Полезные заметки/Химическая посуда

Химическая посуда — это те причудливые бутылочки и скляночки, в которых булькают разноцветные жидкости в лабораториях. Сколько её разных видов! Круглые бутылочки, треугольные бутылочки, трубочки, пробирочки… Как во всём этом разобраться? И что из этого когда использовалось: что можно встретить в лаборатории фэнтезийного алхимика, что — у чокнутого профессора из XIX века, а что — в ультрасовременной лаборатории?

Необходимо отметить, что вся современная химия, химический синтез, нефтехимия и даже в значительной мере металлургия выросли из этой лабораторной посуды этих чокнутых профессоров и алхимиков и зачастую различия оборудования цехов и обычных колб там исключительно количественного, но не качественного характера. Поэтому курс обучения студентов этих отраслей обязательно проходит через химическую лабораторию и знакомство с лабораторной посудой не только как дань традиции, но и в тщетной надежде, что хотя бы часть отроков сумеет понять суть протекания физико-химических процессов в аппаратах на наглядных примерах в миниатюре и даже научится потом на практике применять полученные знания!

Ну и нельзя не упомянуть о том, что промышленная химия не только выросла из этой посуды, но и продолжает вырастать. Экспериментальная химия по-прежнему целиком зиждется на лабораториях и посуде, в которой пробуют те реакции, которые через 10 лет пойдут работать на завод (если только речи не идёт о реакциях в абсолютно ненормальных условиях вроде сверхвысоких давлений и сверхнизких температур и с абсолютно ненормальными реагентами вроде фторидов поликислорода, для которых нужны установки посложнее). Ну и аналитическая химия — когда нужно не придумать новое вещество, а разобраться, что собой представляет вещество неизвестное — без лабораторной посуды немыслима.

Основные виды химической посуды

Пробирки

Пробирка — это сосуд в виде стеклянной трубочки с донышком, открытой с одной стороны. Название ее происходит от слова «пробовать» — в ней проводят опыты с малым количеством веществ, чтобы не тратить лишнее (отсюда и название на английскком «test tube» — буквально «тестовая трубка»). Пробирки — расходный материал, и если одна из них лопнет или «закозлится» (забьётся застывшим веществом) — её не жалко будет выкинуть. Пробирки появились в XIX веке и используются поныне.

Кроме химии, пробирки используются в биологии (для культивирования образцов — как бактериальных культур, так и саженцев растений) и медицине (для забора и временного хранения проб биологических жидкостей). Биологические и медицинские пробирки, в отличие от химических, обычно изготавливаются из пластика — и к повторному использованию точно не предназначены, поскольку простерилизовать их невозможно, после использования их уничтожают.

Стаканы, мензурки и цилиндры

Стакан — он и есть стакан. Сосуд в форме цилиндра с маленьким носиком, из которого удобно разливать жидкость. Часто стаканы бывают мерными, но градуировка на них неточная, предназначенная для того, чтобы приблизительно определить объём жидкости.

Мензурка — мерный стакан в форме усеченного конуса, немного расширяющийся кверху. Мензурки градуируются точнее, чем стаканы, но менее точно, чем цилиндры.

Цилиндр — уже полноценная мерная посуда. По форме он поуже и повыше стакана, почти как большая пробирка, и градуирован точными делениями, по которым можно определить объём налитой жидкости.

Колбы

Колбы — это самая широко применяемая посуда в лаборатории. Колбой называется любой сосуд приблизительно «бутылочной» формы. А видов их множество, и каждый применяется в своих целях.

Круглодонная колба — колба в форме шара с горлышком. Изобретена еще алхимиками, использовалась на всем протяжении существования химии. Используется для нагревания и кипячения жидкостей, перегонки, так как колба именно такой формы наименее восприимчива к растрескиванию от нагрева и дает наиболее равномерный нагрев.

• Двухгорлая и трёхгорлая колба: круглодонная колба, у которой более одного горлышка. К разным горлышкам могут подсоединяться разные аппараты, например, в одном горле — воронка, в которую в колбу заливается жидкость, а к другому присоединена насадка Вюрца и холодильник, для перегонки. Такая колба получила распространение в XX веке.
• Колбы с отводной трубкой (Вюрца, Энглера): круглодонные колбы, от горлышка которых отводится трубка. Предназначены для перегонки, широко использовались в XIX—XX веках. В настоящее время используются обычные круглодонные колбы со специальной насадкой, которая так и называется — насадка Вюрца, и именно от неё отходит трубка.

Плоскодонная колба — похожа на круглодонную, но с плоским дном, чтобы её можно было ставить на стол, и она не упала. Для нагревания подходит хуже, чем круглодонная, обычно в этих колбах титруют (проводят высокоточные аналитические реакции для измерения количества вещества) или готовят растворы.

Колба Эрленмейера — коническая колба. Универсальная колба, в которой можно делать всё. Из неё можно перегонять, в ней можно титровать, её можно ставить на стол, и она не упадёт, она даже градуирована. Изобретена в XIX веке.

Колба Бунзена — похожа на колбу Эрленмейера, она тоже коническая, но спутать их трудно: у колбы Бунзена массивные толстые стенки и трубка-отвод из горлышка. Это вакуумная колба, предназначенная для работы под низким давлением. Через трубку-отвод из неё откачивают воздух.

Мерная колба — по форме она средняя между плоскодонной и конической, отличается длинным горлышком, на которое нанесена риска. Это колба для приготовления и хранения растворов определенной концентрации, риска отмечает заданный объём жидкости в колбе. Эти колбы никогда не делают из термостойкого стекла, и нагревать их нельзя.

Перегонные аппараты и их детали

Аламбик (араб. кубок) — ныне он для применяется для французских коньяков и арманьяков, а первоначально был именно алхимическим перегонным аппаратом, выглядящим как двойная реторта.

Реторта — простейший перегонный аппарат в виде колбы с длинным носом. Изобретена ещё алхимиками. Нос играет роль воздушного холодильника, в нем пары жидкости, кипящей в реторте, охлаждаются об атмосферный воздух. Польза в том, что реторта цельностеклянная и в ней можно гнать агрессивные жидкости. Недостаток в том, что воздушный холодильник-нос не очень эффективен. В настоящее время реторты используются, но очень редко. Сама по себе реторта ещё не полноценный перегонный аппарат в сборе — обычно даже в простейшем случае к ней требуется два штатива (или штатив и тренога), круглодонная колба-приёмник, спиртовка для получения простейшего подобия перегонного (когда и самогонного) аппарата. Для компенсации малой теплообменной поверхности носика реторты вполне честный способ поставить круглодонную колбу в тазик с водой или просто под струю холодной воды или воздуха.

Колба Вюрца (в наше время имеет вид комбинации круглодонной колбы и насадки Вюрца) — её можно и нужно использовать вместо реторты при наличии более совершенного теплообменника-охладителя (в химии их называют «холодильник»).

Холодильник Либиха — прямой холодильник (прямоточный емкостной теплообменник), прямая стеклянная трубка в рубашке, в которую подается холодная вода или иной хладагент. Появился в XIX веке. Вход подсоединен к колбе Вюрца или насадке Вюрца, к выходу присоединен специальный «носик» — алонж, из которого сконденсировавшаяся жидкость капает в колбу-приемник. Намного более эффективное устройство для перегонки, чем реторта.

Шариковый, спиральный и другие холодильники — отличаются от холодильника Либиха тем, что внутри рубашки с водой не прямая трубка, а нечто с большей площадью поверхности.

Дефлегматор — дополнительное устройство для сборки перегонного аппарата, вертикальная трубка с пупырышками, которая ставится между горлышком круглодонной колбы и насадкой Вюрца. Его задача в том, чтобы повысить эффективность разделения жидкостей при перегонке, конденсируя (Поэтому это устройство может зваться также сухопарник или даже конденсатор) более высококипящие пары и пропуская более низкокипящие. Также он может ставиться на колбу, если нужно долго греть жидкость при температуре кипения, но не хочется, чтобы ее пары улетали черт знает куда.

Как всё это соединяется?

Ранее главным средством соединения химической посуды в аппараты служили резиновые пробки с отверстиями. Однако такой способ плох тем, что резина не совершенно инертна, и со многими веществами, реагирующими с резиной, в таких аппаратах работать нельзя.

Решением стали аппараты на шлифах. Шлиф — это разъемное соединение из вставляемых друг в друга притертых чаще стеклянных деталей. Точно выполненные, стандартных размеров соединения из мелкошероховатого стекла типа «папа»-«мама» вставляются одно в другое, чем легко достигается почти герметичное соединение. А если капнуть в шлиф какой-нибудь густой жидкости (чаще всего вазелин или глицерин), инертной по отношению к находящимся в аппарате реагентам, то соединение становится совсем герметичным. Для надежности шлифы можно дублировать зажимами.

Керамика

Керамическая посуда выполняет в лаборатории вспомогательную роль, когда требуется высокая прочность, термостойкость, которую не обеспечить стеклом, или просто не требуется прозрачности.

Ступка и пестик — приспособления для растирания и измельчения кристаллов в порошки.

Парильная чашка — служит для выпаривания, по форме напоминает узбекскую пиалу — с округлым дном, низкая и широкая.

Тигель — сосуд для нагревания до очень высоких температур. Высокая, почти цилиндрическая керамическая чашка с крышкой, которую щипцами кладут в муфельную печь или греют на газу. В китайской алхимии его аналогом являлся алхимический котёл, имевший крышку.

Воронка Бюхнера — внешне напоминает дуршлаг. Предназначена для фильтрования под вакуумом. Её подсоединяют к колбе Бунзена, на отверстия «дуршлага» кладут фильтровальную бумагу, сверху наливают фильтруемый раствор, а из колбы отсасывают воздух.

Прочее

Штатив — приспособление с «лапками» (обычно тремя) на вертикальном стержне и с горизонтальной металлической опорой. Предназначено для того, чтобы держать химическую посуду на весу при сборке её в аппарат.

Тренога — во многих случаях служит более простой альтернативой штативу или дополнением к нему, кольцо на трех ногах, куда можно поставить круглодонную колбу или реторту.

Нагревательные приборы с открытым огнём — сюда входят различные спиртовки и газовые горелки. Незаменимы при работе с негорючими жидкостями, опасны при работе с горючими.

Электронагревательные приборы — электроплитки плоской и вогнутой («колбогреи») формы. Современное решение, пригодное для нагрева любых, даже горючих веществ.

Магнитная мешалка — устройство для автоматического перемешивания жидкости в колбе. Крутящийся магнит (обычно встроенный в электронагревательный прибор) и стальной «якорь» в пластиковой оболочке, который помещается в колбу и крутится при вращении магнита.

Воронка Шотта — стеклянная воронка, в которую впаян фильтр из пористого стекла. Используется аналогично воронке Бюхнера, для того, чтобы фильтровать под вакуумом. Чем лучше воронки Бюхнера? Тем, что на ней можно фильтровать жидкости и осадки, которые реагируют с фильтровальной бумагой, разлагаются от контакта с ней или растворяют её. Например, когда кристаллизуешь бертолетову соль, лучше использовать именно воронку Шотта, потому что кристаллы, снятые с воронки Бюхнера, содержат частицы бумаги и взрывоопасны, и сама бумага, пропитанная хлоратосодержащим раствором, становится опасной. А вот отмывать стеклянный фильтр воронки Шотта от застрявших в нем частиц осадка сложнее, чем убрать бумажку с воронки Бюхнера, для этого обычно используют еще более агрессивный реагент, который растворяет то, чем засорился фильтр.