Металлическое оборудование

В химических лабораториях широко применяют разнообразное металлическое оборудование, преимущественно стальное.

Штативы (рис. 26) с набором муфт, лапок и колец используют для закрепления на них во время работы различных приборов, стеклянной посуды (холодильников, колб, делительных воронок и пр.). Кольца, закрепленные на штативе, используют также при нагревании химической посуды на металлических асбестированных сетках (рис. 27) газовыми горелками.

Треноги (рис. 28) применяют в качестве подставок для различных приборов, колб и пр. Они особенно удобны при нагревании крупных по размеру колб и громоздких приборов.

Держатели для пробирок (рис. 29)– приспособления, которые используются при непродолжительном нагревании пробирок.

Пинцеты (рис. 30) – приспособления для захватывания мелких предметов, а также веществ, которые нельзя брать руками, например, металлический натрий.

Тигельные щипцы (рис. 30) применяют для захватывания горячих тиглей при извлечении их из муфельной печи, снятия раскаленных тиглей с фарфоровых треугольников и при всех работах, когда приходится иметь дело с раскаленными предметами.

Зажимы (рис. 31) – приспособления, используемые для зажимания резиновых трубок. Обычно применяют пружинные зажимы (зажимы Мора) и винтовые (зажимыГофмана). Последние позволяют легко регулировать скорость вытекания жидкости или интенсивность прохождения газов.

Лабораторные нагревательные приборы.

В лаборатории применяют различные нагревательные приборы: газовые горелки, электрические плитки, бани, сушильные шкафы, муфельные печи и т. п.

Газовые горелки. Наиболее часто применяют газовые горелки Бунзена и Теклю (рис.32). В газовых горелках предусмотрено регулирование поступления воздуха с помощью вращения диска (горелка Теклю) или поворотом хомутика (горелка Бунзена). Горелка Теклю с регулировочным диском – более совершенный прибор, так как в ней можно точнее регулировать не только доступ воздуха, но и приток газа (с помощью винта). Зажигать газовую горелку нужно только через 1-2 с после пуска газа и при небольшом доступе воздуха. Затем следует отрегулировать доступ воздуха так, чтобы пламя стало несветящимся.

ВНИМАНИЕ! Необходимо помнить, что природный газ ядовит и образует с воздухом взрывоопасные смеси. Поэтому нельзя допускать утечки газа!

Бани (рис.33). Для продолжительного нагревания в пределах температуры 100-300⁰С применяют бани: водяную, песчаную и др. Они представляют собой, как правило, металлические чаши, заполненные водой (водяная баня) или сухим, чистым песком, прокаленным для удаления из него органических примесей (песчаная баня). Нагревание бань проводят пламенем газовой горелки. Используются также водяные и песчаные бани с электрообогревом.

Электрические плитки. В тех случаях, когда требуется нагревание, а пользоваться горелками нельзя (например, при перегонке воспламеняющихся легколетучих жидкостей) применяют электрические плитки.

Для нагревания круглодонной стеклянной посуды применяютколбонагреватели (рис.34).

Печи. Для получения температуры 600-1400⁰С применяются электрические муфельныепечи (рис.35). С помощью особого регулировочного устройства печь может нагреваться до определенной, заранее заданной температуры.

Сушильные шкафы (рис.36) имеют электрический обогрев и терморегулятор, позволяющий поддерживать постоянную температуру. Для наблюдения за температурой шкаф снабжен термометром. Высушиваемое вещество помещается в сушильный шкаф, отрегулированный на требуемую температуру, и выдерживается в нем при заданной температуре определенное время. В работах количественного характера сушку проводят несколько раз до достижения высушиваемым веществом постоянной массы.

Чистые вещества и смеси

Чистое вещество содержит частицы только одного вида. Примерами могут служить серебро (содержит только атомы серебра), серная кислота и оксид углерода (IV) (содержат только молекулы соответствующих веществ). Все чистые вещества имеют постоянные физические свойства, например, температуру плавления (Т_пл) и температуру кипения (Т_кип).

Вещество не является чистым, если содержит какое-либо количество одного или нескольких других веществ – примесей.

Загрязнения понижают температуру замерзания и повышают температуру кипения чистой жидкости. Например, если в воду добавить соль, температура замерзания раствора понизится.

Смеси состоят из двух или болеевеществ. Почва, морская вода, воздух – все это примеры различных смесей. Многие смеси могут быть разделены на составные части – компоненты – на основании различия их физических свойств.

Различают гомогенные (однородные) и гетерогенные (неоднородные) смеси. Особенностью гомогенной смеси является то, что между компонентами такой смеси не наблюдается поверхности раздела. В этом случае говорят, что данная смесь является однофазной (фаза часть системы отделенная от других частей видимой поверхностью раздела). В пределах одной фазы физические свойства компонентов сохраняются постоянными. К гомогенным системам относятся истинные растворы (размер частиц растворенного вещества соотносится с размерами частиц растворителя и составляет ≤10^-9м).

Особенностью гетерогенной смеси является то, что мы можем наблюдать поверхность раздела между ее компонентами. При переходе из одной фазы компонента в другую его свойства резко изменяются. Гетерогенные смеси иначе называются дисперсные системы. Дисперсные системы состоят из дисперсионной среды (растворитель, непрерывная фаза) и дисперсной фазы (растворенного вещества или прерывистой фазы)

К гетерогенным смесям относятся дисперсные системы (размер частиц растворенного вещества значительно превышает размер частиц растворителя и составляет ≥10^-9м). Смеси, в которых размер частиц вещества составляет 10^-7 -10^{-9 м, относятся к коллоидным системам.}

К дисперсным системам относятся:

- суспензии, смесь, состоящая из твердой и жидкой фазы (обозначение Т/Ж; Т- дисперсная фаза, Ж – дисперсионная среда)

- эмульсии, смесь из 2-х и более несмешивающихся жидкостей (обозначение – Ж/Ж. Дисперсная фаза и дисперсионная среда жидкости различающиеся по плотности и температурам кипения).

Более подробно данные системы будут рассмотрены в теме растворы и дисперсные системы.

Методы разделения смесей

Традиционными методами, которые используются в лабораторной практике с целью разделения смесей на отдельные компоненты, являются:

· фильтрование,

· декантация (в химической лабораторной практике и химической технологии механическое отделение твёрдой фазы дисперсной системы (суспензии) от жидкой путём сливания раствора с осадка),

· разделение с помощью делительной воронки,

· центрифугирование,

· выпаривание,

· кристаллизация,

· перегонка (в том числе фракционная перегонка),

· хроматография,

· возгонка и другие.

Фильтрование. Для отделения жидкостей от взвешенных в ней мелких твердых частиц применяют фильтрование (рис.37), т.е. процеживание жидкости через мелкопористые материалы – фильтры, которые пропускают жидкость и задерживают на своей поверхности твердые частицы. Жидкость, прошедшая через фильтр и освобожденная от находившихся в ней твердых примесей, называется фильтратом.

В лабораторной практике часто применяют гладкие и складчатые бумажные фильтры (рис.38), сделанные из непроклеенной фильтровальной бумаги.

Для фильтрования горячих растворов (например, с целью перекристаллизации солей), применяют специальную воронку для горячего фильтрования (рис.39) с электрическим или водяным обогревом).

Часто применяют фильтрование под вакуумом. Фильтрование под вакуумом используют для ускорения фильтрования и более полного освобождения твердой фазы от жидкой. Для этой цели собирают прибор для фильтрования под вакуумом (рис.40). Он состоит из колбы Бунзена, фарфоровой воронки Бюхнера, предохранительной склянки и вакуум-насоса (обычно водоструйного).

В случае фильтрования суспензии малорастворимой соли кристаллы последней могут быть промыты дистиллированной водой на воронке Бюхнера для удаления с их поверхности исходного раствора. Для этой цели используют промывалку (рис.41).

Декантация. Жидкости могут быть отделены от нерастворимых твердых частиц декантацией (рис.42). Этот метод можно применять, если твердое вещество имеет большую плотность, чем жидкость. Например, если речной песок добавить в стакан с водой, то при отстаивании он осядет на дно стакана, потому что плотность песка больше, чем воды. Тогда вода может быть отделена от песка просто сливанием. Такой метод отстаивания и последующего сливания фильтрата и называется декантацией.

Центрифугирование. Для ускорения процесса отделения очень мелких частиц, образующих в жидкости устойчивые суспензии или эмульсии, используют метод центрифугирования. Этим методом можно разделить смеси жидких и твердых веществ, различающихся по плотности. Разделение проводится в ручных или электрических центрифугах (рис.43).

Разделение двух несмешивающихся жидкостей, имеющих различную плотность и не образующих устойчивых эмульсий, можно осуществить с помощью делительной воронки (рис.44). Так можно разделить, например, смесь бензола и воды. Слой бензола (плотность r = 0,879 г/см³) располагается над слоем воды, которая имеет большую плотность (r = 1,0 г/см³). Открыв кран делительной воронки, можно аккуратно слить нижний слой и отделить одну жидкость от другой.

Выпаривание (рис.45) – этот метод предусматривает удаление растворителя, например, воды из раствора в процессе нагревания его в выпарительной фарфоровой чашке. При этом выпариваемая жидкость удаляется, а растворенное вещество остается в выпарительной чашке.

Кристаллизация – это процесс выделения кристаллов твердого вещества при охлаждении раствора, например, после его упаривания. Следует иметь в виду, что при медленном охлаждении раствора образуются крупные кристаллы. При быстром охлаждении (например, при охлаждении проточной водой) образуются мелкие кристаллы.

Перегонка - метод очистки вещества основанный на испарении жидкости при нагревании с последующей конденсацией образовавшихся паров. Очистка воды от растворенных в ней солей (или других веществ, например, красящих) перегонкой называется дистилляцией, а сама очищенная вода – дистиллированной.

Фракционная перегонка (дистилляция) (рис.46) применяется для разделения смесей жидкостей с различными температурами кипения. Жидкость с меньшей температурой кипения закипает быстрее и раньше проходит через фракционную колонку (или дефлегматор). Когда эта жидкость достигает верха фракционной колонки, то попадает в холодильник, охлаждается водой и через аллонж собирается в приемник (колбу или пробирку).

Фракционной перегонкой можно разделить, например, смесь этанола и воды. Температура кипения этанола 78⁰С, а воды 100⁰С. Этанол испаряется легче и первым попадает через холодильник в приемник.

Возгонка – метод применяется для очистки веществ, способных при нагревании переходить из твердого состояния в газообразное, минуя жидкое состояние. Далее пары очищаемого вещества конденсируются, а примеси, не способные возгоняться, отделяются.

Вопросы и упражнения

1. Что такое вещество?

2. Дайте определение следующим понятиям: а) атом, б) молекула, в) химический элемент.

3. Что отличает один химический элемент от другого?

4. Что такое химический знак (символ элемента) и что он обозначает?

5. Что обозначает химическая формула?

6. Дайте определение следующим понятиям: а) простое вещество, б) сложное вещество.

7. Чем отличается чистое вещество от смеси веществ?

8. Что такое качественный состав вещества?

9.Что такое количественный состав вещества? Какими способами его можно выразить?

10. Как определить массовая доля элемента в сложном веществе?\

11. Определить массу 10 молекул воды

12. Определите массу 1000 атомов хлора

13. Определить относительную плотность аргона по воздуху

14. Сколько молекул содержится в 1л водорода

15. какова масса 10 моль сульфида натрия

16. какой объем займет газ сероводород массой 34 кг (условия нормальные)

Задания для самопроверки

1. В каком числе случаев упоминаются простые вещества:

олеум, вода, железо, мел, сера, сахар, графит?

2. Под каким номером приведена запись, изображающая 2 моль молекул воды?

1. Н₂О 2. 2Н₂О₂ 3. Н₂О₂ 4. 2Н₂О

3. Под каким номером приведено округленное значение относительной молекулярной массы хлора?

1. 17 2. 35,5 3. 71 г/моль 4. 71 г 5. 71.

4. В массе 1 грамм, какого из перечисленных ниже веществ, содержится наибольшее количество этого вещества (в молях)? В ответе укажите номер, под которым расположена формула этого вещества.

1. Н₂ 2. Н₂Те 3. НF 4. СO₂ 5. NO₂

5. Массовые доли меди и цинка в некотором сплаве соответственно равны ω(Cu) = 60% и ω(Zn) = 40%. Какое количество вещества (в молях) меди приходится на 1 моль цинка в этом сплаве? В ответе укажите номер, под которым расположено найденное значение.

1. 1,50 2. 3 3. 1,525 4. 63,5 5. 0,985

Экспериментальная часть