Высушивание веществ. Что такое высушивание

6.Физические дезинфекционные средства

Солнечный свет. Прямые солнечные лучи губительно действуют на микробов, особенно в открытой степной местности. Для использования обеззараживающего действия солнечных лучей окна и двери помещений держат открытыми, а сбрую, попоны, повозки и другие предметы хозяйственного инвентаря и транспорта выставляют на солнце, особенно в середине дня. Следует, однако, иметь в виду, что солнечный свет обеззараживает лишь поверхность предметов, не проникая в них. Рассеянный солнечный свет действует слабее, а в тени микробы живут долго.Искусственные источники света . В ветеринарной практике главным образом для обеззараживания воздуха ветеринарных учреждений, поверхности стен и животноводческих продуктов в холодильных камерах, а также инкубаторов применяют так называемые бактерицидные (т. е. бактериеубивающие) лампы. Обычно используют для этой цели различные ртутнокварцевые лампы, излучающие ультрафиолетовые лучи.Высушивание. Неспоровые формы микробов очень быстро погибают от высушивания. Сохраняются только микробы, имеющие жиро-восковую оболочку, предохраняющую их от высыхания (например, палочки туберкулеза и палочки рожи). Учитывая влияние высушивания на болезнетворных микробов, зараженные помещения тщательно проветривают, вокруг них устраивают отводящие канавы, в помещениях, где находятся животные, настилают обильную, влаго-впитывающую (гигроскопическую) подстилку в виде торфа, опилок и др. При этом создаются условия, неблагоприятные для развития микроорганизмов, особенно для микробов, не имеющих защитных оболочек. Вот почему все помещения в течение лета нужно тщательно проветрить, просушить и подготовить к стойловому содержанию животных на осенне-зимний период. Высушивание заболоченных пастбищ также имеет важное санитарное значение. Солнечный свет и высушивание в течение года (весна, лето, осень) надежно дезинфицируют пастбища, луга и водоемы, зараженные неспоровыми формами микробов и фильтрующимися вирусами. Споровые формы микробов (споры сибирской язвы, столбняка и др.) и микробы, имеющие жиро-восковую оболочку, более устойчивые; при заражении этими микробами пастбищ необходимо длительное время для естественной дезинфекции их поверхности.

Термические средства.

Огонь . Огонь - самое надежное средство уничтожения возбудителей заразных болезней, но применение его ограничено. В огне сжигают трупы животных при некоторых болезнях, остатки корма и мусора, зараженного споровыми микробами.Фламбирование (обжигание) . Это один из способов использования огня как дезинфицирующего средства. На костре или посредством паяльной лампы обжигают поверхность зараженного микробами инвентаря (лопаты, вилы, ведра и т. п.), находившегося в соприкосновении с заразнобольными животными, а также предметы индивидуального ухода (скребницы, цепные чембура, ведра для поения животных и т. п.). Деревянные части (ручки лопат, вил и т. п.) обжигают до легкого побурения (слегка коричневый цвет), металлические части - до хорошего нагрева. Этот метод дезинфекции часто применяют в птичниках, особенно в тех отделениях, где размещаются инкубаторные цыплята в первые дни жизни, а также в крольчатниках, так как химические дезинфекционные средства, в частности имеющие запах (креолин, карболовая кислота и др.), вредно отражаются на состоянии здоровья цыплят и особенно крольчат.Сухой жар . Это не менее надежное средство, чем огонь. В жарко натопленных банях развешивают на растянутых веревках зараженную одежду, халаты, попоны и другие предметы из ткани, бывшие в соприкосновении с заразнобольными животными, и прогревают их там в течение нескольких часов, поддерживая все время в бане высокую температуру (80-90°) непрерывной топкой печи. Такое прогревание надежно убивает все неспоровые формы микробов и фильтрующиеся вирусы. Температуру воздуха бани измеряют термометром, повешенным возле окна внутри бани (смотровое окошечко). Действие сухого жара можно усилить парами воды, как это обычно делают в любой бане, поливая водой раскаленные камни специально сделанной духовки в печи или сложенного очага с установленным котлом для воды.Проглаживание хорошо накаленным утюгом поверхности зараженных тканей (одежда, халаты, полотенца и т. п.), особенно при легком овлажнении их (обрызгивание), также полностью убивает все неспоровые формы микробов и фильтрующиеся вирусы, не вызывая порчи проглаживаемых тканей.Кипящая вода уничтожает всех возбудителей заразных болезней. Для обеззараживания предметов, зараженных неспоровыми возбудителями, достаточно кипятить их в воде 30 минут; при заражении споровыми микробами нужно кипятить в течение 1,5 часа. Для усиления дезинфицирующего действия в кипящую воду прибавляют 2-3% соды, поташа, зеленого мыла или делают насыщенный зольный щелок. Кипячением дезинфицируют зараженные халаты, перевязочный материал, мешки, попоны, щетину и шерсть. Хирургические инструменты и шприцы кипятят в 1-2 %-ном растворе соды. Шерстяные и хлопчатобумажные ткани, а также потники при заражении спорообразующими возбудителями болезней также дезинфицируют кипячением. При кипячении следят, чтобы обеззараживаемые вещи были полностью погружены в кипящую воду, во время кипячения их все время нужно переворачивать (перемешивать) для лучшей дезинфекции и во избежание порчи (может быть пригорание).Водяной пар. Шерстяные ткани, суконные вещи, войлок, щетки для чистки лошадей при кипячении могут терять свою прочность, окраску и преждевременно прийти в негодность, во избежание этого дезинфицируют их текучим водяным паром, используя для этой цели паровые камеры. Водяной пар обладает большей бактерицидностью, чем сухой жар.Простейшая паровая дезинфекционная камера состоит из небольшого чугунного котла, устанавливаемого на тагане или плите, и примазанной к нему деревянной бочки, в дне которой пробуравливают несколько отверстий. В котел наливают воду, в бочке развешивают на перекладинах или крючках вещи и затем ее закрывают крышкой, в которую вделан термометр. Когда вода в котле закипит, то пар проникает через дырчатое дно в бочку и выходит из нее через отверстие в неплотно закрытой крышке. Началом обеззараживания считают момент, когда температура по термометру внутри камеры достигает точки кипения (около 100°). При почвенных споровых инфекциях водяной пар для обеззараживания применяют только под большим давлением, используя для этого автоклавы.

Биотермический способ . К способам дезинфекции, основанным на использовании обеззараживающего действия высокой температуры, относится и биотермический метод дезинфекции. Его применяют при обеззараживании навоза, зараженного неспоровыми формами микробов или вирусами. Навоз, зараженный спорообразующими микробами (сибирская язва, эмфизематозный карбункул, столбняк и др.), сжигают.

Сущность биотермического способа заключается в том, что в навозе в результате жизнедеятельности быстро размножающихся в нем микробов развивается высокая температура, губительно действующая на находящихся в навозе возбудителей заразных болезней и зародышей гельминтов. Для биотермической дезинфекции навоза выбирают площадку на ровном месте в стороне от проезжих дорог, водоемов и помещений, где находятся животные. На отведенном для этого месте выкапывают на 0,5 м углубление, дно которого утрамбовывают глиной, смешанной со строительным щебнем. Ширина такого углубления от 1,5 до 2 м, длина произвольная, в зависимости от количества навоза, предназначенного для дезинфекции. На дно углубления укладывают слой (15-20 см) незараженного навоза или соломы. Затем укладывают в виде штабеля конусом весь зараженный навоз. Высота такого штабеля от 1,5 до 2 м. Навоз, сложенный штабелем, сверху и с боков обкладывают слоем 10-15 см соломы или незараженного навоза, а затем засыпают таким же слоем песка или земли. Для доступа воздуха- оставляют отверстия, в которые вкладывают деревянные трубы или снопы из камыша и тростника. Сухой навоз во время укладывания в штабель овлажняют навозной жижей. Если навоз очень влажный (от крупного рогатого скота), то к нему добавляют сухой конский навоз.

В таких случаях навоз от телят, больных паратифом, диплококковой инфекцией, а также при стригущем лишае, паратифозном аборте кобыл выдерживают 2 месяца;

навоз, полученный от лошадей, подозреваемых в заражении инфекционной анемией, выдерживают 3 месяца;

от лошадей, давших положительную реакцию на маллеин, - 2 месяца;

при контагиозной плевропневмонии - 2 месяца;

при паратуберкулезе - 6 месяцев;

при туберкулезе - 4 месяца.

После этого он может быть вывезен на удобрение.

В органической химии проведение многих реакций возможно лишь при отсутствии влаги, поэтому выполняется предварительное высушивание исходных веществ.

Высушивание - процесс освобождения вещества (независимо от агрегатного состояния) от примеси жидкости. При высушивании чаще всего происходит удаление воды или остатков органических растворителей. Этот процесс нередко является и конечной операцией при очистке индивидуального химического вещества.

Высушивание может проводиться как при помощи физических методов разделения и очистки органических веществ (вымораживания, высаливания, сублимации, экстракции, испарения, азео-тропной, фракционной перегонки и др.), так и с использованием осушающих реагентов. Выбор способа высушивания определяется природой вещества, его агрегатным состоянием, количеством жидкой примеси и требуемой степенью осушения (см. табл. 1.3). Высушивание никогда не бывает абсолютным и зависит от температуры и осушающего средства.

Таблица 1.3 Наиболее распространенные осушители и их применение

Окончание табл. 1.3

Среди химических осушающих реагентов по способам связывания жидкой примеси выделяются три основные группы веществ:

1) вещества, связывающие жидкие примеси в результате химической реакции: некоторые металлы (натрий, кальций), оксиды (фосфора (V), кальция, бария), гидриды (кальция, метилалюми-ния);

2) гигроскопичные вещества, образующие гидраты: безводные соли (кальция хлорид, калия карбонат, магния, натрия, калия сульфаты) и низшие гидраты, переходящие при контакте с жидкими примесями в устойчивые высшие гидраты (магния перхлорат, так называемый ангидрон), концентрированная серная кислота, натрия и калия гидроксиды;

3) вещества, поглощающие жидкие примеси за счет физической адсорбции: цеолиты, активный алюминия оксид, силикагель.

Применяемые осушители не должны растворяться в органических растворителях, а действовать быстро с достаточной осушающей емкостью, быть инертными по отношению к высушиваемому веществу.

Высушивание газов. Газообразные вещества сушат с помощью химических реагентов и вымораживанием. Низкокипящие газы вымораживаются (охлаждаются до низкой температуры) в холодильной ловушке (рис. 1.45), которая включается в вакуумную линию с масляным насосом. Газ проходит через трубку, конец которой почти достигает дна сосуда, помещенного в охлаждающую баню со смесью сухого льда с метанолом или жидким азотом. Вымораживание позволяет достичь высокой степени высушивания, избежать реакции осушителя с газом и его загрязнения.

Для высушивания газов твердыми химическими реагентами используются поглотительные устройства (рис. 1.46) и сосуды для твердых промывателей (рис. 1.47). В местах входа и выхода газов в эти сосуды помещаются тампоны стеклянной ваты, чтобы предотвратить унос частиц осушителя с газом. Для высушивания газов жидкими реагентами применяются различные типы промывных сосудов, которые наполняются не более чем на 1/3 часть осушителем (рис. 1.48). Наиболее эффективно осушение проводится в склянках со стеклянной пористой пластинкой (рис. 1.49).

1 - ловушка; 2 сосуд Дьюара

а - осушительная трубка; б, г - хлоркальци-евые трубки; в - утка для сушки газа фосфора (V) оксидом

а - с распыляющей насадкой; б - с изогнутым газопромывателем 1, 2 - трубки для ввода газа; 3 - насадка; 4 - трубка

Подбирая высоту орошающего слоя и регулируя скорость пропускания газа, обеспечивают хороший контакт газа с осушителем. При использовании концентрированной серной кислоты обязательно устанавливают предохранительные склянки, снабженные специальными приспособлениями, которые дополнительно закрепляют газовые трубки.

Высушивание жидкостей. Жидкости, содержащие относительно большое количество влаги, первоначально высушивают физическими методами, а затем с помощью адсорбентов или химических осушивающих реагентов.

Жидкости, температуры кипения которых существенно отличаются от температуры кипения воды и не образуют с ней азео-тропных смесей, сушат фракционной перегонкой на эффективной колонке.

Азеотропная перегонка используется для высушивания жидкостей, образующих с водой двойные или тройные азеотропные смеси с температурой кипения ниже температуры кипения отдельных компонентов. Этот физический метод часто применяется для высушивания в сочетании с экстракцией. Для отделения водного слоя к высушиваемой жидкости прибавляют не смешивающийся с водой органический растворитель. Остаток воды из органического слоя удаляют при помощи азеотропной перегонки.

Большинство жидких органических веществ из водных растворов выделяют с помощью высаливания. Для этого в смесь прибавляют электролит, который не растворяется в органическом веществе, но растворяется в воде. Электролит прибавляют в виде твер

1 - колба с высушиваемым веществом; 2 - кран для впуска воздуха; 3 - охлаждаемая ловушка для паров воды; 4 - сосуд Дьюара; 5 - химический поглотитель; 6 - отвод к высокому вакууму

дого вещества или концентрированного раствора, при этом образуется водная фаза, которую удаляют декантацией. Органический слой досушивают и очищают перегонкой. Например, высаливанием с помощью концентрированного раствора натрия хлорида удается удалить часть воды из водного раствора диэтило-вого эфира.

Чаще высушивание органических жидкостей проводят при их непосредственном контакте с осушающими веществами. Чтобы уменьшить потери вещества за счет адсорбции, осушитель добавляют небольшими порциями (1-3 \% от массы раствора). Сосуд с высушиваемой жидкостью закрывают пробкой, которая, в случае выделения газообразных веществ, снабжается хлоркальциевой трубкой. Периодически содержимое сосуда встряхивают. Образующийся водный раствор осушающего реагента отделяют в делительной воронке. При необходимости операцию повторяют. Иногда жидкость с осушающим веществом нагревают в колбе с обратным холодильником. Операция высушивания может

продолжаться от нескольких часов до нескольких суток. Высушенную жидкость фильтруют или декантируют и перегоняют.

Растворы неизвестных веществ высушивают индифферентными осушителями (магния сульфат). Водные растворы термически нестойких веществ подвергают лиофильной сушке (рис. 1.50). Для этого раствор замораживают в тонком слое и выдерживают в вакууме (1,33-2,66 Па (0,01-2 мм рт. ст.)). Благодаря быстрому испарению воды за счет возгонки замороженный слой охлаждается. Адсорбенты улавливают выделяющиеся водяные пары. Полученный мелкокристаллический продукт сохраняет

1 - емкость с осушаемой жидкостью; 2 - колонка с цеолитом; 3 - приемник для сухой жидкости свою биологическую активность, повышается его растворимость, он защищен от окислительного воздействия кислорода воздуха.

Органические жидкости можно высушивать, пропуская через колонку, заполненную молекулярными ситами (динамический метод) (рис. 1.51) или выдерживая над адсорбентом (статический метод).

Высушивание кристаллических веществ. При высушивании кристаллических веществ жидкость предварительно удаляют механически (центрифугированием, фильтрованием, прессованием и др.).

Легколетучие примеси из кристаллических негигроскопичных веществ удаляют, распределяя вещество тонким (1-2 см) слоем на стеклянных, фильтркерамических пластинках на открытом воздухе при комнатной температуре. Высушиваемое вещество для защиты от механических загрязнений покрывают фильтровальной бумагой.

Эффективность высушивания резко возрастает с повышением температуры. Термически устойчивые кристаллические вещества могут быть высушены в сушильных шкафах при температуре, которая должна быть значительно ниже температуры плавления вещества. Не рекомендуется таким способом удалять летучие вещества, (например, остатки органических растворителей), так как смесь их паров с воздухом при контакте с проволочной спиралью нагревателя может взорваться!

Мелкокристаллические вещества в процессе высушивания на поверхности образуют корку, поэтому для более быстрого высушивания их многократно перемешивают.

Для высушивания веществ, неустойчивых при нагревании, используют вакуумные шкафы, регулирующие температуру путем изменения давления.

Эффективно высушивать кристаллические вещества позволяет применение эксикаторов, в которых воздух осушают химическими реагентами. Для ускорения высушивания применяются вакуумные эксикаторы. Вакуум в них поддерживается с помощью водоструйного насоса (рис. 1.52). Толстостенный сосуд под вакуумом может взорваться, поэтому перед работой его следует обернуть полотенцем или плотной тканью.

Рис. 1.52. Схема соединения вакуум-эксикатора с вакуум-насос 1 - вакуум-эксикатор; 2 - манометр; 3 - предохранительная склянка

Осушающий реагент для эксикаторов подбирают в зависимости от химических свойств высушиваемого вещества (см. табл. 1.3). Углеводородные растворители (бензол, петролейный эфир) удаляют с помощью парафиновых стружек или пропитанной парафином бумаги.

Концентрированная серная кислота применяется для высушивания от остатков диэтилового эфира, этанола, осно вных веществ (анилина, пиридина). При ее использовании для уменьшения разбрызгивания и увеличения контактирующей поверхности нижнюю часть эксикатора заполняют стеклянными или керамическими кольцами Рашига; между эксикатором и водоструйным насосом устанавливают предохранительную склянку Вульфа. Концентрированную серную кислоту не применяют при повышенных температурах и для высушивания в вакууме (среднем и высоком).

В вакуумных эксикаторах подачу и выведение воздуха производят через загнутую вверх или отгороженную кусочком картона капиллярную трубку, которая защищает высушиваемое вещество и осушитель от разбрызгивания.

Осушительный пистолет (Фишера) (рис.1.53) используется для высушивания относительно небольших количеств веществ при повышенной температуре в вакууме. В колбу до половины объема заливают жидкость с /кип на 30 °С ниже /ил высушиваемого вещества. Обычно используют негорючие жидкости (хлороформ, воду, тетрахлорметан и др.). Пары жидкости обогревают корпус сушилки, внутри которой находится лодочка с высуши-

Сосуд; 2 - обратный холодильник; 3 - колба; 4 - реторта; 5 - фарфоровая лодочка

Рис. 1.54. Роторный

1 - водяная баня; 2 - вращающаяся колба для упаривания; 3 - мотор и уплотнение; 4 - водяной холодильник; 5 - приемник дистиллята; 6 - отвод к вакуум-насосу; 7 - вход и выход воды; 8 - подача упариваемой жидкости

ваемым веществом. В ретортовидной колбе адсорбент улавливает выделяющиеся летучие примеси. Высушивание продолжается в течение 1 ч.

Термически нестойкие вещества сушат при пониженных температурах (лиофильная сушка). Иногда для высушивания твердых веществ используют азеотропную перегонку, так кристаллизационную воду из щавелевой кислоты отгоняют с четыреххлористым углеродом.

Кристаллические вещества можно обезводить и при помощи экстракции растворителями (ацетон, метанол, этанол и др.), которые смешиваются с водой и в которых твердые вещества не растворяются. Для быстрого высушивания кристаллических осадков в коническую колбу заливают растворитель таким образом, чтобы над уровнем твердого вещества образовался слой жидкости. Содержимое колбы встряхивают около 1 мин, отстаивают 15-20 мин, сливают жидкость; операцию повторяют с новыми порциями растворителя 3-4 раза. Раствор фильтруют, сушат кристаллы на керамической пористой плитке под тягой или в вакуумном эксикаторе, вакуум-сушильном шкафу (гигроскопичные вещества).

Упаривание - частичное или полное удаление растворителя из растворенного вещества. Растворы нелетучих твердых веществ упаривают при кипячении в выпарительной чашке или стакане. Процесс ускоряют пропусканием тока подогретого воздуха над поверхностью жидкости или отведением паров с помощью адсорбентов. Для понижения температуры процесса, снижения вероятности загрязнения влагой воздуха упаривание проводят в вакууме.

Наиболее эффективно и быстро процесс протекает в роторных (пленочных) испарителях, которые дают возможность избежать перегрева и вскипания жидкости (рис.1.54). В роторных испарителях при использовании водоструйного насоса скорость упаривания из колбы вместимостью 1 л достигает 500 мл/ч.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

Под высушиванием (осушением) обычно понимают удаление воды или остатков растворителя из жидкого, твердого или газообразного вещества.

Высушивание можно проводить физическими методами, обычно используемыми для разделения и очистки веществ (испарение, вымораживание, экстракция, азеотропная перегонка, дистилляция, сублимация и др.), а также с помощью осушающих реагентов.

При выборе способа осушения следует учитывать агрегатное состояние вещества, его химические свойства, содержание воды или другого вещества, которое надо удалить при сушке, и требуемую степень осушения.

Осушающие вещества

Химические осушающие реагенты можно разделить по способам связывания ими воды на три основные группы.

1. Вещества, образующие с водой гидраты. Это безводные соли (СаСl2, К2СО3) или низшие гидраты, переходящие при контакте с водой в устойчивые высшие гидраты (Mg(ClO4)2-2Н2O).

2. Вещества, поглощающие воду в результате химической реакции, например некоторые металлы (Na, Са) и оксиды (Р4O10, СаО).

3. Вещества, поглощающие воду за счет физической адсорбции, например активный оксид алюминия, силикагель, цеолиты.

Вещества, образующие гидраты

Хлорид кальция СаСl2 наиболее часто используется как наполнитель осушающих трубок и колонок при сушке газов, как поглотительный реагент в эксикаторах и для непосредственного осушения многих органических жидкостей.

Хлорид кальция применяют в порошкообразном или прокаленном виде. Порошкообразный безводный СаСl2 содержит, как правило, небольшое количество основной соли Са(ОН)Сl. Хлорид кальция - осушитель средней эффективности. Мало эффективен для осушения НСl, HBr, HI, Br2, SO3 и совершенно непригоден для осушения аммиака и аминов, с которыми образует комплексные соединения. Хлорид кальция можно, употреблять неоднократно, если его после каждого использования регенерировать прокаливанием.

Концентрированная серная кислота H2SO4 - эффективный реагент для осушения газов, с которыми H2SO4 не реагирует (Н2, O2, N2, Сl2, СН4, С2Н6, СО, НСl, N2O и др.). Запрещается применять серную кислоту в вакуум-эксикаторах в качестве водопоглощающего средства.

Конц. H2SO4 - довольно сильный окислитель, особенно при нагревании. Она окисляет HI и частично HBr (но не НСl) до свободных галогенов. Поэтому ее нельзя использовать для осушения этих веществ, а также H2S, РН3, AsH3, HCN, непредельных углеводородов, аммиака, аминов. Осушающая эффективность H2SO4 резко снижается по мере постепенного разбавления ее водой. Так, 95,1% кислота проявляет уже значительно меньшую эффективность, чем 98,3% кислота. Конц. H2SO4 иногда содержит SO2. Поэтому перед осушением газов нужно нагреть кислоту до появления дыма, при этом SO2 полностью удаляется.

Перхлорат магния (ангидрон) Mg(ClO4)2 - высокоэффективный осушающий реагент, может служить для осушения большинства газов.

Ангидрон применяется для поглощения паров воды в элементном анализе органических веществ при определении содержания водорода, а также для определения абсолютной влажности воздуха. По эффективности высушивания ангидрон не уступает оксиду фосфора (V), выгодно отличаясь от последнего тем, что применяется в виде зерен, не спекается при поглощении паров воды и не образует в колонке каналов.

Перхлорат магния поступает в продажу также и в виде тригидрата Mg(ClO4)2-3H2O, который по осушающему действию сопоставим с конц. H2SO4.

При использовании перхлоратов следует иметь в виду, что сильные минеральные кислоты и кислотные оксиды разлагают их с выделением свободной хлорной кислоты, способной взрываться при взаимодействии с осушаемым газом. Поэтому нельзя последовательно соединять поглотительный сосуд с Mg(СlO4)2 и промыватель с конц. H2SO4.

Карбонат калия безводный (плавленый поташ) К2СО3 применяют для осушения жидкостей и растворов веществ в органических растворителях, когда можно не опасаться щелочности реагента (осушение органических оснований, спиртов и т. д.), В лабораторных условиях осушитель готовят непродолжительным нагреванием товарного карбоната калия на металлической сковороде.

Сульфат натрия безводный Na2SO4 - относительно малоэффективный осушитель. Его применяют для осушения растворов органических веществ в неполярных растворителях (бензол, диэтиловый эфир и др.). Получают прокаливанием Na2SO4-10H2O на металлической сковороде.

Сульфат магния безводный MgSO4 - более эффективный и емкий осушитель, чем безводный Na2SO4. Получают прокаливанием MgSO4-7H2O при 210-250 °С.

Сульфат кальция безводный Ca2SO4 по осушающей эффективности сходен с конц. H2SO4. Применяют для осушения газов и жидкостей, а также для наполнения эксикаторов.

Гидроксиды натрия и калия NaOH и КОН применяют для наполнения поглотительных трубок, колонок (при осушении газов) и эксикаторов, а также для непосредственного осушения некоторых органических жидкостей. Плавленый NaOH для осушения газов столь же эффективен, как и гранулированный СаСl2. Эффективность плавленого КОН во много раз больше эффективности NaOH.

Гидроксиды щелочных металлов часто используются для одновременного поглощения Н2O и СO2.

Вещества, связывающие воду в результате химической реакции

Оксид фосфора (V) P4O10 - исключительно эффективный осушающий реагент, однако очень неудобен в обращении. Под действием паров воды порошок Р4О10 превращается в тягучую клейкую массу, покрытую непроницаемой вязкой пленкой, что создает большое сопротивление току газа. Поэтому Р4О10 обычно наносят на стеклянную или асбестовую вату, стеклянные бусинки или кусочки прокаленной пемзы. Пемзу нагревают в фарфоровой чашке до 100°С и затем смачивают конц. Н3РO4. Затем на пемзе при перемешивании распределяют оксид фосфора. В результате образуются удобные в обращении гранулы реагента.

С галогенами (за исключением фтора) оксид фосфора не реагирует. С сухими HF, НСl и HBr образует оксигалогениды и метафосфорную кислоту:

Натрий - весьма эффективный реагент для осушения углеводородов, простых эфиров и др. Поверхность металла быстро покрывается слоем гидроксида, и дальнейшее осушение замедляется. Поэтому стремятся вносить металл с возможно большей удельной поверхностью, например в виде тонкой проволоки. Натрий можно применять для осушения жидкостей, содержащих лишь незначительное количество воды.

Гидрид кальция CaH2 - очень эффективный осушающий реагент. Его реакция с водой протекает необратимо в широком интервале температур.

Гидрид лития-алюминия LiAlH4 - один из наиболее эффективных осушающих реагентов. Его применяют только для полного удаления следов влаги из органических жидкостей.

Вещества, связывающие воду в результате адсорбции

Преимущество сорбентов заключается в том, что они доступны, большей частью химически инертны по отношению к осушающему газу, не создают значительного сопротивления току газа (при использовании их в зерненом виде) и легко регенерируются нагреванием в токе сухого воздуха.

Крупнозернистый активный оксид алюминия (алюмогель) - более эффективный осушающий реагент, чем силикагель.

По осушающей активности цеолиты намного превосходят алюмогель и силикагель. Цеолиты некоторых марок интенсивно поглощают пары воды даже при 100°С, а аммиак при 250-300°С, когда силикагель полностью теряет активность. Так, например, цеолит марки КА адсорбирует при обычной температуре преимущественно молекулы воды. При 70°С 1 см3 таблетированного цеолита КА удерживает 62-85 мг Н2O.

Высушивание твердых веществ

Процесс высушивания твердых веществ большей частью основан на испарении влаги, которое может быть проведено при комнатной температуре или при нагревании. Влага испаряется в том случае, когда давление паров воды над поверхностью твердого осушаемого вещества превышает парциальное давление паров воды в окружающей газовой фазе. Давление паров воды в осушаемом веществе резко возрастает с увеличением температуры. Поэтому высушивание стараются осуществлять при повышенной температуре. Снизить парциальное давление паров воды в газовой фазе можно применением вакуума или осушением с помощью веществ, эффективно поглощающих влагу из газовой фазы.

Многие твердые негигроскопичные вещества можно высушивать на открытом воздухе при обычной температуре. Влага с поверхности вещества будет испаряться до тех пор, пока не установится равновесие между давлением водяных паров в испытуемом веществе и в воздухе. Для ускорения процесса, если это допустимо, высушивание проводят при движении воздуха или перемешивании материала. Толщина слоя высушиваемого материала не должна превышать 1-2 см. В результате высушивания на воздухе получают воздушно-сухой продукт с весьма неравномерным содержанием остаточной влаги. Часто высушивание на воздухе предваряет высушивание другими методами. Высушивание твердых веществ на воздухе лучше всего проводить на фильтрокерамических пластинках; при высушивании на фильтровальной бумаге продукт загрязняется ее волокнами.

Осушаемое на воздухе вещество целесообразно покрывать фильтровальной бумагой, чтобы защитить его от пыли и механических загрязнений. Кроме того, надо учитывать фотохимическое действие освещения на продукт. Так, многие бромиды при высушивании на воздухе желтеют под действием света.

Твердые вещества, устойчивые термически, могут быть высушены в сушильных шкафах. В сушильных шкафах нельзя удалять летучие вещества, например остатки летучих органических растворителей, так как смесь паров растворителя с воздухом может взорваться при контакте с проволочной спиралью нагревателя, и нельзя высушивать низкоплавкие вещества.

При высушивании мелкокристаллических веществ на их поверхности может образоваться плотная корка, значительно снижающая скорость осушения. В этих случаях осушаемое вещество в процессе сушки следует многократно перемешивать. Вещества, легко разлагающиеся или изменяющиеся при нагревании до 100°С, следует сушить в вакуум-сушильных шкафах.

В последнее время в лабораторной практике стали применять сушильные установки, в которых в качестве источника тепла используют инфракрасные лампы. Инфракрасные лучи с длиной волны 1000-3000 нм обладают достаточной проникающей способностью и не вызывают химических изменений в осушаемом веществе. Сушка происходит при более низкой температуре и быстрее, чем при обычном нагревании веществ. Приборы для высушивания материалов инфракрасным облучением выпускаются серийно. Потребляемая мощность лампы 500 Вт. Время высушивания навески в 3 г от 5 до 10 мин. Вначале включают лампу, и в центр освещенного круга помещают резервуар термометра. Регулируя высоту рефлектора, создают требуемую температуру для осушения вещества. После этого в центр освещенного круга помещают сосуд с осушаемым веществом на установленное время.

Высушивание твердых веществ воздухом, осушаемым химическими реагентами, в лабораторных условиях осуществляется в эксикаторах. Осушающий реагент подбирают в зависимости от химических свойств высушиваемого вещества. Чаще всего на дно эксикатора помещают безводный CaCl2, Mg(ClO4)2, Р4О10, плавленый КОН, силикагель, цеолиты. Для удаления остатков углеводородных растворителей в качестве заполнителя для эксикатора применяют парафиновые стружки или полоски фильтровальной бумаги, пропитанные расплавленным парафином.

В эксикаторе водяные пары перемещаются вследствие диффузии или конвекционных токов и поэтому высушивание происходит медленнее, чем в токе воздуха. Для ускорения процесса при комнатной температуре используют вакуум-эксикаторы. Вакуум создается обычно водоструйным насосом. В тех случаях, когда малые количества вещества необходимо осушить в вакууме при повышенной температуре, применяют прибор, называемый «осушительным пистолетом» (рис. 127). В реторту 4 помещают поглотитель влаги (Р4О10, СаСl2, адсорбенты). В колбу 3 наливают до половины объема жидкость с определенной температурой кипения и вносят несколько «кипятильных камешков». В сосуд 1 в фарфоровой лодочке 5 вносят высушиваемое вещество. Кран реторты соединяют с вакуум-насосом. Жидкость в колбе 3 нагревают до кипения. Горячие пары омывают сосуд 1, конденсируются в холодильнике и вновь стекают в колбу 3. Через некоторое время в сосуде 1 устанавливается температура, равная температуре паров применяемой жидкости.

В качестве теплоносителя обычно применяют негорючие жидкости: хлороформ (tкип = 61 °С), трихлорэтилен (tкип = 86 °С), воду (tкип = 100 °С), тетрахлорэтилен (tкип = 120 °С), трихлорэтан (tкип = 146 °С).

Твердое вещество (осадок) можно обезвоживать экстракцией растворителем, который смешивается с водой, но в котором осадок не растворяется или очень плохо растворяется. Например, для быстрого высушивания осадков применяют ацетон, метиловый или этиловый спирт, эфир. Высушивание влажных кристаллических осадков может быть выполнено одним из следующих приемов.

1. Высушиваемое вещество помещают в коническую колбу с пришлифованной стеклянной пробкой, куда прибавляют соответствующий растворитель в таком количестве, чтобы над осадком был слой растворителя в несколько сантиметров. Колбу закрывают и энергично встряхивают около 1 мин, после чего дают отстояться 15-20 мин. Затем осторожно сливают растворитель и заменяют его свежей порцией. Растворитель меняют 3-4 раза, после чего осадок переносят на воронку с пористым дном (воронка Бюхнера), отфильтровывают при разрежении и, если осушаемое вещество негигроскопично, высыпают на керамическую пористую плитку, покрывают листом фильтровальной бумаги и оставляют на воздухе (или под тягой) до полного испарения растворителя. Гигроскопические вещества досушивают в вакуум-эксикаторе или в вакуум-сушильном шкафу.

2. Высушиваемое вещество помещают на воронку с пористым стеклянным дном и понемногу поливают высушивающей жидкостью (растворителем). Затем воронку присоединяют к установке для отсасывания и отфильтровывают растворитель. Отключив установку от источника вакуума, осадок на фильтре разрыхляют стеклянной палочкой или фарфоровым шпателем, вновь приливают растворитель, дают осадку постоять под слоем растворителя 10-15 мин, после чего вновь подключают установку к источнику вакуума. Фильтруют до тех пор, пока не перестанет чувствоваться запах растворителя. Когда это достигнуто, отключают вакуум, а обезвоженный осадок помещают в банку.

Высушивание жидкостей и растворов

Некоторые органические жидкости, содержащие воду, можно предварительно осушить высаливанием - прибавлением к ним электролита, не растворяющегося в органическом растворителе, но растворяющегося в воде. Происходит разделение жидкости на два слоя. Водный слой может быть отделен, а органический - доосушен и очищен дистилляцией. Вещество, которым проводят высаливание, может быть добавлено в твердом виде или в виде концентрированного водного раствора; например при помощи NaCl можно удалить большую часть воды из водного раствора метилэтилкетона.

Жидкости, не образующие с водой раздельно кипящих (азеотропных) смесей, часто удается осушить фракционной перегонкой на эффективной колонке. Условие успешного проведения осушения - достаточно большая разница температур кипения осушаемой жидкости и воды. Этим методом, например, можно получить почти сухой метиловый спирт, доосушение которого достигается с помощью химических осушающих средств (металлический кальций, амальгама алюминия) и на цеолите КА.

Если осушаемое вещество очень плохо растворяет воду, но образует с ней двойные или тройные азеотропные смеси, то его можно осушить, отогнав небольшую часть его вместе с водой. До тех пор, пока отгоняется бинарная смесь, дистиллят остается мутным.

В сочетании с азеотропной отгонкой осушение можно проводить методом экстракции. К осушаемой жидкости прибавляют такое количество не смешивающегося с водой органического растворителя, чтобы отделился водный слой, после чего остаток воды из раствора органического растворителя удаляют азеотропной перегонкой.

Осушение органических жидкостей чаще всего проводят при их непосредственном контакте с осушающим реагентом. Осушитель, образующий с водой концентрированные растворы (СаСl2, К2СО3, КОН), прибавляют к осушаемому веществу частями, а образующийся раствор осушающего реагента в воде отделяют в делительной воронке. По окончании высушивания жидкость отделяют от твердого осушающего реагента фильтрацией.

В случае водных растворов термически нестойких веществ применяют лиофильную сушку. Принцип проведения лиофильной сушки весьма прост. Водный раствор полностью замораживают в тонком слое и выдерживают в вакууме 1,33-266 Па (0,01-2 мм рт. ст.). При этом давлении вода быстро испаряется (возгоняется) и замороженный раствор постепенно охлаждается. Удаляемые водяные пары улавливают в охлаждаемых ловушках или при помощи адсорбентов. Лиофильная сушка не сопровождается вспениванием, приводит к образованию мелкокристаллического продукта повышенной растворимости, предохраняет продукт от окислительного действия кислорода воздуха и сохраняет биологическую активность осушаемых веществ.

Для осушения органических жидкостей широко используются адсорбенты - алюмогель и цеолиты. Вместе с водой адсорбенты поглощают и многие другие загрязнения. Так, например, цеолит СаА может быть использован для избирательного поглощения полярных веществ (Н2O, H2S и др.) из неполярных жидкостей. Цеолит NaA применяют для глубокой осушки различных фракций нефти и многих продуктов нефтехимического синтеза.

Осушение газов

Газы осушают химическими реагентами и вымораживанием. При большой скорости газа равновесие насыщенных водяных паров над осушителем, как правило, не успевает установиться. Степень осушения газа зависит от свойств осушителя, толщины слоя и величины поверхности осушителя, соприкасающейся с газом. Осушение газов твердыми реагентами проводят обычно в поглотительных устройствах (абсорберах), изображенных на рис. 128, и в сосудах для твердых промывателей - склянке Тищенко (рис. 129, а). При наполнении поглотительных устройств необходимо обеспечить равномерное распределение реагента, с тем чтобы в нем не образовались каналы. Для того чтобы укрепить слой осушителя и предотвратить унос его частичек с газом, в поглотительные устройства в местах входа и выхода газа помещают небольшие тампоны стеклянной ваты. После наполнения поглотительных устройств следует убедиться, не создается ли в них слишком сильного сопротивления току осушаемого газа. Если это так, то наполнение повторяют с большими кусками осушающего реагента или же смешивают осушитель с кусками пемзы или пористого фосфора.

Для осушения газов конц. H2SO4 используют сосуды для жидких промывателей (рис. 129). При этом необходимо обеспечить хороший контакт газа с осушающим реагентом и следить за тем, чтобы капельки реагента не уносились током газа. Это достигается подбором высоты осушающего слоя и скорости газа. Сосуды для жидких промывателей можно включать по два последовательно.

Эффективные приборы для промывки газов - поглотительные колонки с орошаемой насадкой из обрезков стеклянных трубок, стеклянных колец или шариков. Преимущество колонок с орошаемой насадкой проявляется в том, что не приходится создавать заметного избыточного давления для прохождения газа.

На рис. 130 изображена поглотительная колонка с самоорошением для очистки газа. Газ проходит в трубку 1. Дополнительный поток газа поступает в трубку 2. Увлекая в тройнике капельки жидкости, газ гонит их цепочкой по трубке 4 вверх. Выходя из узкого отверстия над насадкой 3, пузырьки газа лопаются и разбрызгивают жидкость по насадке. Стекающая жидкость отделяется от газа в приемнике и снова возвращается в цикл. Трубку 4, в которой поднимается цепочка пузырьков, делают узкой, так как в противном случае цепочка будет рваться.

Для высушивания газов (паров) наибольшее значение имеют адсорбенты (оксид алюминия, силикагель, цеолиты). Безводный силикагель, содержащий немного хлорида кобальта, окрашен в синий цвет, а при насыщении влагой становится розовым. Таким образом, по внешнему виду сорбента, находящегося в осушительной колонке, можно судить о его пригодности для дальнейшего высушивания.

Высокой степени высушивания газов можно достигнуть вымораживанием, т. е. охлаждением их до низкой температуры. При вымораживании газ пропускают через трубку, погруженную почти до дна сосуда, который помещен в охлаждающую баню.

В органической химии проведение некоторых реакций возможно лишь при отсутствии влаги, поэтому необходимо предварительное высушивание исходных веществ. Высушивание - процесс освобождения вещества независимо от его агрегатного состояния от примеси жидкости. Высушивание может проводиться физическими и химическими способами.

Физический способ заключается в пропускании через высушиваемое вещество сухого газа (воздуха), нагревания или выдерживания его в вакууме, охлаждения и т.д. При химическом способе используют высушивающие реагенты. Выбор способа высушивания определяется природой вещества, его агрегатным состоянием, количеством жидкой примеси и требуемой степенью осушения (табл. 1.2). Высушивание никогда не бывает абсолютным и зависит от температуры и осушающего средства.

Высушивание газов производят путем пропускания их либо через слой водопоглощающей жидкости (обычно через концентрированную серную кислоту), налитой в промывную склянку Дрекселя (рис. 1.22), либо через слой гранулированного осушителя, помещенного в специальную колонку или U-образную трубку. Эффективным способом высушивания воздуха или газов является сильное охлаждение. При пропускании тока через ловушку, охлаждаемую смесью ацетона с сухим льдом или жидким азотом, происходит вымораживание воды, которая осаждается на поверхности ловушки.

Таблица 1.2.

Наиболее распространенные осушители и их применение

Рис. 1.22. Высушивание газов: 1) склянка Дрекселя, 2) колонка с твердым осушителем, 3) U-образная трубка, 4) охлаждаемые ловушки: а) охлаждающая жидкость, б) сосуд Дьюара

Высушивание жидкостей обычно осуществляется с помощью непосредственного контакта с тем или иным осушителем. Твердый осушитель помещают в колбу, в которой находится высушиваемая органическая жидкость. Следует отметить, что применение слишком большого количества осушителя может привести к потере вещества в результате ее сорбции.

Высушивание твердых веществ производится простейшим способом, который заключается в следующем: высушиваемое вещества помещают тонким слоем на лист чистой фильтровальной бумаги и оставляют при комнатной температуре. Высушивание ускоряется, если его проводить при нагревании, например, в сушильном шкафу. Небольшие количества твердых веществ сушат в обычных или вакуумных эксикаторах, которые представляют собой толстостенные сосуды с притертой шлифованной крышкой. Шлифованные поверхности крышки и самого эксикатора должны быть смазаны. Осушитель находится в нижней части эксикатора, а высушиваемые вещества в бюксах или чашках Петри размещают на фарфоровые перегородки. Вакуумный эксикатор отличается от обычного тем, что в его крышке есть кран для подключения к вакууму. Эксикаторы применяют только для работы при комнатной температуре, их нельзя нагревать.

I.4 СПОСОБЫ ВЫДЕЛЕНИЯ И ОЧИСТКИ ВЕЩЕСТВ

I.4.1 ФИЛЬТРОВАНИЕ

Простейшим способом отделения жидкости от находящихся в ней частиц твердого вещества является декантация - сливание жидкости с отстоявшего осадка. Однако таким способом трудно отделить полностью жидкую фазу от твердой. Этого можно достичь фильтрованием - пропускание жидкости с осадком через фильтрующий материал. Существуют различные фильтрующие материалы и различные способы фильтрования.

Наиболее распространенным фильтрующим материалом в лаборатории является фильтровальная бумага. Из нее изготавливают бумажные фильтры. Размер фильтра определяется массой осадка, а не объемом фильтруемой жидкости. Отфильтрованный осадок должен занимать не более половины объема фильтра. Перед началом работы фильтр смачивают тем растворителем, который предстоит фильтровать. Во время фильтрования уровень жидкости должен быть немного ниже верхнего края бумажного фильтра.

Простой фильтр изготавливают из квадратного кусочка фильтровальной бумаги (рис. 1.23.) Фильтр должен плотно прилегать к внутренней поверхности стеклянной воронки. Складчатый фильтр имеет большую фильтрующую поверхность, фильтрование через него идет быстрее. Если в растворе содержаться сильные кислоты или другие органические вещества, разрушающие бумагу, для фильтрования используют стеклянные тигли с пористым стеклянным дном или стеклянные воронки с впаянными в них пористыми стеклянными пластинками. Стеклянные фильтры в соответствии с размером пор имеют номер: чем больше номер фильтра, тем меньше сечение пор и тем более мелкие осадки можно на нем фильтровать.

В лаборатории применяют несколько способов фильтрования: простое, в вакууме, горячее.

Рис. 1.23. Фильтры: Рис. 1.24. Простое фильтрование

1) изготовление простого фильтра, 2) изготовление складчатого фильтра, 3) фильтрующий тигель с пористой пластинкой, 4) воронки со стеклянной пористой пластинкой

Простое фильтрование сводится к использованию стеклянной воронки с вложенным в нее бумажным фильтром (рис. 1.24). Воронку вставляют в кольцо, под нее ставят стакан или плоскодонную колбу для сбора отфильтрованной жидкости (фильтрата). Носик воронки должен быть немного опущен в приемник и касаться его стенки. Фильтруемую жидкость переносят на фильтр по стеклянной палочке.

Для ускорения и более полного отделения осадка от фильтрата прибегают к фильтрованию в вакууме. В плоскодонную толстостенную колбу Бунзена с помощью резиновой пробки вставляют фарфоровую воронку Бюхнера (рис. 1.25), имеющую плоскую дырчатую перегородку, на которую кладут бумажный фильтр. Фильтр вырезают по размеру дна воронки. Вакуум создают водоструйным насосом. При ослаблении напора в водопроводной сети вода из насоса может попасть в прибор. Во избежание этого устанавливают предохранительную склянку.

Рис. 1.25. Фильтрование а) в вакууме: 1) колба Бунзена, 2) воронка Бюхнера; б) малых количеств веществ

При проведении фильтрования в вакууме необходимо соблюдать определенные правила: 1) подключение водоструйного насоса и присоединение его к системе, 2) смачивание фильтра небольшим количеством того растворителя, который предполагается фильтровать, 3) внесение фильтрующей жидкости. Собранный на фильтр осадок отжимают стеклянной пробкой, пока из воронки не перестанет капать маточный раствор. Если при фильтровании возникает свистящий звук, то это указывает на неплотно положенный или прорвавшийся фильтр, в этом случае фильтр следует заменить. Если осадок на воронке Бюхнера требуется промыть, то с помощью трехходового крана сначала соединяют колбу Бюнзена с атмосферой, затем осадок пропитывают промывающей жидкостью и фильтруют, вновь подключив вакуум. После окончания фильтрования сначала отключают всю систему от вакуума, затем выключают водоструйный насос.

Горячие растворы обычно фильтруются быстрее, чем холодные, так как нагретая жидкость имеет меньшую вязкость. Горячее фильтрование проводят в стеклянных воронках, обогреваемых снаружи тем или иным способом (рис. 1.26). Простейший способ, наиболее применимый для фильтрования водных растворов, состоит в использовании воронки с укороченным хвостом, которую помещают в стакан без носика с диаметром несколько меньшим, чем верхний край воронки. На дно стакана наливают немного воды, а воронку закрывают часовым стеклом. Воду в стакане доводят до кипения. Когда пары воды нагреют воронку, часовое стекло снимают и в воронку наливают горячую фильтруемую смесь. В течение всего процесса фильтрования раствор в стакане поддерживают в состоянии слабого кипения.

Рис. 1.26. Воронки для 1) горячего фильтрования: а) с паровым обогревом, б) с обогревом горячей водой, в) с электрическим обогревом; 2) фильтрования при охлаждении

Высушивание — химическая операция, производимая с целью удаления влаги. Твердые тела сушатся нагреванием, например, в сушильных шкафах или хранением в закрытых стеклянных сосудах, эксикаторах, над веществами, поглощающими пары воды (серная кислота, хлористый кальций и пяти-окись фосфора). В обоих случаях процесс ускоряется, если высушивание производится под пониженным давлением или в вакууме. Жидкости сушатся продолжительным хранением или кипячением над веществами, поглощающими или разрушающими воду. Для высушивания жидкостей, кроме уже указанных СаСl 2 и H 2 O 5 , применяются плавленный сернокислый натрий , металлические натрий и калий , негашеная известь и другие. Высушивание газов достигается пропусканием их над одним из этих же веществ, а также охлаждением до температуры жидкого воздуха, причем пары воды конденсируются.

Высушивание почвы

Высушивание почвы — это прием воздействия на почву, имеющий целью мобилизацию заключенного в ней запаса питательных веществ (главным образом фосфорной кислоты), которые при этом переходят в растворимые формы, доступные для питания растений, До настоящего времени метод этот разработан только в лабораторных условиях. Рядом опытов, проведенных в разное время с различными почвами, определенно установлено, что высушивание почвы повышает последующий урожай растений. Высушивание почвы не только изменяет непосредственно химические (разложение органических соединений нестойких) и физико-химические (изменяются