Высушивание твердых веществ. Сушка твердых веществ Высушивание твердых веществ

СУШКА ЖИДКОСТЕЙ

В химических лабораториях расходуется большое количество различных растворителей, причем во многих случаях содержание воды в них должно быть ничтожным. Растворы многих органических соединений перед тем, как их подвергнуть перегонке, необходимо избавить от растворенной в них воды, так как ее присутствие при нагревании может привести к разложению перегоняемых веществ. Кроме того, наличие воды в растворе при перегонке ведет к появлению новых фракций. Это связано с потерей основного вещества. Поэтому химику часто приходится сушить органические жидкости.

Широко распространены методы сушки жидкостей при помощи осушающих веществ, которые связывают воду, растворенную в органических жидкостях. Основное требование к осушающим веществам состоит в том, чтобы они не взаимодействовали ни с растворителем, ни с растворенными в нем веществами. Не все осушающие вещества одинаково эффективны. Это обстоятельство всегда необходимо учитывать при их выборе.

Максимальная эффективность осушителя определяется упругостью водяных паров над ним (табл.11).

Таблица 11. Упругость водяных паров осушителей

В таблице 12 приведены сведения о веществах, применяемых для сушки различных классов органических соединений.

Таблица 12 - Осушители для сушки органических жидкостей

Вещества	Вещества для которых используется осушитель	Вещества для которых нельзя использовать осушитель	Примечание
Р 2 О 5 (Р 4 О 10)	Нейтральные и кислые газы, углеводороды, галогеноуглеводоро-ды, растворы кислот, сероуглерод, в качестве осушителя в эксикаторах и сушильных пистолетах	Вещества основного характера, спирты, простые эфиры	Расплывается, при сушке газов осушитель необходимо смешивать с наполнителем
H 2 SO 4	Нейтральные и кислые газы, в качестве осушителя в эксикаторах и сушильных пистолетах	Ненасыщенные соединения, спирты, кетоны, основания	Не применяется при сушке веществ в вакууме при повышенных температурах
Натронная известь, CaO, BaO	Нейтральные и основные газы, амины, спирты, простые эфиры		Особенно часто используются для сушки газов
NaOH, KOH	Аммиак, амины, простые эфиры, углеводороды, в качестве осушителя в эксикаторах	Альдегиды, кетоны, вещества кислого характера	Расплываются
К 2 СО 3	Кетоны, амины, спирты	Вещества кислого характера	Расплывается
Na	Углеводороды, простые эфиры, третичные амины	Галогеноуглеводо-роды, спирты, фенолы, вещества кислого характера, окислители	Остатки после осушения разлагать только спиртом
CaCl 2	Углеводороды, кетоны, простые эфиры, алифатические и ароматические галогенопроизводные	Спирты, аммиак, амины	Содержит примеси основного характера
MgSO 4, Na 2 SO 4 , CaSO 4	Альдегиды, кетоны, кислоты, галогенопроизводные, сложные и простые эфиры, растворы веществ, изменяющиеся под влиянием кислых или основных осушителей	-	-
Mg(ClO) 4	Газы, в том числе аммиак, в качестве осушителя в эксикаторах	Легкоокисляющиеся органические жидкости	-
Силикагель	В качестве осушителя в эксикаторах	-	Поглощает остаточные количества растворителя

Наиболее эффективными осушающими вещества являются фосфорный ангидрид, натрий, гидроксид калия, гидроксид натрия, серная кислота.

Жидкость, которую нужно подвергнуть сушке, наливают в плоскодонную колбу, бутыль или пробирку и добавляют осушающее вещество. Если в процессе сушки не происходит выделение газообразных веществ, то горло сосуда закрывают пробкой, в противном случае пробкой с хлоркальциевой трубкой. Время от времени сосуд встряхивают. Сушка продолжается несколько часов или дней. В некоторых случаях для ускорения сушки осушаемую жидкость нагревают с осушаемым веществом в круглодонной колбе, снабженной обратным холодильником. Совершенно естественно, что при этом не должно происходить никаких побочных реакций. После окончания сушки жидкость фильтруют или сливают декантацией и подвергают разгонке.

СУШКА ТВЕРДЫХ ВЕЩЕСТВ

Осадки, снятые с фильтра или выгруженные из центрифуги, всегда содержат некоторое количество растворителя: при атмосферном фильтровании - примерно 30 %, при вакуумном фильтровании – 5-10 % растворителя. Существуют различные методы сушки. Выбор метода зависит, прежде всего, от физических и химических свойств веществ, подлежащих сушке. Очевидно, что в процессе сушки вещества не должны разлагаться или претерпевать какие-либо другие химические превращения. Кроме того, выбор метода сушки определяется тем, насколько удаление влаги должно быть полным.

Сушка твердых веществ может проводиться на воздухе при комнатной температуре и при нагревании в сушильном шкафу. При комнатной температуре вещества чаще всего сушат на необожженных пористых фарфоровых и глиняных тарелках или на фильтровальной бумаге. В сушильном шкафу сушка твердых веществ производится на часовых стеклах, фарфоровых противнях, в фарфоровых чашках или бюксах. При этом температура в сушильном шкафу должна быть значительно ниже температуры плавления вещества (более 50 о С), подвергаемого сушке. Категорически запрещается сушить в сушильном шкафу на бумаге, так как при этом продукт загрязняется бумажными волокнами, хлопьями подгоревшей и истлевшей бумаги и, кроме того, возможны значительные потери продукта, если в процессе сушки он пропитывает бумагу. Скорость сушки тем больше, чем выше температура. Многие органические соединения при высокой температуре разлагаются и подвергаются окислению кислородом воздуха. Такие соединения сушат при разрежении в лабораторных вакуум-сушильных шкафах.

Весьма успешно сушку можно проводить в присутствии веществ, поглощающих пары удаляемого растворителя . Для этой цели широко применяются эксикаторы и, в частности, вакуум- эксикаторы (рис. 84). В зависимости от характера веществ, подвергаемых сушке, а также от природы растворителя, который нужно удалить, эксикаторы снаряжаются теми или иными осушающими веществами. Для связывания паров воды или спирта применяют едкий натр, хлористый кальций, фосфорный ангидрид, серную кислоту. Последние два осушителя пригодны для связывания кетонов. Заполнять вакуум- эксикатор серной кислотой нельзя. При использовании в качестве осушающего вещества серной кислоты нижнюю часть эксикатора заполняют стеклянными или керамическими кольцами (кольца Рашига). Тем самым уменьшается возможность разбрызгивания серной кислоты и увеличивается поверхность ее соприкосновения с газовой средой. Для связывания паров и газообразных веществ, обладающих кислым характером, в эксикатор ставят чашечку с едким кали. Если в процессе сушки должны быть удалены углеводороды, то вдоль цилиндрической стенки эксикатора помещают лист фильтровальной бумаги, пропитанной парафином. Эксикаторы можно заполнять также силикагелем и цеолитами.

Рисунок 84 – Вакуум-эксикаторы

Перед тем как начать откачивать воздух из эксикатора, его необходимо обернуть полотенцем или закрыть матерчатым колпаком, чтобы в случае разрыва эксикатора избежать неприятных последствий. Затем газоотводную трубку присоединяют с помощью резинового вакуум шланга к вакуумной линии и осторожно открывают кран. Через 5-10 минут кран закрывают и разъединяют газоотводную трубку с вакуумной линией. Для того чтобы соединить эксикатор с атмосферой, осторожно открывают кран. Следует заметить, что газоотводная трубка, находящаяся внутри эксикатора, должна быть изогнута и заканчиваться капилляром, острый конец которого обращен к крышке эксикатора, или же конец газоотводной трубки должен быть экранирован кусочком картона, для того, чтобы при откачке воздуха из эксикатора и при впуске воздуха не происходило распыления вещества.

Многие органические соединения при высокой температуре разлагаются и подвергаются окислению кислородом воздуха. Для сушки таких веществ при повышенных температурах используются, так называемые, сушильные пистолеты (пистолеты Абдергальдена), в которых вещество нагревается парами кипящей жидкости. Для ускорения процесса, высушивание в сушильных пистолетах обычно проводят при пониженном давлении.

Рисунок 85. - Сушильный пистолет Абдергальдена

Сушка газов

Для сушки газов твердыми осушителями применяют осушительные колонки (рис). Для предотвращения смешивания таких аморфных осушителей, как фосфорный ангидрид, колонки наполняют предварительно приготовленной смесью осушителя со стеклянным волокном или другим наполнителем.

Химически индифферентные газы обычно сушат, пропуская их через промывные склянки с концентрированной серной кислотой (рис 86). При этом обязательно устанавливают предохранительные склянки , снабженные специальным устройством от случайного открывания (рис). Желательно использовать промывные склянки, снабженные барботёром (с пористой пластинкой (рис).

Низкокипящие газы сушат, вымораживая воду и другие конденсирующиеся примеси в охлаждаемой «ловушки» (рис). При этом достигается очень высокая степень осушки (таб). Для охлаждения применяют смесь сухого льда с ацетоном или жидкий воздух (). Для защиты от атмосферной влаги используют хлоркальциевые трубки.

Рисунок 86 – Промывные склянки

Таблица 13-Давление водяных паров в газах при различных температурах

Высушивание твердых веществ можно проводить на открытом воздухе при обычной температуре, при подогреве и обычном атмосферном давлении, при низкой температуре под уменьшенным давлением, в атмосфере с малым давлением водяных паров (в эксикаторе), в атмосфере инертного газа.

Высушивание на открытом воздухе при обычной температуре. Многие вещества (как неорганические, так и органические) можно сушить на открытом воздухе. Испарение будет происходить до тех пор, пока не наступит равновесие между давлением водяных паров в воздухе и содержанием влаги в твердом веществе.

Таким путем можно сушить, например, хлористый барий. Для этого хлористый барий, отжатый на воронке Бюхнера после перекристаллизации, высыпают на чистый лист фильтровальной бумаги и распределяют на нем слоем толщиной не больше 3-5 мм. Уминать соль в этом случае нельзя: чем рыхлее она будет разложена, тем скорее и лучше пройдет сушка. Соль сверху накрывают другим листом фильтрованной бумаги, чтобы защитить ее от пыли, и оставляют на 12 ч. За этот промежуток времени соль уже значительно подсохнет. Чтобы получить совершенно сухую соль, ее следует через 12 ч перемешать чистым шпателем так, чтобы нижние (более влажные) слои попали наверх и чтобы масса оставалась рыхлой. Оставив стоять ее еще на 12 ч, получают сухую соль, которую складывают шпателем в банку и закрывают. Если при стоянии в плотно закрытой банке на стенках ее появляются капли воды, значит соль была высушена недостаточно и се следует вновь подсушить.

Высушивание на воздухе - операция довольно продолжительная, и к ней прибегают только тогда, когда высушиваемое вещество негигроскопично и желают получить вещество рыхлым, сыпучим, без комков или когда вещество разлагается при нагревании.

Высушивание при подогреве и обычном атмосферном давлении . Широко распространено высушивание при подогреве и обычном атмосферном давлении. В этом случае пользуются сушильным шкафом.

Имеется несколько типов лабораторных сушильных шкафов для"пысушивания при обычном атмосферном давлении.

1. Медные или асбестовые сушильные шкафы с газовым или другим обогревом.

2. Медные сушильные шкафы с водяной рубашкой и газовым обогревом.

3. Электрические сушильные шкафы.

Медные или асбестовые (обыкновенные) сушильные шкафы (рис. 471) с газовым обогревом обычно представляют собой коробку с боковой дверцей. Внутри находится медная полка с вырезанными в ней круглыми отверстиями диаметром приблизительно 1 см. В верхней части шкафа имеются два отверстия, одно из которых предназначено для термометра, другое - для циркуляции воздуха. Сушильный шкаф подвешивают на стенку около стола или же ставят на стол на железную подставку. Шкаф обогревают снизу газовой горелкой.

Недостаток такого шкафа заключается в том, что точно регулировать температуру высушивания в нем трудно.

Всегда возможен перегрев, и потому при работе с таким шкафом за ним необходим постоянный контроль.

Вещество, подлежащее высушиванию, кладут на полку шкафа в выпарительной чашке или иа бумаге. Если высушивание преследует цель удалить воду и вещество «не боится» нагрева, т. е. ие распадается и пс изменяется при нагревании до 100-105° С, то высушивание ведут именно при этой температуре. Однако следует не сразу доводить температуру до этого предела, а повышать ее постепенно. Это необходимо потому, что если температуру поднять сразу до 105° С, верхний слой вещества уплотнится и образовавшаяся корка будет препятствовать равномерной сушке.

Продолжительность высушивания зависит от количества вещества, толщины слоя его, температуры, правильности проведения.

Чем меньше вещества и чем тоньше слой его, тем скорее идет высушивание. Выгоднее большую партию разбить на ряд мелких, чем высушивать сразу большое количество толстым слоем.

11ем равномернее поднимается температура, тем правильнее и скорее пройдет высушивание.

Все время надо заботиться о том, чтобы сушильным шка"ф не перегревался, так как при этом можно кспор-шть высушиваемое вещество. В некоторых случаях относительно постоянный температурный режим можно создать, открывая дверцу шкафа и изменяя ширину щели.

Значительно удобнее сушильные шкафы с двойной стенкой или рубашкой (рис. 472). В пространство между стенками через специальное отверстие в одном из верхних углов шкафа наливают воду. Для наблюдения за уровнем воды в рубашке эти шкафы оборудуют водомерными трубками. Сушильные шкафы такой конструкции нагревают газовыми горелками. Преимущество таких шкафов заключается в том, что в них можно создать постоянную температуру, пс превышающую 100° С. Регулируя пламя горелки, можно получить довольно постоянную температуру ниже 100° С.

При работе с таким шкафом нужно только позаботиться о том, чтобы в рубашке шкафа постоянно была вода. Рубашку заполняют водой не полностью, так чтобы при кипении вода не выливалась.

Шкаф с двойными стенками может быть использован и для высушивания при температуре выше 100° С. Для этого в пространство между стенками наливают какую-либо жидкость, кипящую при температуре выше 100° С,и в отверстии для ввода жидкости укрепляют обратный холодильник.

Рис. 472. Сушильные шкафы: а -с водяной рубашкой; б -с водяной рубашкой и с холодильником.

Наиболее удобны электрические сушильные шкафы. В лабораториях можно встретить различные типы их. Имеется несколько- типов простых сушильных шкафов с электрообогревом. На рис. 473, а показан сушильный шкаф № 0. Он состоит из металлического корпуса с теплоизоляционной прокладкой внутри шкафа. В нижней части последнего, внутри, размещены на керамической пластинке нагревательные элементы - спирали, как на обычной электроплитке. Шкаф имеет две полки. Под дверкой шкафа, в нижней части передней стенки, сделана вентиляционная заслонка. На верхней, потолочной части стенки шкафа имеется отверстие для укрепления термометра. Максимальная температура, которая может быть достигнута внутри шкафа, составляет около 1250C Время разогревания до этой температуры около 30- 60 мин.

Питание нагревательных элементов производится от электросети.

На рис. 473, б показан сушильный шкаф Ш-005. Gh состоит из корпуса, в котором находится цилиндрическая рабочая камера. Шкаф обогревают при помощи нагревательной проволоки, намотанной на термостойкую,мико-нитовую пластину, находящуюся на наружной поверхности камеры. Пространство между стенками корпуса и камеры заполнено теплоизоляционным материалом,

Шкаф имеет терморегулятор, ручка управления которым и сигнальная лампа размещены иа передней панели. Максимальная температура, до которой можно нагреть шкаф, составляем 250 С. Время, необходимое для разогревания шкафа до этой температуры, около 60 мин.

На рис. 474, а показан сушильный шкаф с терморегулятором и сигнальной лампой. Шкаф состоит из металлического корпуса и внутренней вставной камеры, между которыми находится электронагревательное устройство. Стенки и дверцы шкафа - из асбестового картона. Внутри шкафа встроены три решетчатые полки.. На верхней стенке шкафа, потолочной, имеются два отверстия для укрепления термометров и вентиляционная задвижка. Погрешность регулирования температуры ±10° С.

Более совершенным является сушильный шкаф № 3, в котором температура регулируется автоматически в пределах до 200° С с точностью ±3°С. По внешнему виду этот шкаф похож на описанный выше сушильный шкаф Ш-005. Сушильный шкаф № 3 имеет три полки. Для достижения максимального нагревания до 200° С требуется около 2 ч.

Очень удобен. электрический сушильный шкаф "(рис. 474, б) с автоматической регулировкой обогрева. Главное преимущество этого шкафа - в возможности вести обогрев при требуемой температуре, изменяя ее в пределах от 50 до 220° С, что трудно достижимо при использовании описанных выше сушильных шкафов.

Рис. 474. Электрические сушильные шкафы: а-с терморегулятором и сигнальной лампой; б-с автоматическим терморегулятором.

Для быстрого высушивания вещества очень удобны специальные электрические сушильные шкафы (рис. 475), через которые непрерывным током проходит горячий воздух; последний, проходя над высушиваемым веществом, уносит пары удаляемой жидкости.

Высушивание при низкой температуре и уменьшенном давлении (вакуум-сушка) . Для высушивания веществ, легко разлагающихся или изменяющихся при нагревании до 100 0C, применяют высушивание" в вакууме. Для этой цели пользуются так называемыми вакуум-сушильными шкафами. Обычно они бывают цилиндрической формы с герметически закрывающейся круглой боковой дверцей. Внутри них имеются две полки, в отдельных случаях - одна. Вакуум-сушильный шкаф (рис. 476) двухстениый, с рубашкой, в которую наливают жидкий теплоноситель. Подогрев проводят газовой горелкой или электричеством.

Па верху шкафа находятся холодильник Сокслета для конденсации паров обогревающей жидкости, кран для соединения с вакуум-насосом, термометр для измерения температуры внутри шкафа и манометр для измерения вакуума в шкафу.

Рис. 475. Электрический шкаф для быстрого высушивания.

Рис. 476. Вакуум-сушильный шкаф.

Наблюдение, за высушиванием ведут через стеклянное окно, имеющееся в дверце. Высушивание в эксикаторе. Сильно гигроскопичные, расплывающиеся в воздухе вещества высушивать на открытом воздухе нельзя. Точно так же их трудно сушить в шкафу. Такие вещества удобно высушивать в эксикаторе, содержащем какое-либо вещество, энергично поглощающее влагу. К последним относятся: хлористый кальций, концентрированная серная кислота, пятиокись фосфора и др.

Подлежащее высушиванию вещество помещают в бюкс или чашку, ставят открытым на фарфоровый вкладыш эксикатора и оставляют в последнем на сутки или более в зависимости от необходимости.

Высушивание при помощи облучения инфракрасными лампами . Для осторожного и быстрого высушивания многих осадков очень удобно пользоваться обогреванием при помощи ламп.инфракрасного излучения. Приспособление представляет собой металлический штатив с укрепленным па нем рефлектором с лампой инфракрасного излучения, который можно передвигать вверх и вниз, устанавливая его на нужное расстояние от высушиваемого материала. Облучение обычно продолжается от 3 до 15 мин, в зависимости от свойств и вида материалов, количества содержащейся в них влаги или летучих веществ, величины навески и расстояния между лампой и облучаемой поверхностью.

На стол под лампой кладут лист асбеста, чтобы предохранить от перегрева поверхность стола. Навеску высушиваемого вещества равномерно распределяют по дну алюминиевой или фарфоровой кюветы, чашки Коха, или Петри, или бюксов соответствующей формы. Вначале включают лампу, создают требуемую температуру (в центре освещенного круга, поместив туда резервуар термометра или термопару), и регулируют высоту рефлектора. После этого сосуд с высушиваемым веществом помещают в центр освещенного круга. Если высушивание проводилось в бюксе, после окончания операции бюкс закрывают крышкой, охлаждают, как обычно, и взвешивают.

Вместо инфракрасных ламп можно применять обычные электролампы мощностью 200 вт. Рефлектор можно сделать из белой жести, покрытой с наружной стороны слоем асбеста. Были предложены также инфракрасные сушилки ка* русельного типа, дающие возможность высушивать до 8 навесок одновременно.

Высушивание в струе инертного газа . Этот метод применяют в тех случаях, когда вещество на воздухе окисляется или разрушается. Высушивание проводят в специальных приборах, подобных описанным выше. Указанный метод имеет особенно важное значение для высушивания легко взрывающихся веществ. Для этой цели рекомендуют, в качестве инертного газа, гелий, обладающий высокой теплопроводностью.

Высушивание осадков при помощи органических растворителей . Для быстрого высушивания осадков в некоторых случаях применяют органические растворители, хорошо растворяющие воду, например - ацетбн, метиловый или этиловый спирт. Естественно, что можно применять только такие органические растворители, которые не растворяют высушиваемое твердое вещество. При работе с растворителями, пары которых могут воспламениться, следует заботиться о том, чтобы вблизи от места работы не было действующих нагревательных приборов.

Высушивание влажных осадков может быть проведено двояко.

1. В коническую колбу помещают высушиваемое вещество, затем наливают высушивающую жидкость в таком количестве, чтобы над осадком был слой ее в несколько сантиметров. Колбу закрывают и встряхивают около 1 мин, после чего оставляют стоять еще минут на 15, а затем осторожно и возможно полнее сливают высушивающую жидкость и заменяют ее свежей. Высушивающую жидкость меняют не менее 3-4 раз, каждый раз сливая ее возможно полнее.

Кристаллы при высушивании пропитываются высушивающей жидкостью, которую удаляют испарением. Для этого высушенное вещество, если оно не гигроскопично, высыпают на лист чистой фильтровальной бумаги, покрывают другим таким же листом и оставляют под тягой до полного испарения органического растворителя или помещают в шкаф для быстрой сушки (см. рис. 475).

2. Кристаллы, подлежащие высушиванию органическим растворителем, помещают на сетку воронки Бюхнера, закрытую одним слоем фильтровальной бумаги, вставленную в колбу Бунзена. Вначале высушиваемое вещество понемногу обливают высушивающей жидкостью, которая стекает в колбу. Когда обезвоживание закончено, органический растворитель выливают из колбы Бунзена в подготовленную посуду, присоединяют колбу Бунзена к вакуум-насосу и включают его. Таким образом, через слой высушенного вещества протягивается воздух, захватывающий с собой пары органического растворителя. Отсасывание проводят до тех пор, пока не перестанет чувствоваться запах растворителя. Когда это достигнуто, прекращают работу вакуум-насоса и пересыпают высушенное твердое вещество в какую-нибудь тару.

Указанный способ высушивания может быть применен при работе с веществами, легко окисляющимися иа воздухе. В этом случае нужно применять специальные воронки для фильтрования в струе инертного газа.

В широко применяется в химической и пищевой промышленности, в галогено-фармокологическом производстве, при обработке лекарственного растительного сырья и так далее Высушивание применяют при проведении различного рода биохимических анализов, при консервировании плазмы крови и ее отдельных фракций, тканей для трансплантации, при морфологическом или гистохимическом изучении тканей, при получении препаратов для электронной микроскопии и так далее В. используется как вспомогательное средство при дезинфекции. Некоторые виды микробов (палочка инфлюэнцы, менингококк, гонококк, цисты дизентерийной амебы и других) при высушивании быстро гибнут. Возбудители брюшного тифа и паратифов, бруцеллеза, туберкулеза, дифтерии, натуральной оспы и другие выдерживают высушивание в течение длительного времени. Споры микробов сохраняют жизнеспособность и вирулентность в высушенном состоянии в течение многих лет.

В основе существующих методов высушивания лежит химическое связывание, или сорбция, удаляемой жидкости, выпаривание ее при низких, высоких температурах или в вакууме при нагревании или в замороженном состоянии - лиофильная сушка.

В лабораториях высушивание газов производят пропусканием их через концентрированную серную кислоту, находящуюся в склянках Тищенко, Дрекселя или Вульфа, через твердые поглотители, например прокаленный хлористый кальций, фосфорный ангидрид и другие, которыми и заполняют поглотительные колонки или специальные сосуды.

Обезвоживание жидкостей осуществляют внесением в них гигроскопических веществ - кусочков плавленого хлористого кальция или едкого кали, прокаленной сернокислой меди или окиси кальция и других. При этом осушитель не должен химически взаимодействовать с высушиваемой жидкостью. Окончательное обезвоживание многих органических жидкостей проводится с помощью металлического натрия.

Твердые тела высушивают путем нагревания их в фарфоровых чашках, в жаровнях на открытом воздухе или в сушильных шкафах, выдерживанием в эксикаторе над гигроскопическими веществами, обычно над концентрированной серной кислотой, прокаленным хлористым кальцием, едким натром, фосфорным ангидридом при удалении воды, над хлористым кальцием при удалении спирта, над парафином при удалении эфира, нагреванием в вакуум-эксикаторах или вакуум-сушильных шкафах, нагреванием при помощи инфракрасных лучей.

Высушивание приводит к заметному изменению физико-химических свойств веществ, например температур кипения и плавления, электропроводности, реакционной способности и других. Высушивание веществ, подвергающихся даже при умеренном нагревании во влажном или растворенном состоянии денатурации и другим необратимым изменениям, производят методом лиофилизации. Выбор метода и условий высушивания зависит от свойств высушиваемого материала и его последующего назначения.

Мишин В.П.

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

Сушкой называется процесс освобождения вещества в лю­бом агрегатном состоянии от любой примеси жидкости. Чаще всего под сушкой понимают освобождение от влаги или органи­ческих растворителей.

Многие реакции в органической химии проводятся при отсут­ствии влаги, в таких случаях следует высушивать исходные веще­ства, применять абсолютированные растворители и предохранять реакционную среду от попадания влаги из воздуха. Осушитель должен действовать быстро, не растворяться в органических жид­костях, не взаимодействовать с высушиваемым веществом.

Высушивание газов . Большинство газов, получаемых в ла­боратории, а также многие сжатые газы из баллонов могут быть осушены концентрированной серной кислотой или твердыми осушителями, такими, как хлористый кальций, натронная из­весть, фосфорный ангидрид. Серной кислотой можно осушить воздух и следующие наиболее часто применяемые газы: кисло­род, водород, азот, диоксид и оксид углерода, хлор, хлороводо-род, сернистый газ. Для высушивания газ пропускают через промывные склянки Дрекселя (рис. 20), Тищенко или Алифано-ва, в которые на треть вместимости напита концентрированная серная кислота. Обычно промывная склянка соединена с источ­ником газа и прибором посредством двух пустых предохрани­тельных склянок, роль которых выполняют склянки Дрекселя или Тищенко. Высушивание газов твердыми осушителями про­водят в осушительных колонках, а для защиты газа от влаги воздуха прибор закрывают хлоркальциевой трубкой.

Рис. 20. Склянка Дрекселя

Высушивание органических жидкостей . Высушива-ние жидких органических соедине­ний или растворов их в органических раство­рителях производится обычно твердыми не­органическими осушителями. Выбор осуши­теля определяется рядом условий, причем хо­роший осушитель должен удовлетворять сле­дующим основным требованиям:

Не должен химически взаимодействовать с высушиваемым органическим соединением;

не должен каталитически способствовать самоокислению,
полимеризации и конденсации высушиваемых органических соединений;

не должен заметно растворяться в органической жидкости;

должен высушивать быстро и эффективно;

должен быть доступным веществом.

Относительная эффективность осушителей зависит от дав­ления паров в системе вода - осушитель.

При высушивании жидких органических соединений или растворов их в органических растворителях всегда следует брать небольшое количество осушителя, чтобы избежать потерь от ад­сорбции вещества осушителем. Лучше всего встряхивать жид­кость с осушителем до тех пор, пока не прекратится его действие. Если объем воды, удаляемой из жидкости, велик и вследствие этого выделяется небольшой слой водного раствора осушителя (например, с хлористым кальцием, гидроксидом натрия, или дру­гими осушителями), то следует этот водный раствор отделить, а жидкость обрабатывать дальше новой порцией осушителя при встряхивании. Даже в том случае, когда после такой обработки осушителем жидкость будет казаться сухой, следует отфильтро­вать ее и оставить на ночь с новой порцией осушителя.

Перед перегонкой высушенную жидкость обычно отфильт­ровывают от осушителя через складчатый фильтр. Это особенно необходимо в тех случаях, когда применялись осушители, дей­ствие которых основано на способности к образованию гидра­тов (безводные сернокислый натрий, сернокислый магний, хло­ристый кальций); при повышенных температурах давление пара над солью становится заметным, и если соль не была отфильт­рована, то большая часть воды, если не вся вода, может снова оказаться в полученном при перегонке дистилляте.

Некоторые осушители (металлический натрий, оксиды кальция, бария, фосфора (V)) при взаимодействии с водой дают в качестве продуктов реакции вполне устойчивые гидраты, а потому фильтрование высушенной ими жидкости не является обязательным.

Высушивание твердых веществ . Легколетучие примеси мо­гут быть удалены из негигроскопичных твердых веществ высу­шиванием на фильтровальной бумаге, термически устойчивые вещества могут быть высушены в сушильных шкафах. Для суш­ки твердых веществ часто применяют обыкновенные и вакуум-эксикаторы. Последние в крышке имеют отверстие, в которое на резиновой пробке вставляют трубку с краном. Это дает возмож­ность соединить эксикатор с водоструйным насосом, между ко­торыми помещают манометр и предохранительную склянку.

Под вакуумом эксикаторы могут взрываться, поэтому перед включением насоса их необходимо обернуть полотенцем. При открывании вакуум-эксикатора, чтобы избежать распыления высушенного вещества воздухом, следует очень осторожно и медленно поворачивать кран. Только после того как давление будет уравнено, можно открывать притертую крышку вакуум-эксикатора.

Осушающий агент подбирают в зависимости от химических свой-ств высушиваемого вещества. Чаще всего в качестве осу­шителей для эксикаторов применяют хлорид кальция, натрон­ную известь, гидроксид натрия, гидроксид калия, фосфорный ангидрид, концентрированную серную кислоту. При этом нужно помнить, что серную кислоту нельзя применять для высушива­ния в вакууме, ее используют только в обыкновенных эксикато­рах для поглощения влаги, остатков спирта, эфира, ацетона, анилина, пиридина. Для адсорбции углеводородов, особенно гексана, лигроина, бензола и его гомологов, в качестве заполни­теля для эксикатора применяют парафин; для удаления веществ кислого характера применяют гидроксид натрия или гидроксид калия. Вода и спирты хорошо поглощаются фосфорным ангид­ридом, натронной известью.

Основные осушители

Приводим описание обычно употреб­ляемых осушителей с указанием их осушительной способности и случаев их применения.

Безводный хлорид кальция (СаС1 2). Благодаря своей доступ­ности, дешевизне, простоте приготовления и высокой осуши­тельной способности широко применяется в качестве осушите­ля. Он очень хорошо адсорбирует воду, так как при температу­рах, не превышающих 30 °С, образует СаС1 2 . 6Н 2 О. Однако хло­рид кальция не относится к числу быстродействующих осуши­телей и для высушивания им требуется продолжительное время. Медленность действия обусловливается тем, что поверхность твердого хлорида кальция покрывается тонким слоем его раствора в извлекаемой воде; при стоянии вода поглощается с образованием твердого низшего гидрата, который в свою очередь также является осушителем.

В процессе приготовления безводного хлорида кальция (выпаривание насыщенного раствора и последующее прокали­вание) обычно, хотя и в незначительной степени, происходит гидролиз соли. Вследствие этого осушитель всегда может со­держать небольшое количество гидроксида кальция или основ­ной соли кальция. Поэтому нельзя применять хлорид кальция для высушивания кислот или кислых жидкостей.

Хлорид кальция образует соединения со спиртами, фенола­ми, аминами, аминокислотами, амидами и нитрилами кислот, кетонами, некоторыми альдегидами и сложными эфирами, и потому его нельзя употреблять для высушивания таких веществ.

Безводный сульфат магния (МgSО 4). Он является очень хо­рошим нейтральным осушителем. Высушивает быстро, химиче­ски инертен, а потому может применяться для высушивания наибольшего числа соединений, включая и те, для которых не­применим хлорид кальция.

Гранулированный сульфат магния получают осторожным нагреванием МgSО 4 . 7Н 2 О сначала при 150-175 °С в муфельной или какой-либо другой печи до тех пор, пока не будет удалена большая часть гидратной воды, а затем при красном калении.

Можно получить безводный сульфат магния и более быст­ро, но с меньшей осушительной способностью, нагревая в чашке на голом пламени горелки тонкий слой кристаллической соли. Вещество при этом частично плавится и обильно, выделяет пары воды.

Твердый остаток (кусочки и порошок) растирают в ступке в порошок и хранят в плотно закрытой банке. Если при прокали­вании размешивать кристаллическую соль стеклянной папочкой, то сразу получают только сухой порошок.

Безводный сульфат натрия Nа 2 SО 4). Это нейтральный, дешевый осушитель, обладающий высокой способностью к ад­сорбции воды: при температуре ниже 32,4 °С он образует гидрат Nа 2 SО 4 . 10Н 2 О. Его можно употреблять почти во всех случаях, но высушивает он медленно и не до конца. Безводный серно­кислый натрий следует применять для предварительного удале­ния больших объемов воды. Он не пригоден в качестве осуши­теля для таких растворителей, как бензол и толуол, раствори­мость которых в воде мала; в этих случаях лучше применять безводный сульфат меди. Безводный сульфат натрия нельзя применять как осушитель при температурах выше 32,4°С - тем­пературы разложения декагидрата (Nа 2 SО 4 . 10Н 2 О).

Безводный карбонат калия (К2СО 3). Обладает умеренным осушающим действием, он образует дигидрат К 2 СО 3 . 2Н 2 О. Применяется для высушивания кетонов, нитрилов, сложных эфиров некоторых кислот. Иногда, например, при высушивании аминов им заменяют гидроксид калия и гидроксид натрия, во избежание действия сильной щелочи. Карбонат калия нельзя потреблять для высушивания кислот, фенолов и других кислых соединений.

Безводный карбонат калия часто применяется для высалива­ния растворенных в воде спиртов, гликолей, кетонов, простых 1фиров и аминов. Во многих случаях безводный карбонат калия можно заменять безводным сульфатом магния.

Гидроксид натрия (NаОН) и гидроксид калия (КОН). Их применяют главным образом для высушивания аминов (для этой цели можно также применять оксид кальция, оксид бария и натронную известь). Иногда лучше применять гидроксид калия, чем гидроксид натрия. Большую часть воды можно сначала удалить встряхиванием с концентрированным раствором гидро-ксида калия. Гидроксид натрия и гидроксид калия реагируют в присутствии воды со многими органическими соединениями (кислотами, фенолами, сложными эфирами, амидами) и раство­ряются в некоторых органических жидкостях, поэтому находят лишь весьма ограниченное применение в качестве осушителей.

Оксид кальция (СаО). Его применяют обычно для высуши-вания спиртов, обладающих низкой молекулярной массой. Дей­ствие оксида кальция может быть усилено предварительным на­греванием его до 700-900 °С. Оксид кальция и образующийся гидроксид кальция нерастворимы в высушиваемой жидкости, устойчивы к нагреванию и практически нелетучи, поэтому нет надобности отделять осушитель перед перегонкой. Оксид каль­ция (из-за его сильной щелочности) нельзя применять для вы­сушивания кислых соединений и сложных эфиров; последние претерпевали бы омыление. Спирты, высушенные перегонкой над натронной известью или оксидом кальция, все же не вполне сухи; последние следы влаги из них можно удалить перегонкой над металлическим кальцием, амальгамой магния или алюми­ния, или обработкой небольшим количеством натрия и высоко­кипящим сложным эфиром.

Оксид алюминия (А1 2 О 3), приготовленный из гидроксида алюминия, может адсорбировать воду до 15-20% своей массы. Активность использованного оксида алюминия может быть вос-

становлена нагреванием при 175 °С в течение 7-8 ч и заметно не снижается при повторном употреблении. Применяется как осу­шитель в эксикаторах.

Оксид фосфора (V) (Р 2 О 5). Исключительно эффективный и быстродействующий осушитель. Однако оксид фосфора доро­гой препарат и к тому же неудобный в обращении; при употреб­лении его поверхность быстро покрывается густым сиропом. Поэтому необходимо предварительно высушивать жидкость безводным сульфатом магния или другим подобным осушите­лем. Оксид фосфора следует употреблять только в тех случаях, когда требуется исключительно высокая степень высушивания. Его применяют, например, для высушивания углеводородов, простых эфиров, алкил- и арилгалргенидов и нитрилов, но не используют для осушки спиртов, кислот, аминов и кетонов. Ок­сид фосфора применяют иногда как осушитель в эксикаторах.

Металлический натрий (Nа). Применяется для высушива­ния парафиновых, циклопарафиновых, этиленовых и арома­тических углеводородов, а также простых эфиров. Предвари­тельно большую часть воды из жидкости или раствора удаляют безводным хлоридом кальция или сульфатом магния. Примене­ние натрия наиболее эффективно в виде тонкой проволоки, ко­торую выдавливают прямо в жидкость специальным прессом; таким путем создается большая поверхность для соприкоснове­ния с жидкостью. Нельзя применять натрий для высушивания таких соединений, с которыми он реагирует и которым может быть вредна образующаяся щелочь или когда высушиваемое соединение может восстанавливаться водородом, выделяющим­ся при обезвоживании. Следовательно, нельзя применять натрий для высушивания спиртов, кислот, сложных эфиров. органиче­ских галогенидов, альдегидов, кетонов и некоторых аминов.

При работе с натрием следует соблюдать особую осторож­ность.

Концентрированная серная кислота (Н 2 SО 4). Применяется, например, для высушивания брома, с которым она не смешива­ется. Для высушивания брома, бромистого этила и некоторых других галоидных алкилов их встряхивают в делительной во­ронке с небольшими количествами концентрированной кислоты до тех пор, пока не прекратится ее действие.

Концентрированная серная кислота широко используется в качестве осушителя в эксикаторах.

Гигроскопическая вата - отличный осушитель для приме­нения в так называемых «хлоркальциевых трубках», т.е. осу­шительных трубках, которыми закрывают капельные воронки, обратные холодильники, чтобы предохранить их от влаги воздуха. Гигроскопическая вата более удобна для этой цели, чем хлористый кальций. Перед употреблением вату следует высу­шивать в сушильном шкафу при 100°С.

Фильтрование

В лабораторной практике для механического разделения твердых и жидких компонентов какой-либо смеси обычно поль­зуются фильтрованием. Однако в простейшем случае можно использовать сливание жидкости с отстоявшегося осадка, т.е. декантацию. Рекомендуется использовать оба приема: сначала отделить жидкость и промыть несколько раз осадок декантаци­ей, а затем уже применить фильтрование.

Промывание с применением декантации заключается в том, что осадок заливают водой или специально приготовленной промывной жидкостью, взбалтывают с помощью стеклянной палочки и дают отстояться. Затем жидкость осторожно, во из­бежание разбрызгивания, сливают с осадка по стеклянной па­лочке на фильтр в воронке, при этом осадок должен оставаться в сосуде. Промывку осадка повторяют несколько раз. Путем де­кантации удается более полно отмыть осадок от маточного рас­твора; при фильтровании же сделать это удается не всегда, в си­лу того что осадок легко слеживается. Промывание нужно про­водить возможно малым количеством жидкости, так как абсо­лютно нерастворимых веществ нет, и каждый раз при промыва­нии свежей порцией жидкости часть осадка, хотя и незначи­тельная, переходит в раствор. При промывании осадка наливать жидкость на фильтр следует в таком количестве, чтобы она пол­ностью покрывала осадок и не доходила до краев фильтра на 3-5 мм; кроме того, выливать новую порцию жидкости на фильтр нужно после того, как предыдущая будет полностью от­фильтрована.

На эффективность фильтрования влияют следующие факторы: вязкость (чем выше вязкость раствора, тем труднее фильт­рование); температура (чем выше температура раствора, тем легче
фильтрование); давление (чем выше давление, тем быстрее фильтрование жидкости); размер частиц твердого вещества (чем больше размер частиц вещества по сравнению с размером пор фильтра, тем легче фильтрование).

Из фильтрующих средств в лаборатории чаще всего приме­няют фильтровальную бумагу, ткани, пористое стекло, асбест и т.п. Фильтрование при обычном давлении . Этот способ фильт­рования является наиболее простым и часто применяемым. Фильтрованием при обычном давлении называется процесс, в котором жидкость проходит через фильтрующий материал только под давлением столба фильтруемой жидкости.

В обычную стеклянную воронку вкла­дывают простые или складчатые фильтры из фильтровальной бумаги. Для изготов­ления простого фильтра квадратный кусок фильтровальной бумаги складывают вчет­веро, свободный угол полученного квадрата обрезают ножницами по пунктирной линии. Отделив один слой бумаги, рас­правляют готовый фильтр, который принимает вид конуса.

Фильтрование значительно ускоряется при пользовании складчатым фильтром (рис. 22), так как фильтрующая поверхность его больше, чем у простого фильтра. Однако складчатый фильтр используют лишь в том случае, когда остающийся на фильтре осадок не нужен или его немного.

Рис. 22. Фильтрование на складчатом фильт­ре (горячее фильтро­вание)

Фильтр следует подбирать таким образом, чтобы размер его соизмерялся с объемом осадка, при этом край фильтра в воронке должен быть всегда ниже края воронки на 3-5 мм. Фильтр должен плотно прилегать к стенкам воронки, причем при вкладывании необходимо следить, чтобы не прорвалась его верхушка. Перед фильтрованием фильтр нужно смочить в воронке чистым растворителем. Уровень фильтруемой жидкости в воронке должен быть ниже края бумаги.

Условием быстрого фильтрования является наличие жидкости в трубке ворон­ки. Для этого при смачивании наливают в воронку растворитель выше края фильтра, а затем немного приподнимают фильтр и быстро опускают, при этом образуется столб жидкости в трубке.

В тех случаях, когда жидкость имеет большую вязкость, а также в случае перекристаллизации фильтрование проводят при нагревании. Обычно для этой цели применяют воронки для го­рячего фильтрования. Для фильтрования веществ с низкой тем­пературой плавления (например, уксусная кислота, бензол) применяют специальные воронки с охлаждением. В присутствии сильных щелочей и кислот, ангидридов, окислителей и других веществ, разрушающих фильтровальную бумагу, осадки фильтруют через пористые стеклянные фильтры.

Фильтрование под вакуумом . Сущность фильтрования под вакуумом заключается в том, что в приемнике создают пони­женное давление, вследствие чего жидкость фильтруется под давлением атмосферного воздуха. Это ускоряет процесс фильт­рования. Прибор для отсасывания состоит из фарфоровой во­ронки Бюхнера, колбы Бюнзена, предохранительной склянки и водоструйного насоса (рис. 23).

Размер воронки Бюхнера должен соответствовать количест­ву отфильтровываемого вещества- кристаллы должны полно­стью покрывать поверхность фильтра, однако слишком толстый их слой затрудняет отсасывание и промывание. Между колбой Бюнзена и вакуум-насосом помещают предохранительную склянку, так как при падении давления в водопроводной сети вода из насоса при отсутствии предохранительной склянки по­падает в колбу Бюнзена. Предохранительную склянку соединя­ют с водоструйным насосом с помощью толстостенной резино­вой трубки, стенки которой не сжимаются при наличии в трубке разрежения.

Рис. 23. Установка для фильтрования в вакууме (1 - воронка Бюхнера; 2 - колба Бюнзена; 3 - предохранитель­ная склянка; 4 - подвод вакуума с маномеметром)

В химической лаборатории чаще всего применяются водо­струйные вакуум-насосы, которые работают по принципу увле­чения частиц газа струей жидкости. Они бывают стеклянные и металлические. Их прикрепляют к водопроводному крану с по­мощью насадки.

На верхний конец насоса надевают толстостенную резино­вую трубку или прорезиненный шланг длиной 10 см, который закрепляют мягкой железной проволокой, чтобы не просачива­лась вода. Другой конец трубки или шланга соединяют с насад­кой крана и также стягивают проволокой. Затем проверяют на­сос. Для этого открывают водопроводный кран, а отверстие бо­кового отростка насоса закрывают пальцем. Если палец присасывается, значит, насос для работы годен. На боковой отросток водоструйного насоса надевают толстостенную резиновую трубку, которую соединяют с предохранительной склянкой.

Чисто вымытую воронку Бюхнера вставляют в колбу на ре-зиновой пробке (корковые пробки применять не рекомендуется из-за их пористости). На сетчатую перегородку воронки помещают кружок фильтровальной бумаги, диаметр которого на I мм меньше внутреннего диаметра воронки. Чтобы вырезать такой кружок, берут вдвое сложенный лист фильтровальной бумаги, накладывают сверху на воронку и слегка нажимают ладонью. На бумаге получается отпечаток круга верхнего диаметра; затем ножницами подгоняют кружок до нужного размера. Уложив бумажный фильтр в воронку, смачивают его растворителем и включают насос, с тем чтобы фильтр присосался ко дну воронки. В случае хорошо положенного фильтра слышится спокойный шумящий звук, если же фильтр положен неплотно и имеется подсос воздуха, - свистящий звук. После проверки фильтра, не выключая насос, в воронку наливают до половины высоты фильтруемую смесь.

При фильтровании необходимо следить, чтобы на поверхности осадка не образовалось трещин, так как это ведет к неравномерному, неполному отсасыванию и к загрязнению осадка в результате испарений растворителя. Кроме того, нужно следить, чтобы в колбе не собиралось слишком много фильтрата, иначе он будет втягиваться в насос. При фильтровании огнеопасных жидкостей необходимо соблюдать соответствующие меры предосторожности. Чтобы удалить остатки маточного раствора, кристаллы промывают на фильтре небольшими порциями растворителя. Для этого осадок на фильтре пропитывают растворителем, а затем включают насос.

Промытые кристаллы на фильтре отжимают плоской частью стеклянной пробки до тех пор, пока не перестанет капать маточный раствор. Затем воронку вместе с пробкой вынимают из колбы и вытряхивают фильтр вместе с осадком на фильтровальную бумагу. Очистив бумажный кружок и стенки воронки лопаточкой от приставших кристаллов, отжимают полученный продукт в фильтровальной бумаге и высушивают на воздухе или другими способами.