Глава 3 ВЫСУШИВАНИЕ ВЕЩЕСТВ

Глава 3 ВЫСУШИВАНИЕ ВЕЩЕСТВ

§ 1. ВЫСУШИВАНИЕ ТВЕРДЫХ ВЕЩЕСТВ

Высушивание твердых негигроскопичных веществ, кристаллизующихся без кристаллизационной воды, не представляет каких-либо затруднений, особенно если вещество термически устойчиво. В этом случае сушить вещество следует тем методом, который более удобен при данных условиях работы: на воздухе, в сушильном шкафу, в вакуум-эксикаторе, в эксикаторе над осушителем. Повышение температуры ускоряет сушку. Поэтому наиболее просто и быстро можно высушивать вещества в электрическом сушильном шкафу при 60—100°С. Вещество помещают тонким слоем на часовом стекле или в фарфоровой чашке.

Труднее высушивать кристаллогидраты. Сначала идет испарение капельножидкой воды, подобное испарению с поверхности раствора. После этого между веществом и газовой фазой устанавливается равновесие. Кристаллогидрат существует при определенной упругости водяных паров (табл. 1).
При высушивании кристаллов гексагидрата кальция при 20°С давление паров воды должно быть меньше

41,06 Па. Особенно быстро высушивание будет проходить при давлении, близком к 4,2 Па. При давлении паров воды от 4,2 до 3,3 Па гексагидрат будет переходить в тетрагидрат, а от 3,3 Па и ниже — в дигидрат. У каждого кристаллогидрата имеется своя область существования, определяемая упругостью пара в окружающем воздухе и упругостью пара, которую может создать кристаллогидрат.

Практически о степени высушивания кристаллогидратов приходится наблюдать визуально. Осадки веществ, содержащих небольшое количество влаги или раствора, при помешивании прилипают к стеклянной палочке. Совершенно сухие вещества к стеклянной палочке почти не прилипают.

Многие вещества, не дающие кристаллогидратов, во влажном воздухе могут расплываться. Например, бромид натрия при 20°С расплывается при 60,6% относительной влажности, бромид калия — при 75,3%, иодид кальция — при 67,9% и т. д. Следовательно, при повышенной влажности сушка на воздухе, при комнатной температуре может оказаться малоэффективной. Поскольку при повышении температуры образование растворов происходит при больших значениях относительной влажности, безводные соли лучше и проще всего сушить в электрическом сушильном шкафу.

Таблица 1
Упругость паров воды над кристаллогидратами хлорида кальция при 20°С

Таблица 2
Характеристика осушителей

Рис. 19. Высушивание веществ под вакуумом:
1 — вакуум-эксикатор; 2— манометр; 3 —г предохранительная склянка.

За процессом сушки в сушильных шкафах нужно наблюдать, так как многие кристаллогидраты при нагревании распадаются и вещество образует раствор в своей кристаллизационной воде. Следовательно, температура сушки должна быть ниже температуры разрушения кристаллогидрата.

При высушивании веществ в эксикаторах на их дно помещают осушитель, (табл. 2).

Любой из приведенных в таблице осушителей вполне пригоден для высушивания подавляющей части веществ. Более того, многие кристаллогидраты при длительном действии осушителей будут постепенно терять кристаллизационную воду. Форма кристаллов при этом нарушается. Высушивание веществ в эксикаторах над осушителем проходит довольно медленно. Этот процесс значительно ускоряется в вакууме. Для этой цели применяют вакуум-эксикаторы (рис. 19), в которые на дно помещают соответствующий осушитель, а затем осушаемое вещество и создают вакуум. Диффузия паров воды от вещества к осушителю идет в вакууме быстрее.

Небольшие количества веществ удобно сушить в трубчатых осушителях, называемых также сушильными пистолетами (рис. 20). Простейший прибор для высушивания небольших количеств веществ можно изготовить из соответствующей пробирки (рис. 21).

Для высушивания веществ удобны пористые глиняные пластинки. Их готовят из влажной глины с песком, взятых в отношении 1:1. Смесь тщательно перемешивают. После формовки (можно вручную) пластинки высушивают при комнатной температуре, затем при 100— 110°С и, наконец, обжигают в течение 1,5—2 ч при 1100—1150°С. Влажное вещество помещают на пористую пластинку тонким слоем. Так как глазури нет, влага впитывается в глину. После использования пластинки нужно тщательно промыть горячей водой, а затем дистиллированной и высушить. Их можно использовать неоднократно.

Рис. 20. Сушильный «пистолет»:
1 — осушаемое вещество; 2 — серная кислота; 3 — шлиф.

Рис. 21. Высушивание небольших количеств веществ.

§ 2. ВЫСУШИВАНИЕ ГАЗОВ

При высушивании газов необходимо учитывать их физико-химические свойства, а также физико-химические свойства осушителей и возможное наличие в них некоторых примесей, которые могут загрязнять осушаемый газ. Приведем некоторые примеры.

Хлорид кальция можно применять для осушки водорода, кислорода, азота, хлороводорода, хлора, оксида серы, а также паров брома и йода, разбавленных азотом. Он поглощает аммиак, давая аммиакаты кальция, и в небольшой степени вступает в обменные реакции с бромо- и иодоводородом. Поэтому аммиак хлоридом кальция сушить нельзя, а бромо- и иодоводород можно сушить только в том случае, если небольшие примеси этих веществ не помешают дальнейшему использованию хлороводорода. Технический хлорид кальция содержит оксид кальция, гидроксид кальция и карбонат кальция. Поэтому при высушивании галогенов и галогеноводоро-дов может происходить загрязнение этих газов следами оксида углерода (IV).

Силикагель. Это вещество обладает хорошей осушающей способностью и значительной влагоемкостью. Однако силикагель хорошо адсорбирует не только влагу, но и такие легкосжижаемые газы, как аммиак, хлор, бром и т. д. Поэтому при осушке этих газов возникает своеобразная конкуренция в адсорбции, значительно снижающая осушительные свойства силикагеля. В то же время, как это следует из таблицы 2, он является одним из лучших осушителей, когда пары воды находятся в смеси с воздухом, т. е. в смеси с такими трудносжи-жаемыми газами, как азот и кислород.

В таблице 3 приведены сведения о возможности применения осушителей в конкретных случаях. Знак «плюс» (+) указывает на возможность применения осушителя во всех случаях; знак «минус» (—) — невозможность применения; знак ноль (0)—применение в ограниченных случаях, когда следы загрязнений, вносимые осушителем, не окажут влияния на дальнейшее использование газа или когда применение осушителя в данном случае приведет к некоторому снижению его активности.

Лучший метод осушки водорода — пропускание его через магниевые или кальциевые стружки, нагретые до 500—550°С, с которыми вода будет вступать в реакцию с выделением водорода (рис. 22). Теоретически остаточное давление паров воды будет равно неизмеримо малой величине. При этом из водорода практически полностью будет удаляться большинство газов, в частности кислород, который в виде следов всегда присутствует в электролитическом водороде.

С помощью магниевых или кальциевых стружек, нагретых до 500—550°С, можно удалить кислород из аргона и азота. Часть азота при этом будет потеряна за счет образования нитридов металлов. При наличии паров воды газы будут загрязняться водородом.

Рис. 22. Осушка и очистка водорода:
1 — промывная склянка с разбавленным раствором щелочи или _ серной кислоты; 2 — магниевая стружка; 8 — электропечь; 4 — термопара с пирометрическим гальванометром; 6 — фарфоровая или кварцевая трубка.

Таблица 3
Характеристика возможности применения осушителей

Весьма эффективен для осушки азота и водорода и очистки их от кислорода амальгамированный алюминий, взятый в виде крупки или в виде тонкой проволоки. Для его приготовления порошкообразный алюминий или нарезанную тонкую проволоку перемешивают с каломелью (3—5% от массы металла) и помещают в пробирку, которую закрывают резиновой или корковой пробкой с отверстием. Затем пробирку нагревают (тяга!) до 200—250°С. При этом протекает реакция:

Ртуть осаждается на поверхности алюминия, образуя с ним сплав. Окончание реакции определяют по появлению белого дыма. После охлаждения пробирки алюминий быстро пересыпают в осушительную колонку или в склянку с притертой пробкой. Для амальгамирования алюминий можно поместить на некоторое время в раствор сульфата ртути, а затем промыть спиртом и эфиром.

Применяются осушители в различных колонках и промывных склянках. Для заполнения колонок можно применять только, гранулированные осушители, чтобы газы проходили свободно. Порошкообразные осушители, например оксид фосфора (V), мелкодисперсный алюминий, перед заполнением колонок перемешивают с битым стеклом или со специально нарезанными трубками длиной 1—2 см.

Промывные склянки, наполненные растворами осушителей для тщательной осушки, малоэффективны, так как пузырьки газов находятся в контакте с жидкостью ограниченное время. Их можно рекомендовать, когда необходимо по счету пузырьков наблюдать за скоростью прохождения газов. При прохождении газа через промывные склянки он всегда загрязняется мельчайшими брызгами раствора, которые в дальнейшем не улавливаются в колонках и частично проходят даже через плотные фильтры. Для удаления, например, брызг щелочи рекомендуется пропускать газ через фарфоровую

или кварцевую трубку, наполненную битым фарфором или кварцем и нагретую до 1000—1200°С. Но жидкие осушители весьма эффективны при использовании их в колонках, которые заполнены насадкой (битое стекло, обрезки трубок, стеклянные шарики и т. д.), смоченной осушителем. Благодаря большой реактивной поверхности через колонки можно пропускать газы со значительной скоростью.

Рекомендуется применять U-образные колонки, чтобы жидкие осушители не попадали в газоподводящие трубки.

В лабораторных условиях применяют осушительные системы, состоящие из счетчика пузырьков и 2-3 осушительных колонок, изготовленных из стеклянных трубок и укрепленных на одном штативе (рис. 23). Первая осушительная колонка заполняется наиболее слабым осушителем — хлоридом кальция, а последняя — наиболее активным, например, оксидом фосфора (V).

Рис. 23. Осушка водорода и азота:
1 — промывная склянка с раствором щелочи или серной кислоты; 2 — кварцевая или стеклянная обогреваемая трубка с платинированным асбестом; 3 — колонка с гранулированным хлоридом кальция; 4 — колонка с твердым гидроксидом калия; 5 — колонка с оксидом фосфора (V).

Для осушки и очистки электролитического водорода, который всегда содержит следы кислорода, перед осушительными колонками подключают трубку с платинированным кварцем или асбестом, нагреваемую до 200—

250°C. Хорошим катализатором соединения кислорода C водородом является никель, нагретый до 100—150°С, который берут, в виде гранул, стружки, фольги или проволоки, а также палладий, нанесенный на битое стекло или кварц. Для осушки азота трубку 2 (рис. 23) нужно убрать.

Для очистки водорода, аргона и азота от паров воды и кислорода используют промывалки, наполненные жидким при комнатной температуре сплавом натрия с калием. Однако они опасны в обращении.

содержание .. 1 2 3 4 ..