Сборка прибора, в котором проводится реакция, должна производиться с большой тщательностью. В тех случаях, когда реакция проводится при нагревании реакционной смеси до кипения, следует пользоваться круглодонными колбами, как более прочными и устойчивыми по отношению к температурным воздействиям и толчкам сопровождающим кипение жидкости.

  Колба должна быть такой емкости, чтобы жидкость занимала не более 2/3 ее объема. Пробка должна быть хорошо подогнана к горлу колбы и обеспечивать плотное и надежное присоединение холодильника, термометра и других частей прибора. В тех случаях, когда пробка может подвергаться действию паров жидкостей, вызывающих набухание резины (эфир, бензол, галоидопроизводные углеводородов), следует пользоваться корковыми пробками. Перед тем как укреплять корковую пробку в приборе (в горле колбы, в холодильнике и т. п.) или перед тем как сверлить в ней отверстие, пробку необходимо обмять в пробкомялке. Для сверления отверстий нужно пользоваться хорошо наточенным сверлом с диаметром, немного меньшим диаметра трубки, которая должна быть вставлена в пробку. Чтобы трубка или термометр легче входили в отверстие, их рекомендуется слегка смазать глицерином или вазелином. Полезно также слегка обработать отверстие пробки круглым напильником.

  Для придания пробкам большей устойчивости к действию разъедающих паров или газов (пары азотной кислоты, окислы азота, бром, хлор и т. п.) их надо подвергнуть следующей обработке. Корковые пробки сначала выдерживают 15-20 мин. в нагретом до 50° растворе, состоящем из 3 частей желатины, 5 частей глицерина и 100 частей воды; затем высушивают и пропитывают расплавленной смесью из 25 частей вазелина и 75 частей парафина. Для пропитывания резиновых пробок их кладут не более чем на 1 мин. в нагретый до 100° парафин. Такой же обработке подвергают резиновые трубки при работе с хлором.

  Стеклянные трубки, применяемые для соединения частей прибора, должны быть изогнуты плавно, без складок или вмятин. Сгибание трубок лучше всего производить на обычной горелке с насадкой, дающей широкое пламя (так называемый ласточкин хвост). Трубку нагревают, поворачивая ее вокруг оси, до размягчения и, вынув из пламени, изгибают под нужным углом. Концы трубок должны быть обязательно оплавлены. Когда в пробку вставляют трубку или термометр, их следует держать пальцами возможно ближе к тому концу, который вставляется в пробку; в противном случае легко сломать трубку и порезать руки.

  Правильная, тщательная сборка прибора в значительной степени обеспечивает успех работы. При неплотных соединениях возможна не только потеря части вещества или растворителя, но и воспламенение паров летучих жидкостей, что может привести к пожару или опасному взрыву.

  Нужно следить за тем, чтобы прибор всегда имел свободное сообщение с атмосферой во избежание повышения в нем давления в результате нагревания или выделения газов. Для защиты, в случае надобности, реагирующих веществ от действия влаги воздуха сообщение прибора с атмосферой осуществляют через трубку, наполненную хлористым кальцием. Так как под действием влаги хлористый кальций расплывается и может закупорить трубку, то перед работой нужно убедиться, что воздух свободно проходит через хлоркальциевую трубку. Если во время работы будет замечено, что хлористый кальций начал расплываться, то хлоркальциевую трубку нужно заменить свежей.

  Скорость каждой химической реакции зависит от условий, в которых она проводится. Важнейшими из этих условий являются концентрация реагирующих веществ и температура. Зависимость скорости (v) бимолекулярных реакций от концентрации выражается уравнением:

v = k ·C_A·C_B

где: C_A - концентрация вещества А;
C_B - концентрация вещества В;
k - константа скорости, зависящая от природы реагирующих веществ и от температуры.

  Приведенное уравнение показывает, что скорость бимолекулярных реакций при постоянной температуре пропорциональна произведению концентраций реагирующих веществ.

  Реакции между органическими веществами (даже при высоких концентрациях) протекают при комнатной температуре обычно весьма медленно. Чтобы увеличить скорость таких реакций, повышают температуру, проводя реакции при нагревании. Скорость большинства химических реакций возрастает примерно в два раза при повышении температуры на 10°. Поэтому, например, реакция, протекающая при комнатной температуре 10 час., закончится при 100° в течение 2-3 мин.

  Повышение скорости химических реакций при нагревании обусловлено: а) увеличением числа столкновений реагирующих молекул (в единицу времени) и б) увеличением числа активных молекул.

  Вычисления, основанные на кинетической теории, показывают, что не все столкновения молекул друг с другом приводят к их химическому взаимодействию: столкновения, сопровождающиеся химической реакцией, составляют лишь небольшой процент от общего числа столкновений молекул. В настоящее время считают, что к химическому превращению способны только те молекулы, которые обладают повышенным по сравнению с прочими запасом энергии (энергия активации). Такие молекулы называют активными.

  Активные молекулы образуются из нормальных путем перераспределения энергии между молекулами. При одной и той же температуре кинетическая энергия отдельных молекул, содержащихся в определенном объеме газа или раствора, не одинакова, а распределяется по закону, вытекающему из теории вероятности. Число молекул, обладающих определенным запасом кинетической энергии, будет тем меньше, чем больше величина из кинетической энергии отличается от средней.

  При повышении температуры не только увеличивается средняя кинетическая энергия молекул, но и число молекул, обладающих энергией, достаточной для того, чтобы сделать химическое превращение возможным, т. е. число активных молекул. Отсюда вытекает значение нагревания как одного из наиболее существенных факторов, определяющих скорость химических реакций.

  Повышение температуры с целью ускорения реакции не всегда допустимо: при повышенной температуре продукты реакции могут разлагаться, а также могут усиливаться побочные реакции. Кроме того, в случае обратимых реакций константа равновесия изменяется с температурой, что может привести к смещению равновесия в нежелательном направлении.

  При проведении реакций не рекомендуется нагревать реакционный сосуд непосредственно пламенем горелки, так как стеклянная посуда при этом легко может лопнуть; кроме того, вследствие местного перегрева может произойти разложение части вещества. При нагревании до температуры 100° пользуются кипящей водяной баней; при нагревании до более низких температур сосуд погружают в налитую в баню воду (так, чтобы он не касался дна бани) и осторожным подогреванием поддерживают нужную температуру. Следует иметь в виду, что из-за неизбежных теплопотерь температура жидкости в реакционном сосуде будет несколько ниже температуры бани.

  Если нужно вести нагревание до температуры выше 100°, то нагревают реакционный сосуд на асбестовой сетке; для обеспечения большей равномерности нагревания применяют масляные или парафиновые бани (однако для температур не выше 250°, так как при более высоких температурах масло начинает сильно дымить). Для поддержания высоких температур удобно пользоваться банями, содержащими легкоплавкие сплавы. По окончании работы колбу нужно вынуть из сплава до того, как последний застынет; в противном случае колба может быть раздавлена.

  При нагревании до температур, превышающих 100°, с успехом можно пользоваться также воздушными банями и электрическими колбонагревателями, снабженными реостатами для регулирования нагревания. При пользовании обычной плоской электрической плиткой колбу следует вставлять в круглое отверстие, вырезанное в куске асбестового картона, для защиты от перегревания стенок колбы, не покрытых жидкостью. Интенсивность нагревания регулируют, изменяя расстояние между дном колбы и поверхностью плитки.

  Для проведения некоторых реакций требуется нагревание реагирующих веществ до температур, лежащих выше их температуры кипения. В таких случаях нагревание проводят в герметически замкнутых сосудах. При нагревании давление паров в сосуде повышается и одновременно повышается температура кипения жидкости. Этот прием называется нагреванием под давлением.

  Если повышение давления незначительно, то нагревание можно проводить в толстостенных бутылках (например, из под шампанского), которые могут выдерживать давление в несколько атмосфер. Бутылку с реакционной смесью плотно закупоривают резиновой пробкой и крепко привязывают последнюю бечевкой или проволокой к горлу бутылки. Нагревание ведут в водяной бане, поместив на дно ее какую-либо подставку, чтобы устранить непосредственное соприкосновение бутылки с дном бани, нагреваемой горелкой; бутылку не сразу погружают в горячую воду, а ставят ее в холодную или теплую воду и лишь затем нагревают до необходимой температуры. Так как не исключена возможность, что от неравномерного нагревания и развивающегося давления бутылка может лопнуть, то при работе необходимо соблюдать большую осторожность: нагревание нужно проводить в вытяжном шкафу, глаза обязательно защищать предохранительными очками, а руки - перчатками. По окончании реакции бутылку оставляют в бане до полного ее охлаждения; вынимая бутылку из бани, ее немедленно обвертывают полотенцем. При работе с веществами не действующими на металл, удобно пользоваться железными сварными колбами.

  Для нагревания под давлением значительных количеств вещества пользуются автоклавами различного устройства. Нагревание автоклава всегда производят в масляной бане; для этой цели автоклавы обычно делают с двойными стенками, между которыми заливают масло. Реагирующие вещества помещают в фарфоровый стакан, который ставят в автоклав. В автоклаве нельзя нагревать вещества, которые выделяют пары, действующие на стенки и крышку автоклава. Автоклав открывают лишь после полного охлаждения; предварительно при помощи крана выпускают скопившиеся в автоклаве газы; крышку отвинчивают только после того, как давление внутри автоклава уравняется с атмосферным. Необходимо тщательно следить за исправностью имеющегося при каждом автоклаве манометра.

  Вещества, вызывающие коррозию металла, нагревают в запаянных стеклянных трубках. Для этой цели употребляют трубки диаметром 20-30 мм с толщиной стенок 2-3 мм, запаянные с одного конца. Такие трубки могут выдерживать значительное давление (до 20-30 ат). Если реакция сопровождается выделением газообразных продуктов, то реагирующие вещества берут в таких количествах, чтобы образующиеся газы не создали опасного давления. Во всех случаях трубку нельзя больше, чем наполовину.

  Перед наполнением трубку тщательно высушивают и все вещества - как твердые (растертые предварительно в порошок), так и жидкие - вносят при помощи воронки с длинной трубкой. Воронку осторожно вынимают из трубки, наблюдая за тем, чтобы она не коснулась ее стенок и на них не осталось частичек или капель вещества.

  Наполнив трубку, ее запаивают. Для этого открытый конец трубки сначала нагревают при постоянном вращении на небольшом светящимся пламени паяльной горелки; после того как стекло прогреется, нагревание ведут на сильном несветящимся пламени до размягчения стекла. Трубку при этом все время держат наклонно, под углом около 45°. Когда стекло станет мягким, к нему припаивают предварительно нагретую толстую стеклянную палочку и начинают нагревать трубку несколько ниже (рис. 1). Медленно поворачивая трубку в пламени то в одну, то в другую сторону, ее нагревают до тех пор, пока размягченное стекло не начнет спадаться. Внутренний диаметр трубки при этом уменьшается, а стенки ее утолщаются. После того как наружный диаметр трубки в месте нагревания уменьшится примерно до 8 мм, ее вынимают из огня и вытягивают так, чтобы получился не слишком узкий (диаметром около 3 мм) толстостенный капилляр. Капилляр запаивают на тонком пламени паяльной горелки, наблюдая за тем, чтобы запаянный конец (длина около 40 мм) получился ровным; если этого не удалось достигнуть сразу, то, припаяв к концу капилляра стеклянную палочку, оттягивают конец капилляра и снова запаивают.

  Правильное запаивание трубок удается лишь после некоторой практики, и прежде чем приступить к запаиванию трубки с веществом, следует поупражняться в запаивании обрезков трубки соответствующего диаметра. Часто при длительном нагревании (особенно при запаивании трубок, уже бывших в употреблении) наблюдается кристаллизация стекла, так называемое расстекловывание. Во избежание этого полезно перед запаиванием смазать снаружи конец трубки раствором поваренной соли.

  Запаянную трубку, чтобы не создать напряжений в стекле от быстрого и неравномерного охлаждения, некоторое время нагревают в коптящем пламени горелки, затем дают ей остыть, защищая от сквозного ветра.

  Нагревание запаянных трубок производят в специальных печах, обогреваемых газом или электричеством. Трубки нагревают не непосредственно в печи, а в предохранительных толстостенных железных муфтах. Печь ставят несколько наклонно и трубку помещают в муфту капилляром вверх, так чтобы конец капилляра немного выдавался из муфты. Нужно следить, чтобы находящаяся в трубке жидкость ни в коем случае не попала в капилляр. После того как трубка вложена в печь, переднее отверстие печи закрывают заслонкой, задерживающей осколки в случае взрыва трубки.

  Вскрывают запаянные трубки только после полного охлаждения. Сначала, не вынимая трубки из муфты, подносят к концу ее капилляра газовую горелку и нагревают стекло до размягчения. Заключенные в трубке газы разрывают капилляр и выходят наружу часто с такой силой, что задувают пламя горелки. Затем, когда давление газов в трубке доведено до атмосферного, трубку вынимают из печи и отрезают ее конический конец. Для этого около конического сужения острым напильником проводят глубокую короткую черту, по обе стороны от которой накладывают в несколько слоев смоченные водой полоски фильтровальной бумаги. Полоски должны быть шириной около 10 мм, расстояние между полосками должно равняться 5 мм. Часть трубки между полосками нагревают на небольшом тонком пламени паяльной горелки; конус при этом отделяется ровно, без образования осколков.

  При работе с запаянными трубками необходимо защищать глаза предохранительными очками.

  При проведении экзотермических реакций часто в результате выделения значительных количеств тепла может произойти перегрев реакционной смеси, связанный или с потерей летучих соединений, или с разложением вещества. В таких случаях приходится применять меры для отвода избыточного тепла. Простейшим способом является периодическое погружение сосуда с реагирующей смесью в холодную воду.

  Перегрева можно избегнуть также, если вести реакцию в присутствии летучего растворителя. Выделяющееся в результате реакции тепло будет тратится на испарение растворителя, пары которого попадая в обратный холодильник конденсируются, и растворитель возвращается в реакционный сосуд.

  Некоторые реакции, как, например, диазотирование ароматических аминов, необходимо проводить при температуре ниже комнатной - около 0°. В этих случаях прибегают к охлаждению льдом или снегом. Следует заметить, что смесь воды со льдом оказывает более интенсивное охлаждающее действие, чем просто лед или снег, так как в случае смеси воды со льдом достигается лучший контакт со стенками сосуда. В тех случаях, когда присутствие воды не мешает реакции, целесообразно бросать лед непосредственно в реакционную смесь; таким приемом лучше всего обеспечивается поддержание низкой температуры.

  Если нужно охладить реакционную смесь до температур ниже 0°, то применяют охлаждающие смеси, образуемых некоторыми солями со снегом (льдом).

  Еще более низкие температуры (до -78°) дает смесь твердой углекислоты с эфиром или ацетоном. При отсутствии льда низкие температуры в пределах до -15° могут быть получены при растворении в воде хлористого или азотнокислого аммония (25 частей соли на 100 частей воды).

  Для конденсации паров чаще всего пользуются холодильником (рис. 2), который может применяться так же как обратный холодильник. В качестве обратного холодильника более удобен шариковый холодильник (рис. 3), который при большой поверхности охлаждения имеет значительно меньшие размеры. Для конденсации паров жидкостей, кипящих выше 130°, холодильники с водяным охлаждением применять нельзя, так как вследствие резкого перепада температур трубка холодильника может треснуть. В таких случаях пользуются воздушными холодильниками, представляющими собой не слишком узкую тонкостенную стеклянную трубку, длина которой определяется температурой кипения жидкости и скоростью перегонки.

  В тех случаях, когда реакция идет в однородном растворе, в перемешивании обычно не бывает нужды, так как равномерное нагревание всей массы жидкости обеспечивается в достаточной степени возникающими конвекционными токами. Когда же одно из реагирующих веществ прибавляют постепенно, в процессе реакции, и местное повышение концентрации может изменить ход процесса, приходится тем или иным путем добиваться интенсивного перемешивания раствора. Хорошее перемешивание особенно важно в том случае, когда одно из реагирующих веществ нерастворимо (практически).

  При работе с малыми количествами вещества часто оказывается достаточным перемешивание от руки или встряхивание реакционного сосуда. При работе с большими количествами и при реакциях, протекающих в течение длительного времени, приходится прибегать к механическому перемешиванию. Для этого пользуются стеклянной мешалкой со шкивком (рис. 4), приводимой в движение маленьким электромотором или водяной турбинкой. Шкивок насаживают на металлическую ось, которую посредством шароподшипника^*1 укрепляют на штативе. Стеклянную мешалку присоединяют к оси шкивка при помощи короткой резиновой трубки А.

  Если перемешивание производят в сосуде с узким горлом, то мешалке придают форму, показанную на рис. 5. Если реакцию проводят в колбе, снабженной обратным холодильником, то ось мешалки можно пропустить через холодильник. При этом отпадает необходимость в каких-либо уплотняющих приспособлениях для устранения потерь растворителя через отверстие, в которое пропущена ось мешалки. Однако этот способ имеет тот недостаток, что при большом числе оборотов мешалки и плохом центрировании ось мешалки может разбить внутреннюю трубку холодильника. В таких случаях более удобно присоединить к колбе двугорлую насадку (см. рис. 29 и 30); мешалку пропускают через вертикальную трубку насадки, а холодильник присоединяют к боковой трубке.

  При необходимости устранить свободное сообщение реакционного сосуда с атмосферой (например, для устранения потерь растворителя или в тех случаях, когда реагирующие вещества должны быть защищены от попадания влаги из воздуха, а также когда нужно собрать выделяющиеся при реакции газы) мешалку снабжают ртутным затвором (рис. 6), который, впрочем, может противостоять лишь весьма небольшому повышению давления внутри прибора.

| ПРЕДЫДУЩАЯ | СОДЕРЖАНИЕ | СЛЕДУЮЩАЯ |