикаторах.

Металлический натрий (Nа). Применяется для высушива­ния парафиновых, циклопарафиновых, этиленовых и арома­тических углеводородов, а также простых эфиров. Предвари­тельно большую часть воды из жидкости или раствора удаляют безводным хлоридом кальция или сульфатом магния. Примене­ние натрия наиболее эффективно в виде тонкой проволоки, ко­торую выдавливают прямо в жидкость специальным прессом; таким путем создается большая поверхность для соприкоснове­ния с жидкостью. Нельзя применять натрий для высушивания таких соединений, с которыми он реагирует и которым может быть вредна образующаяся щелочь или когда высушиваемое соединение может восстанавливаться водородом, выделяющим­ся при обезвоживании. Следовательно, нельзя применять натрий для высушивания спиртов, кислот, сложных эфиров. органиче­ских галогенидов, альдегидов, кетонов и некоторых аминов.

При работе с натрием следует соблюдать особую осторож­ность.

Концентрированная серная кислота (Н₂SО₄). Применяется, например, для высушивания брома, с которым она не смешива­ется. Для высушивания брома, бромистого этила и некоторых других галоидных алкилов их встряхивают в делительной во­ронке с небольшими количествами концентрированной кислоты до тех пор, пока не прекратится ее действие.

Концентрированная серная кислота широко используется в качестве осушителя в эксикаторах.

Гигроскопическая вата - отличный осушитель для приме­нения в так называемых «хлоркальциевых трубках», т.е. осу­шительных трубках, которыми закрывают капельные воронки, обратные холодильники, чтобы предохранить их от влаги воздуха. Гигроскопическая вата более удобна для этой цели, чем хлористый кальций. Перед употреблением вату следует высу­шивать в сушильном шкафу при 100°С.

Фильтрование

В лабораторной практике для механического разделения твердых и жидких компонентов какой-либо смеси обычно поль­зуются фильтрованием. Однако в простейшем случае можно использовать сливание жидкости с отстоявшегося осадка, т.е. декантацию. Рекомендуется использовать оба приема: сначала отделить жидкость и промыть несколько раз осадок декантаци­ей, а затем уже применить фильтрование.

Промывание с применением декантации заключается в том, что осадок заливают водой или специально приготовленной промывной жидкостью, взбалтывают с помощью стеклянной палочки и дают отстояться. Затем жидкость осторожно, во из­бежание разбрызгивания, сливают с осадка по стеклянной па­лочке на фильтр в воронке, при этом осадок должен оставаться в сосуде. Промывку осадка повторяют несколько раз. Путем де­кантации удается более полно отмыть осадок от маточного рас­твора; при фильтровании же сделать это удается не всегда, в си­лу того что осадок легко слеживается. Промывание нужно про­водить возможно малым количеством жидкости, так как абсо­лютно нерастворимых веществ нет, и каждый раз при промыва­нии свежей порцией жидкости часть осадка, хотя и незначи­тельная, переходит в раствор. При промывании осадка наливать жидкость на фильтр следует в таком количестве, чтобы она пол­ностью покрывала осадок и не доходила до краев фильтра на 3-5 мм; кроме того, выливать новую порцию жидкости на фильтр нужно после того, как предыдущая будет полностью от­фильтрована.

На эффективность фильтрования влияют следующие факторы: вязкость (чем выше вязкость раствора, тем труднее фильт­рование); температура (чем выше температура раствора, тем легче
фильтрование); давление (чем выше давление, тем быстрее фильтрование жидкости); размер частиц твердого вещества (чем больше размер частиц вещества по сравнению с размером пор фильтра, тем легче фильтрование).

Из фильтрующих средств в лаборатории чаще всего приме­няют фильтровальную бумагу, ткани, пористое стекло, асбест и т.п. Фильтрование при обычном давлении. Этот способ фильт­рования является наиболее простым и часто применяемым. Фильтрованием при обычном давлении называется процесс, в котором жидкость проходит через фильтрующий материал только под давлением столба фильтруемой жидкости.

В обычную стеклянную воронку вкла­дывают простые или складчатые фильтры из фильтровальной бумаги. Для изготов­ления простого фильтра квадратный кусок фильтровальной бумаги складывают вчет­веро, свободный угол полученного квадрата обрезают ножницами по пунктирной линии. Отделив один слой бумаги, рас­правляют готовый фильтр, который принимает вид конуса.

Фильтрование значительно ускоряется при пользовании складчатым фильтром (рис. 22), так как фильтрующая поверхность его больше, чем у простого фильтра. Однако складчатый фильтр используют лишь в том случае, когда остающийся на фильтре осадок не нужен или его немного.

Рис. 22. Фильтрование на складчатом фильт­ре (горячее фильтро­вание)

Фильтр следует подбирать таким образом, чтобы размер его соизмерялся с объемом осадка, при этом край фильтра в воронке должен быть всегда ниже края воронки на 3-5 мм. Фильтр должен плотно прилегать к стенкам воронки, причем при вкладывании необходимо следить, чтобы не прорвалась его верхушка. Перед фильтрованием фильтр нужно смочить в воронке чистым растворителем. Уровень фильтруемой жидкости в воронке должен быть ниже края бумаги.

Условием быстрого фильтрования является наличие жидкости в трубке ворон­ки. Для этого при смачивании наливают в воронку растворитель выше края фильтра, а затем немного приподнимают фильтр и быстро опускают, при этом образуется столб жидкости в трубке.

В тех случаях, когда жидкость имеет большую вязкость, а также в случае перекристаллизации фильтрование проводят при нагревании. Обычно для этой цели применяют воронки для го­рячего фильтрования. Для фильтрования веществ с низкой тем­пературой плавления (например, уксусная кислота, бензол) применяют специальные воронки с охлаждением. В присутствии сильных щелочей и кислот, ангидридов, окислителей и других веществ, разрушающих фильтровальную бумагу, осадки фильтруют через пористые стеклянные фильтры.

Фильтрование под вакуумом. Сущность фильтрования под вакуумом заключается в том, что в приемнике создают пони­женное давление, вследствие чего жидкость фильтруется под давлением атмосферного воздуха. Это ускоряет процесс фильт­рования. Прибор для отсасывания состоит из фарфоровой во­ронки Бюхнера, колбы Бюнзена, предохранительной склянки и водоструйного насоса (рис. 23).

Размер воронки Бюхнера должен соответствовать количест­ву отфильтровываемого вещества— кристаллы должны полно­стью покрывать поверхность фильтра, однако слишком толстый их слой затрудняет отсасывание и промывание. Между колбой Бюнзена и вакуум-насосом помещают предохранительную склянку, так как при падении давления в водопроводной сети вода из насоса при отсутствии предохранительной склянки по­падает в колбу Бюнзена. Предохранительную склянку соединя­ют с водоструйным насосом с помощью толстостенной резино­вой трубки, стенки которой не сжимаются при наличии в трубке разрежения.

Рис. 23. Установка для фильтрования в вакууме (1 - воронка Бюхнера; 2 - колба Бюнзена; 3 - предохранитель­ная склянка; 4 - подвод вакуума с маномеметром)

В химической лаборатории чаще всего применяются водо­струйные вакуум-насосы, которые работают по принципу увле­чения частиц газа струей жидкости. Они бывают стеклянные и металлические. Их прикрепляют к водопроводному крану с по­мощью насадки.

На верхний конец насоса надевают толстостенную резино­вую трубку или прорезиненный шланг длиной 10 см, который закрепляют мягкой железной проволокой, чтобы не просачива­лась вода. Другой конец трубки или шланга соединяют с насад­кой крана и также стягивают проволокой. Затем проверяют на­сос. Для этого открывают водопроводный кран, а отверстие бо­кового отростка насоса закрывают пальцем. Если палец присасывается, значит, насос для работы годен. На боковой отросток водоструйного насоса надевают толстостенную резиновую трубку, которую соединяют с предохранительной склянкой.

Чисто вымытую воронку Бюхнера вставляют в колбу на ре-зиновой пробке (корковые пробки применять не рекомендуется из-за их пористости). На сетчатую перегородку воронки помещают кружок фильтровальной бумаги, диаметр которого на I мм меньше внутреннего диаметра воронки. Чтобы вырезать такой кружок, берут вдвое сложенный лист фильтровальной бумаги, накладывают сверху на воронку и слегка нажимают ладонью. На бумаге получается отпечаток круга верхнего диаметра; затем ножницами подгоняют кружок до нужного размера. Уложив бумажный фильтр в воронку, смачивают его растворителем и включают насос, с тем чтобы фильтр присосался ко дну воронки. В случае хорошо положенного фильтра слышится спокойный шумящий звук, если же фильтр положен неплотно и имеется подсос воздуха, - свистящий звук. После проверки фильтра, не выключая насос, в воронку наливают до половины высоты фильтруемую смесь.

При фильтровании необходимо следить, чтобы на поверхности осадка не образовалось трещин, так как это ведет к неравномерному, неполному отсасыванию и к загрязнению осадка в результате испарений растворителя. Кроме того, нужно следить, чтобы в колбе не собиралось слишком много фильтрата, иначе он будет втягиваться в насос. При фильтровании огнеопасных жидкостей необходимо соблюдать соответствующие меры предосторожности. Чтобы удалить остатки маточного раствора, кристаллы промывают на фильтре небольшими порциями растворителя. Для этого осадок на фильтре пропитывают растворителем, а затем включают насос.

Промытые кристаллы на фильтре отжимают плоской частью стеклянной пробки до тех пор, пока не перестанет капать маточный раствор. Затем воронку вместе с пробкой вынимают из колбы и вытряхивают фильтр вместе с осадком на фильтровальную бумагу. Очистив бумажный кружок и стенки воронки лопаточкой от приставших кристаллов, отжимают полученный продукт в фильтровальной бумаге и высушивают на воздухе или другими способами.