Нагревание — одна из важнейших и употребительнейших операций в химической практике, как в лабораторной, так и в заводской. Н. в химии может применяться для самых разнообразных целей, как-то: 1) для ускорения химических реакций (по Вант-Гоффу, скорость реакции возрастает в геометрической прогрессии, когда температура возрастает в арифметической); 2) для того, чтобы передвинуть положение равновесия в данной системе, руководствуясь правилом Вант-Гоффа и Ле-Шателье, по которому, с повышением температуры, равновесие сдвигается в сторону, отвечающую поглощению тепла; 3) для превращения жидкостей в парообразное состояние (особеннно при перегонках и пр.) и т. д. В лабораториях в прежнее время для Н. пользовались особыми печами, горнами и т. п., которые отапливались углем; позднее стали употреблять спиртовые или бензиновые лампы. Ныне, во всех благоустроенных лабораториях эти примитивные средства оставлены; для Н. пользуются газом и электричеством. Однако, в небольших лабораториях, расположенных вдали от крупных центров, и до сих пор применяют спиртовые и бензиновые лампы. Впрочем, их все чаще и чаще заменяют легко доступными карбюраторами, особыми аппаратами, в которых воздух насыщается парами бензина и затем, подобно обыкновенному светильному газу, разводится по сети труб и сжигается в обыкновенных горелках. В технике для Н. пользуются разными видами топлива: каменным углем, антрацитом, коксом, дровами, нефтяными остатками, сожигаемыми в печах разнообразного устройства, а также (когда требуется более высокая температура) газами, особенно генераторным, добываемым из воздуха и каменного угля или кокса, при высокой температуре (содерж. главным образом, окись углерода и азот с примесью водорода и углекисл. газа) и водяным газом, добываемым действием водяного пара на раскаленный каменный уголь или кокс (содерж., главным образом, смесь окиси углерода и водорода). Наконец, в отдельных случаях употребляются также электрические печи, в которых достигаются наивысшие температуры, доступные на практике. В этой статье будут рассмотрены главнейшие приемы Н., употребляемые в лабораториях. Простейший, удобнейший и распространеннейший прибор для нагревания в лабораторных условиях есть газовая горелка Бунзена, в которой струя светильного газа выходит из отверстия в металлической трубочке с узким просветом, монтированной на подставке. Над узкой трубочкой навинчена более широкая трубка, в нижней части которой (против отверстия узкой трубки) находятся два прореза для притока воздуха, а чтобы этот приток не был чрезмерным, вокруг прорезов одевается еще особая муфта, вращая которую, можно по желанию уменьшать или увеличивать диаметр воздушного поддувала. Принцип этой горелки (устройство которой понятно из рис. 3 на таблице) заключается в следующем. Светильный газ, выходящий из узкой трубки, увлекает с собой через поддувало (создавая своим током некоторое разрежение) некоторое количество воздуха, с которым смешивается и затем сгорает, выходя из верхнего отверстия широкой трубки. Если устранить приток воздуха, закрыв поддувало, то пламя сделается светящимся, и потому темп. его будет, сравнительно, низкая (около 1300°), тогда как при достаточном притоке воздуха пламя получается несветящееся, и температура, благодаря более совершенному сгоранию газа (без выделения частичек угля, обусловливающих свечение), значительно выше — оно достигает 1800—1870° [1] (разные части или зоны имеют различную темп.: у самого основания корпуса она всего 300—350°; максимальная достигается в средней и верхней части). Существует большое число вариантов бунзеновской горелки, ставшей вскоре после своего изобретения необходимейшим прибором химической лаборатории. Варианты эти касаются как сочетания отдельных горелок в более или менее сложные комбинации, так и устройства самой горелки. Когда требуется усилить нагрев, употребляют комбинации нескольких отдельных горелок; напр., если требуется нагреть длинную трубку (как при органическом элементарном анализе), то горелки располагаются в ряд, над ними помещают железный желоб для трубки, а сверху последнюю покрывают кафелями для уменьшения потери тепла. Другие варианты касаются устройства регулятора, изменяющего приток воздуха (целесообразное устройство его имеется в горелке Теклу), и, наконец, что особенно важно, они могут касаться самых условий, при которых совершается процесс горения. В обыкновенной бунзеновской горелке не достигается максимальная темп., возможная при горении светильного газа на воздухе. Сгорающая в горелке смесь на 1 объем газа содержит 2—3 объема воздуха, тогда как для полного сгорания требуется 6 объемов. Если для более полного притока воздуха больше открыть поддувало, то горелка начинает гореть неровно, дрожать, а затем «проскакивать», т.-е. пламя перемещается к выходному отверстию внутренней узкой трубки. Происходит это по следующей причине. Смесь газа с воздухом, сгорающая в обыкновенных условиях действия горелки, обладает уже взрывчатыми свойствами: зажженная в одной точке, она дает взрыв, который и распространяется через горючую смесь с определенной скоростью; последняя зависит от состава этой смеси и возрастает по мере того, как пропорция воздуха приближается к потребному для полного сгорания. Ровное, спокойное горение у отверстия широкой трубки происходит в том случае, когда состав сгорающей смеси таков, что скорость выхождения ее (определяемая скоростью истечения газа из внутренней трубки) больше скорости распространения взрыва. Когда эти скорости делаются почти равными, горение делается неспокойным, а когда вследствие слишком большого притока воздуха скорость распространения взрыва становится больше скорости истечения готовой смеси, взрыв распространяется внутрь широкой трубки, и пламя уже не в состоянии держаться у выходного отверстия последней, происходит «проскакивание горелки». Чтобы устранить последнее и использовать повышающий темп. усиленный приток воздуха, Мэкер воспользовался принципом лампы Дэви, способностью металлических сеток задерживать распространение взрыва. Именно в горелках Мэкера сетка (толстая с глубокими каналами) замыкает отверстие широкой трубки, а вместе с тем устроено широкое поддувало. Такие горелки, давая высокую темп., не проскакивают, пока сетка находится в целости. Еще более высокая темп. достигается в паяльных горелках, употребляемых в лабораториях при работах со стеклом. Здесь (как в кране Даниэля для гремучего газа) светильный газ непосредственно перед выходом смешивается с достаточно сильной струей воздуха, подаваемой с помощью меха или особого насоса. Если требуется продолжительное равномерное Н. до высокой темп. (1000°—1200°), то пользуются особыми печами, в которых нагреваемый сосуд (напр., тигель) помещается в закрытом пространстве, окруженном раскаленными газами, при чем приняты меры (путем целесообразного устройства оболочек), чтобы возможно меньше тепла терялось через лучеиспускание. Кроме того, тепло, уносимое вместе с продуктами горения, утилизируется для подогревания воздуха, поступающего в печь. Таковы печи Перро, Рёсслера и др. Для достижения еще более высоких темп. пользуются кислородоводородным пламенем, в жару которого легко сплавляется платина (точка плавления 1750°). С этою целью заставляют гремучий газ (с помощью крана типа Даниэля отдельно подводится кислород и водород) сгорать в пространстве между двумя прилегающими друг к другу выдолбленными кусками извести. В углубление, имеющееся на нижнем куске, помещают подлежащий плавлению металл, а газовую смесь пропускают через отверстие в верхнем куске, служащем крышкой. Этим способом и до сих пор пользуются для плавления платины не только в лабораторном, но и в заводском масштабе. Вместо водорода можно пользоваться ацетиленом, что позволяет еще более возвысить темп. Электрические печи, употребляемые в лабораториях, бывают весьма различной конструкции, в зависимости от цели, для которой служат. В большом употреблении печи, основанные на превращении электрической энергии в тепловую при прохождении через проводник 1-го рода (Джаулево тепло). Печь устраивают так, чтобы нагреваемый предмет (тигель, трубку) по возможности со всех сторон был окружен таким проводником. Регулируя силу тока, можно нагревать до желаемой темп. В качестве проводника всего чаще употребляют металлическую проволоку, расположенную в виде спирали, отдельные витки которой тщательно изолируются слоем непроводника, напр., азбеста. Для невысоких темп. (примерно до 700°) удобно пользоваться никкелем, для более высоких — платиной. Последнюю целесообразно применять в виде тонкой фольги (Гереус). Можно также пользоваться в качестве нагреваемого током проводника так назыв. криптолом (патентованный продукт, по природе близкий к ретортному углю). Для этой цели служат особые печи. Наивысшие темп. достигаются в электрических печах Муассана, где нагреваемое тело подвергается в замкнутом пространстве непосредственному воздействию вольтовой дуги. В таких печах плавятся не только все металлы, но и такие трудноплавкие тела, как известь (CaO), магнезия (MgO) и пр. Для ориентировки приводим примерные темп., которых можно достигнуть при Н. следующими источниками тепла:
| Горелка Бунзена | 1100°—1300° |
| Горелка Мэкера | до 1500° |
| Пламя гремучего газа | 2000° |
| Кислородо-ацетиленовое пламя | 2400° |
| Вольтова дуга | около 3500° |
Сосуды, в которых помещают нагреваемое вещество, бывают различные, смотря по характеру последнего. Нелетучие тела нагревают в тиглях, чашках и т. п. сосудах; летучие, смотря по обстоятельствам, в колбах и т. п., снабженных обратно-поставленными холодильниками, или же (если Н. приходится выше температуры кипения вещества при атмосферном давлении) в запаянных стеклянных трубках, которые помещают в печи особого устройства, а при бо́льших количествах вещества — в автоклавах (см. табл.). Особые приспособления употребляются в лабораториях для того, чтобы обеспечить равномерность нагрева и постоянство темп. Первое, особенно важно при Н. пламенем и достигается включением между этим последним и нагреваемым предметом особой бани, напр., песочной (простая сковородка с песком) или воздушной (напр., весьма удобная воронка Бабо). Н. до постоянной темп. важно как во многих препаративных работах, так и в количественных работах физико-химического характера. Простейший прием, служащий для этой цели, заключается в пользовании постоянной темп. кипения жидкостей. Этим пользуются, напр., в давно вошедшей в употребление водяной бане (кастрюле или котелке с кипящей водой, сверху закрытой разборной крышкой, состоящей из ряда колец), дающей 100°, а также в других позднейших приборах (напр., в бане В. Мейера), в которой можно пользоваться жидкостями, кипящими при разных темп. Для более точной установки постоянных темп. служат особые аппараты, носящие название термостатов и снабженные автоматически действующими терморегуляторами.
Л. Ч.
Примечания
править- ↑ Здесь дана максимальная температура, измеряемая пирометром. Температура, до которой можно практически нагреть небольшое тело с помощью бунзеновской горелки, значительно ниже и лежит между 1100°—1300°.