Главная 

Статьи 

Книги 

Юмор 

Разное 

О себе 

Обратная связь

Бондаренко Ю.Н.

ЛАБОРАТОРНАЯ ТЕХНОЛОГИЯ

*

Изготовление газоразрядных источников света

для лабораторных целей и многое другое

Предисловие  1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 Содержание

Глава 11. Синтез материалов и веществ.

Далеко не каждое вещество (часто в виде материала) можно получить в готовом виде. Тогда приходится готовить их самостоятельно, по мере необходимости. В этом случае, незаменимым пособием может служить шеститомник «Руководство по неорганическому синтезу» Брауэра, книги «Чистые химические вещества» и «Неорганический синтез» Н.Г.Ключникова.

В них есть методики синтеза не только химических веществ, но и, например, изготовления тиглей из окиси тория, получения чистых щёлочных и щёлочноземельных металлов. Есть в них и сведения по лабораторной технике.

Мы в этой главе приведём способы приготовления некоторых веществ, так как охватить все возможные случаи не представляется возможным.

Алюмогель

Это пористая окись алюминия, способная при нормальной влажности поглощать до 10% воды от своего веса. Обезвоженный алюмогель снижает точку росы осушаемых газов до — 40^° . Большим его преимуществом перед силикагелем является возможность сушить алюмогель при температуре до шестисот градусов, против двухсот для силикагеля. Это позволяет вести сушку быстро и выжигать органику, очищая адсорбент полностью. При глубоком охлаждении алюмогель будет поглощать также и атмосферные газы, поэтому он пригоден для получения вакуума в сорбционных насосах вместо цеолита и в форвакуумных ловушках для поглощения паров масла.

Получить его можно так: в железную посуду наливаем десяти процентный раствор кальцинированной соды или поташа, нагреваем почти до кипения и бросаем туда чистый алюминий (проволоку, стружку, обрезки кастрюль, чайников и т. д. Алюминий разрушается в течении нескольких часов. При этом выделяется водород.

Осадок в виде кусочков и порошка отмываем от остатков соды вначале водой, затем слабым раствором азотной кислоты, прокаливаем при температуре начала свечения и рассеиваем на фракции. Самый мелкий порошок можно применять для очистки жидкостей. Перед применением алюмогель следует повторно прокалить. Наличие остатков воды в процессе прокаливания можно обнаружить, поднося к месту выхода паров кусок стекла или зеркало. Продукт содержит большое количество окиси щёлочного металла.

Водород

Для наполнения воздушных шариков, получения гидрида титана, восстановления оксидов, защиты нагревателей печей, водородной гиперсенсибилизации фотоматериалов и т. д. нужно большое количество чистого водорода. Получать его можно электролизом, но этот способ не всегда выгоден. Описание электролизёра для получения чистых водорода и кислорода описан у Брауэра.

Классическая реакция «цинк — кислота» требует дорогих реактивов и создаёт много грязи и едких газов. Эти газы вызывают коррозию оборудования. Очистка от них водорода требует специальных поглотителей.

У нас применяется способ получения водорода в примитивном вытеснительном (для гиперсенсибилизации фотоматериалов) или баллонном генераторе (для других целей) из смеси одной части обычной алюминиевой стружки, двух частей гашеной извести — пушонки и примерно пяти процентов кальцинированной соды, которая играет роль катализатора и регулирует скорость реакции. Полотняный мешочек с такой смесью, завёрнутый в полиэтилен или закрытый в стеклянной банке может храниться месяцами. Для получения водорода его помещают в воду под колокол газогенератора, изготовленного из бутылки с отрезанным дном.

Водород начинает выделяться через несколько минут. Выделение водорода продолжается около часа, а затем  - медленно - недели. При получении водорода под давлением мешочек помешают в баллон газогенератора, который должен быть проверен на соответствующее гидростатическое! давление (удвоенное рабочее). Воду в баллон добавляют в количестве двух — пяти объёмов навески.

Из баллона — генератора вакуумным насосом откачивается воздух до начала выделения водорода, в противном случае он будет загрязнён компонентами воздуха. Если чистота водорода не очень важна, то, после начала выделения водорода, часть его можно просто стравливать. В связи с тем, что выделение водорода продолжается длительное время, следует заранее подобрать навеску смеси и контролировать давление в генераторе. Неплохо также иметь предохранительный клапан.

Водород, если его применять для обычных целей (получение гидрида титана, восстановление окислов и т. д). нуждается только в осушке силикагелем или алюмогелем.

Для заполнения воздушных шариков, в количестве, достаточном для снабжения детей, идущих на праздник Первого мая, нужно примерно полкилограмма смеси.

Кадмий

Металлический кадмий можно получить, нагревая его оксид или карбонат в смеси с древесным углём в стальном или кварцевом тигле до семисот градусов. Тигель следует применять достаточно длинный и прикрыть достаточно плотной крышкой. Восстановленный кадмий осаждается на холодных стенках и крышке. Полученный металл следует перегнать в откачиваемой вращательным насосом пирексовой ампуле. Пыль кадмия, его окиси и солей, а также образующийся при его сгорании дым очень вредны для здоровья. Их следует особенно остерегаться. Кадмий можно получить также, вытесняя цинком из хлорида. Хлорид можно приготовить из других соединений. Переплавлять кадмиевую губку следует в высоком тигле под слоем расплавленного едкого натрия. (Очки! Тяга!) . На воздухе металлический кадмий устойчив.

Таллий

Металлический таллий из его галогенидов (кристаллы «КРС») можно восстановить в насыщенном растворе NaCl или KJ цинком в течении нескольких дней. Кусочки цинка должны касаться кусочков галогенидов таллия. Полученную таллиевую губку следует промыть водой, спиртом и затем переплавить под слоем вазелина. Таллий на воздухе постепенно окисляется. Хранить его надо под минеральным маслом, керосином или в вакуумированой ампуле.

Гидрид титана и титановый порошок

Гидрид титана (циркония) применяется для получения титанового (циркониевого) порошка. Гидрид измельчается в ступке и затем дегидрируется в высоком вакууме при температуре до 750^°. Гидрирование и дегидрирование проводится в кварцевой ампуле возможно большего размера.

Титановая стружка спрессовывается при помощи молотка и стального стержня в стальной втулке, поставленной на наковальню, в таблетки. Степень измельчения титана в стружку роли почти не играет. Таблетки загружаем в разрезанную горячим способом кварцевую ампулу и вновь её запаиваем, стараясь не слишком перегревать титан.

Поглощая водород, титан несколько увеличивает свой объём и может разорвать ампулу. Поэтому, таблетки не следует вставлять в неё плотно. Нужно их делать меньше на два-три миллиметра.

Ампула помешается в печь и постепенно нагревается до пятисот-семисот градусов с откачкой. Достаточен одноступенчатый вращательный насос.

После прогрева при контроле давления в систему постепенно впускается водород из баллонного генератора через ампулу с силикагелем или алюмогелем. Постепенно давление водорода доводим до атмосферного и снижаем температуру до двухсот градусов. Водород поглощается с большой скоростью, если он чистый и титан был прогрет для растворения в металле поверхностной плёнки окислов. После охлаждения до двухсот градусов остаток водорода из ампулы следует откачать и нагреть гидрид до начала обратного выделения из него водорода. Затем система вновь заполняется водородом из баллона и титан охлаждается. Такой же цикл следует проделать и ещё раз. При термоциклировани происходит растрескивание гидрида и он лучше поглощает водород.

Готовый, охлаждённый гидрид выгружается. Тот титан, который не растирается в ступке, возвращается на повторное гидрирование с новой загрузкой.

Гидрид стоек на воздухе. Умеренно измельчённый, воспламеняется с трудом лишь при нагреве в пламени горелки. Кроме получения титанового порошка, он может восстанавливать при нагреве в вакууме барий и (наверное) стронций, радий и кальций из их хроматов. Для восстановления лития и других щёлочных металлов он тоже наверняка пригоден, но проводить восстановление металлов следует при медленном нагреве из-за опасности рассеивания термитной смеси выделяющимися водородом и парами воды.

Титановый порошок, при его получении из гидрида, не следует перегревать из-за опасности спекания. Правильно дегидрированный, он легко растирается в ступке. Его незначительное окисление не сказывается на способности восстанавливать щёлочные металлы (например, цезий).

Алюминиевая пудра

Алюминиевую пудру тоже можно применять для получения цезия из бихромата. При получении пудру пропитывают специальной смазкой, которая совершенно не нужна в вакуумной системе. Поэтому пудру следует промыть хорошим (но не хлорсодержащим!) растворителем, например, ацетоном, а затем перегнанным бензином или бензолом. Просушенную на воздухе пудру сушат в вакууме масляного насоса при постепенном повышении температуры до пятисот — шестисот градусов. Из за рыхлости и повышенного количества загрязнений она не столь удобный восстановитель, как титан. Может применяться для восстановления щелочноземельных металлов из их оксидов.

Бихроматы щёлочных металлов

Бихроматы цезия и рубидия можно получить обменной реакцией из их хлоридов и бихромата аммония. Этот способ описан в шеститомнике Брауэра. Труднорастворимый в холодной воде бихромат выпадает в осадок. Его следует перекристаллизовать из горячей воды, переплавить при температуре начала свечения в посуде из тугоплавкого стекла для разложения остатков бихромата аммония, отфильтровать выделившуюся окись хрома и вновь перекристаллизовать. Удаление остатков бихромата аммония необходимо потому, что при восстановлении в вакууме щёлочного металла этот бихромат разлагается с выделением большого количества газов.

Пользуясь хорошей растворимостью бихроматов тяжёлых щелочных металлов в горячей и плохой — в холодной воде, их можно выделить последовательными кристаллизациями из маточных растворов почти полностью.

Готовые щёлочные металлы крайне неудобно вводить в лампы и в фотоэлементы. Их можно и следует вначале превратить в бихромат следующим способом. Ампулу со щёлочным металлом осторожно надрезают хорошо заточенным ножом и горячей стеклянной палочкой проводят по ней трещину по всему сечению.

В нержавеющую кастрюльку наливают гексан или другой летучий (не хлорированный!) растворитель, в количестве, покрывающим ампулу, погружают её на дно и отбивают отрезанную часть.

Приливая спирт до начала реакции, разлагают весь металл и полученный алкоголят разрушают очень осторожным добавлением воды. Остатки ампулы следует взвесить и определить по разности веса пустой и полной ампулы вес металла, введённого в реакцию

После испарения органического растворителя, остатков спирта и воды осадок слабо прокаливают для удаления следов органики и добавкой небольшого избытка бихромата аммония превращают его в бихромат рубидия (цезия). Бихромат затем очищают перекристаллизацией. Работу следует выполнять во дворе и обязательно в очках. Если растворитель воспламенится, кастрюлю следует аккуратно накрыть крышкой.

Синтез драгоценных камней

Синтез рубинов и сапфиров описан в главе «оборудование». Методику синтеза искусственных алмазов следует смотреть в оригинальной литературе.

Полирующие порошки

Окись церия, пригодную для полировки стекла из порошка «Полирит» можно получить следующим способом: полирит слегка увлажняется водой в термостойкой стеклянной посуде. К нему при помешивании добавляется концентрированная серная кислота до прекращения разогрева и почти полного исчезновения коричневой окраски полирита.

Полученная смесь солей растворяется в воде и отстаивается от твёрдых примесей. Разделение сульфата четырёхвалентного церия и трёхвалентных лантанидов основано вот на каких их свойствах: В полирите церий находится в виде двуокиси, и его четырёхвалентное состояние сохраняется в полученном сульфате. Другие лантаниды, кроме празеодима и тербия, четырёхвалентных ионов не образуют.

Если к нашему раствору добавить в избытке раствор сульфата натрия, то он образует с сульфатами трёхвалентных лантанидов очень плохо растворимый двойной сульфат, который постепенно выпадает в осадок, а четырёхвалентный сульфат церия останется в растворе.

Осадить из него двуокись церия можно, добавляя в раствор очищенного сульфата четырёхвалентного церия раствор соды. Осадок следует тщательно промыть и прокалить в течении часа при температуре 1100^° — 1200^°. По литературным данным, следы хлоридов в полирите сильно ухудшает его работоспособность. Из оставшегося раствора можно выделить сульфат натрия для последующей работы. А из осадка двойных солей действием едкого натра можно выделить их гидроксиды.

Полученная двуокись церия прекрасно полирует стекло и алюминий. При полировке алюминия вместо воды порошок разводят на спирте или других органических растворителях.

Порошок «Полирит» можно разложить спеканием при нагреве до 700^° — 800^°  с рассчитанным количеством борной кислоты. Трёхвалентные РЗМ образуют с ней бораты, которые можно растворить в разбавленной десятипроцентной азотной кислоте при нагреве. Окись церия следует затем отмыть и прокалить при высокой температуре. Полноту разделения следует контролировать взвешиванием оставшейся после растворения боратов окиси церия. Хорошая работоспособность порошка обеспечивается наличием в его составе СеО₂ свыше семидесяти процентов.

Полирующий порошок для стекла — «Крокус» может быть получен прокаливанием при температуре 750^° градусов карбоната, сульфата, оксалата или других солей железа, способных разлагаться при высоких температурах. Раньше, когда этот порошок в больших количествах применяли в промышленности для полировки листового стекла,— из чего его только неделали!

Оксалат железа дорог, при прокаливании соединений, содержащих серу, выделяются её оксиды и поэтому лучше всего применять дешёвый карбонат, осаждённый бикарбонатом натрия из раствора железного купороса. Осадок следует промыть и добавить перед прокаливанием минерализатор — 1% поваренной соли.

После часового нагрева кристаллики крокуса приобретают размеры, близкие к оптимальным (около одного микрона). При пониженной температуре получается более медленно работающий порошок, его лучше применять для доводки точных оптических поверхностей. Небольшие примеси в исходном сырье никеля или хрома не мешают получить порошок хорошего качества.

Прокалённый порошок следует промыть дистиллированной водой и профильтровать через сито из нержавеющей или латунной сетки с ячейками 40 микрон (из топливных фильтров). Так же следует очистить и окись церия.

Окись хрома может быть получена прокаливанием бихромата калия с серой. Эту смесь следует поджигать в большом тигле или лотке малыми порциями во дворе. Остаток прокалить при температуре около семисот градусов и промыть водой.

Прокаливанием бихромата аммония можно получить более мелкозернистую окись хрома, пригодную для чистовой полировки оптических кристаллов.

Поскольку при разложении этой соли все царапающие примеси перейдут в полученный порошок, то её следует перекристаллизовать из горячей воды, профильтровав раствор сквозь чистую вату и дополнительно отстоять мусор, могущий попасть из ваты. Разложение следует вести в раскалённом кварцевом стакане с оплавленными краями, постепенно подсыпая в неё соль.

Газообразные продукты разложения бихромата аммония относительно безвредны. Полученный продукт следует прокалить при температуре слабо-красного каления и промыть методом декантации чистой дистиллированной водой. На всех этапах синтеза следует избегать загрязнения порошка царапающими примесями.

Приготовление эпоксидного лака

Смешав эпоксидную смолу с обычным количеством отвердителя полученную смесь следует тут же смешать с примерно двукратным количеством ацетона. Ацетон должен быть чистым и не содержать большого количества воды. Применять растворители типа этилацетата нельзя, т. к. они реагируют с отвердителем — полиэтиленполиамином и отверждениясмолы не происходит.

Лак твердеет не столь быстро, как смола с отвердителем, но длительное хранение приводит его в негодность. Он пригоден для покрытия дерева и протравленного щёлочью или оксидированного алюминия. После нанесения лак сушат и отверждают при температуре 100^° (дерево) или 160^° (алюминий) градусов. Лаковая плёнка очень твёрдая и красивая.

Синтез алюмокалиевых или аммониевых квасцов

Алюминиевую стружку растворяют в подогретой серной кислоте. При растворении сплавов, содержащих кремний (силумин) выделяется силан. Он самовоспламеняется на воздухе и может поджечь выделяющийся водород. Это приводит к весьма неприятным взрывам, поэтому реакцию следует проводить во дворе, одев очки. Не следует накрывать чем-либо реакционный сосуд. Полученный сульфат алюминия следует тщательно отфильтровать от нерастворимых примесей и по каплям вливать в концентрированный раствор сульфата калия или аммония, взятый в некотором избытке. Растворы должны быть холодными и иметь небольшой избыток кислоты.

Кристаллизующиеся квасцы могут захватывать из раствора трёхвалентное железо. Для его восстановления до двухвалентного состояния в раствор следует добавить чистый и свежий бисульфит натрия, который квасцов не образует или (лучше) пропускать в раствор медленный ток двуокиси серы.

Окись алюминия, полученную из алюмоаммониевых квасцов, применяют для синтеза оптического рубина для лазеров. Кристаллы квасцов имеют красивую форму и могут служить сувенирами.

Синтез сплавов металлов, воспламеняющихся на воздухе при нагревании

Синтез сплавов щёлочноземельных металлов, лития и магния удобно проводить в открытом железном тигле, помешённом в вертикальную печь. Высоту тигля следует делать около пяти диаметров.

Защиту сплава от воздуха можно осуществить, пропуская в него аргон через плотно вставленную в стенку тигля толстую иглу от шприца. Тигель следует прикрыть крышкой с отверстием для наблюдения. Дополнительную защиту сплава можно осуществить подходящим флюсом из хлоридов калия и лития, но обычно этого не требуется. Плавку следует вести быстро.

В нагретый и продутый аргоном тигель по кусочкам добавляем промытый от масла чистым бензином и высушенный металл.

Повысив температуру, проводим плавление металлов. Сплав следует перемешать железной проволокой и либо разлить в вакуумируемый кокиль, либо, вынув тигель из печи, поставить на металлическую подставку длябыстрого охлаждения.

Эти сплавы обычно крайне хрупки и могут быть выбиты из тигля при его деформации. Сплавы литий-магний и литий-кальций-магний — пластичны. Вопрос о их устойчивости на воздухе проверяется опытным путём. Порошок сплавов может быть пирофорным. Все работы следует производить в очках и вдали от горючих вещей. Заглядывать в тигель с расплавленным металлом лучше всего с помощью небольшого зеркальца.