Учебное пособие знакомит читателя с техникой эксперимента в химии и предназначено для обучения основным приемам работы в химической лаборатории
|
Скачать 7.67 Mb.
|
1.2. Керамика, керметы, графит и асбест Керамика (от греч. keramos - глина) - неметаллические материалы и изделия, получаемые спеканием глин и порошков оксидов металлов. В зависимости от химического состава различают оксидную, карбидную, нитридную и другую керамики. В лабораториях обычного типа чаще всего применяют изделия из оксидной алюмосиликатной керамики на основе смеси Si02 и AI2O3 (фарфор, шамот, динас, диабаз) и керамику на основе А1203 (корунд), Zr02, MgO и ВеО. Фарфор - белый керамический материал, просвечивающий в тонком слое и обладающий характерным звучанием при ударе. Отличается водо- и газонепроницаемостью, механической прочностью. Термостойкость неглазурованного фарфора составляет 1400-1500 °С. Глазурованный фарфор менее термостоек. Вследствие легкоплавкости глазури его можно применять лишь до 1200 °С. При продолжительном нагревании такого фарфора уже при температуре около 1000 °С глазурь расстекловывается и отслаивается. Фарфор химически устойчив к действию большинства кислот и кислых расплавов, кроме HF и Н3РО4. Хлороводород разъедает фарфор при 800 °С, а выше 1000 °С фарфор разрушается от воздействия хлора. При одновременном присутствии в этих газах углеродсодержащих веществ действие НО и С12 проявляется при более низких температурах. Фарфор постепенно разрушается также и при контакте с расплавами гидроксидов щелочных металлов, кальция и бария или их концентрированными водными растворами. В состав фарфора входят: Si02 (75%), А12Оэ (19-21%), К20 (3-4%). Зегеровский фарфор состоит из 45% Si02, 30% полевого шпата и 25% глины. Зегер Герман Август (1839-1893) - немецкий химик-технолог, научный руководитель фарфоровой фабрики в Берлине. Фарфор применяют для изготовления тиглей, лодочек, чашек, ступок, шпателей, стаканов и других изделий. Тонкостенные фарфоровые тигли можно вносить прямо в пламя газовой горелки, а затем охлаждать до комнатной температуры. Толстостенные стаканы и чашки следует нагревать с осторожностью, их нельзя греть на открытом пламени, а следует применять сетки с асбестовой накладкой (см. раздел 1.10). Шамот - керамический материал серовато-коричневого цвета, термостойкий до 1300-1400 °С. Если к шамоту добавить кварцевый песок, получается кварцевый шамот, выдерживающий температуру до 1500 °С. Шамот менее химически устойчив, чем фарфор, и более газопроницаемый. Шамот содержит 50-54% Si02 и 42-45% А1203. Из шамота готовят муфели электропечей, тигли и кирпичи для газовых печей. Динас - серовато-коричневый керамический материал, размягчающийся при 1350 °С и плавящийся выше 1650 °С. Изделия из динаса ниже 600 °С не переносят резких колебаний температур. Динас менее газопроницаем, чем шамот. Кислоты, кроме. HF, на динас не действуют. Динас состоит на 95% из Si02 и содержит еще 2-4% СаО. Главное достоинство изделий из динаса - сохранение формы без какой-либо усадки до самого момента плавления. Диабаз - материал серо-черного цвета с синеватым отливом, отличающийся твердостью и химической устойчивостью. Температура начала размягчения диабаза равна 1000 °С, а твердость, по шкале Мооса - 7,8. Изделия из диабаза устойчивы к действию почти всех агрессивных сред, кроме HF, H2 /SiF6/ и расплавов гидроксидов щелочных металлов. Получают диабаз расплавлением диабазовой или базальтовой горной породы при температуре 1400-1500 °С. Из диабаза готовят чаши, тигли, лодочки и трубки путем отливки его расплава в металлические формы. Корунд (алунд) - прозрачный твердый огнеупорный материал с температурой плавления 2044 °С. Температура начала деформации изделий из корунда под нагрузкой 0,2 МПа составляет около 1900 °С. Твердость по шкале Мооса равна 9. Корунд отличается исключительно высокой химической стойкостью. Посуда из корунда до 1700 °С не поддается воздействию всех газов, кроме фтора, который начинает разрушать корунд выше 500 °С. Изделия из корунда неприменимы только для работ с фторсодержащими расплавами, расплавами гидроксидов, карбонатов, нитратов и гидросульфатов щелочных металлов, с которыми он начинает взаимодействовать при 1000 °С. При более высокой температуре корунд реагирует с Si02 с образованием алюмосиликатов. Состоит корунд из AI2O3 с примесью до 5% Si02. Корунд без примеси Si02 носит название микролита, а прозрачные изделия из него - поликора. Керамика из диоксида циркония - белая или серая сплавленная масса, обладающая очень высокой прочностью, сохраняющейся до 1300-1500 °С. Температура начала деформации изделий из этой керамики под нагрузкой составляет 2300-2400 °С. Теплопроводность ее значительно ниже, чем теплопроводность всех других керамических материалов из оксидов металлов, что позволяет использовать такую керамику в качестве высокотемпературной теплоизоляции (см. разд. 6.12). Резкие колебания температур керамика не выдерживает. Она обладает высокой химической стойкостью в средах, содержащих вещества кислого и основного характера. В частности, керамика не разрушается под действием концентрированной фтороводородной, хлороводородной, азотной и фосфорной кислот до температуры 120 °С. Тигли из Zr02 выдерживают воздействие расплавов К, Na, Sb, Bi и Pb до температур 700 °С; Mg и А1 - до температур 1000 °С, a Si, Fe, Ni, Co, Pt, Ti и Pd - до температур 1600 °С. Керамика, кроме Zr02, содержит стабилизирующие добавки СаО или Y2O3, предотвращающие фазовое превращение Zr02 при 1000-1200 °С, которое сопровождается сначала сжатием изделия, а затем его расширением при охлаждении. Периклазовая керамика - серая тугоплавкая твердая масса с температурой плавления, достигающей 2800 °С. Однако из-за способности керамики взаимодействовать с водяным паром и повышенной летучести в вакууме, из-за высокого значения коэффициента линейного расширения и сравнительно небольшой теплопроводности практическое применение периклазовой керамики ограничено в атмосферных условиях областью температур 2000-2200 °С, а в восстановительной среде и в вакууме температурой не выше 1700 °С. Периклазовая керамика состоит из кристаллического оксида магния. Она хорошо выдерживает действие органических кислот и кислотообразующих газов, в частности S02, N02 и H2S, почти не взаимодействует с щелочными средами и водой, не подвергается разрушению неорганическими кислотами. В тиглях и лодочках из периклазовой керамики можно без внесения загрязнений плавить металлы, не восстанавливающие MgO, например Sn, Си, Zn, Y, Er, Gd и др. Такой керамикой футеруют высокотемпературные печи, работающие при температурах до 2000 °С на воздухе и даже в парах щелочных металлов. Периклазовую керамику можно приготовить самостоятельно. Для этого смешивают MgO с водой и подходящим органическим связующим (декстрин, растительное масло, крахмал, полививиниловый спирт и др.). Полученную массу формуют под давлением 0,4 МПа (4 атм, см. разд. 12.3), сушат и обжигают при 1500-1700 °С в тигельных илн муфельных печах (см. разд. 6.6). Массе, замешанной только на воде, дают выстояться в течение 5-7 дней во влажной атмосфере до полного образования Mg(OH)2 и только после этого сушат и обжигают. Аналогичным образом получают керамику из А12Оз и Zr02. Сверхогнеупорная керамика имеет температуру плавления не ниже 3000 °С. Ее ассортимент весьма ограничен. К ней относят (в скобках указана температура плавления в °С): смесь HfCx с ТаСх в соотношении 1:4 по массе (4215), HfCx (3900), ТаСх (3800), HfNx (3600), ZrCx (3530), NbCx (3500), HfB2 (3250), TaNx (3240), Th02 (3200), TiCx (3140), TaB2 (3100), ZrB2 (3040), бора-зон BN (3000). Из этого перечня только пять материалов (ZrCx, TiCx, BN, ТаСх и HfCx + TaCx) считают перспективными для более или менее широкого применения в лабораторной практике. Все сверхогнеупоры нельзя длительное время применять в| окислительной среде. Керметы - высокопрочная и тугоплавкая керамика, содержащая включения различных металлов (W, Mo, Ni, A1, Си, Со, Та, Ti и др.). К керметам относят также твердые сплавы на основе Со и Ni, карбидов W, Ti, Та и Мо. В зависимости от состава термическая устойчивость керметов колеблется от 1400 до 2000 °С, а твердость по шкале Мооса от 7 до 9 единиц. Керметам свойственна и высокая химическая инертность, определяющаяся природой керамики и легирующего металла. Графит - вещество черного цвета с металлическим блеском, аллотропная модификация углерода, наиболее устойчивая в обычных условиях. Графит характеризуется высокой пористостью и химически инертен. При 400 °С он начинает окисляться кислородом воздуха и взаимодействовать с оксидами азота, а с галогенами образовывать соединения включения. В химической практике используют изделия из стеклоуглерода и пирографита. Стеклографит - очень твердое вещество черного цвета с металлическим блеском, термически устойчивое до температуры 3000 °С. Этот вид графита практически не реагирует с фтороводородной, азотной и серной кислотами и их смесями, с бромом и фтором, с расплавами многих металлов, фторидов, сульфидов и теллуридов. Даже при температуре 1500 °С стеклоуглерод стоек в парах мышьяка и сурьмы. При температуре до 400 °С подвергается окислению в незначительной степени. Стеклоуглерод обладает малой газопроницаемостью и с трудом поддается механической обработке, выдерживает значительные колебания температур. Изделия из стеклоуглерода (тигли, лодочки, чашки) используют для работ с особо чистыми веществами. К сожалению, технологические особенности производства стеклоуглерода и его высокая твердость ограничивают размеры изделий, особенно толщину их стенок. Получают стеклоуглерод путем специальной графитизации целлюлозы при 2500-3000 °С. Пирографит - плотное черное вещество, напоминающее во многом стеклоуглерод. Пирографит не взаимодействует при температуре ниже 1400 °С с оксидами кремния, циркония, бериллия, алюминия и магния. Ниже 300 °С он устойчив к действию расплавов щелочных и щелочноземельных металлов, свинца, висмута, олова и галлия. На него не действуют при температуре ниже 600 °С расплавы алюминия и цинка. При температурах, не превышающих 1500 °С, в изделиях из пирографита можно проводить в инертной среде работы с нитридами, силицидами и боридами металлов. Асбест - огнестойкий природный минерал из группы гидросиликатов волокнистого строения, обладающий способностью расщепляться на тонкие прочные волокна. Асбест - это групповое название двух основных гидросиликатов: серпентина и амфибола, разновидностью которого является антофиллит. Амфиболы - ленточные гидросиликаты примерного состава (Са, Mg)7(OH)2(Si40n)2- Антофиллиту отвечает формула (Mg, Fe)7(OH)2(Si4Oj 1)2. Серпентин имет желтовато-зеленый цвет до темно-зеленого и содержит в катионной части только магний Mg6(OH)g(Si4Oio). Термическая устойчивость асбеста зависит от состава образующего его минерала. Так, серпентиновый асбест при температуре выше 400 °С теряет почти всю химически связанную воду, что понижает механическую прочность на 35%, выше 700 °С разрушается вся структура минерала, а при температуре 1550 °С наступает его плавление. Антофилитовый асбест не изменяется при нагревании до 900 °С. Среди различных видов асбеста наиболее кислотоустойчивый амфиболовый асбест. На него не действуют разбавленные водные растворы кислот, кроме фтороводородной, не изменяется он и в шел очной среде. Из-за образования легкоплавких вешеств при взаимодействии асбеста с алюмосиликатами он непригоден для внутренней теплоизоляции (см. разд. 6.12) печей, муфель или тигель которых изготовлены из шамота (см. выше). Если же футеровка печи выполнена из MgO, то асбест выдерживает нагрев до 1300-1400 °С. Асбест применяют в виде ваты, бумаги, картона, ткани. Из него производят асбестопластики, химически и термически стойкие материалы, в которых связующим являются феноло-формальдегидные смолы, пропилен, полиэтилен и кремнийорганические полимеры. Асбестовую вату следует всегда держать слегка увлажненной, чтобы избежать образования асбестовой пыли, которая вызывает тяжелую разновидность силикоза - асбестоз. Операции с асбестовой ватой необходимо проводить в вытяжных шкафах и в перчатках, защищая органы дыхания при помощи респираторов типа "лепесток". 1.3. Полимерные материалы Ассортимент полимерных материалов, применяемых в химических лабораториях, увеличивается с каждым годом. В этом разделе приведены только наиболее известные полимеры, многократно испытанные в тех или иных экспериментах. Фторопласт-4 (тефлон в США, полифлон в Японии, хостафлон в Германии, флюон в Англии) - политетрафторэтилен с повторяющейся формульной единицей (CF2-CF2)n, обладает высокой химической устойчивостью. На фторопласт-4 не действуют кипящие фтороводородная, серная, азотная, фосфорная кислоты и их различные смеси. Не изменяется он в расплавах КОН, NaOH и K2S2O7. Полимер стоек в кипящих органических растворителях. Фтор, трифторид хлора, дифторид кислорода оказывают заметное действие на фторопласт-4 только при температуре выше 150 °С. Щелочные металлы и их оксиды при! температуре выше 200 °С быстро разрушают полимер. Изделия из фторопласта-4 применяют в интервале температур от -190 до +260 °С. Разложение полимера начинается при температуре выше 360 °С. Фторопласт-4 физиологически безвреден, обладает низким коэффициентом трения, превосходными диэлектрическими свойствами, но низкой теплопроводностью. Он не сваривается и с трудом склеивается. Основные виды скрепления узлов фторопластовых установок и сосудов - фланцевые и резьбовые. Из этого полимера производят стаканы, чашки, трубки, шланги, сильфоны, пластины для фильтрования. Фторопласт-3 (дайфлон в Японии, кель-F в США) - полихлортрифторэтилен с формульной единицей (CF2-CC1F)n-1. Это прозрачный полимер, несколько уступающий фторопласту-4 по химической и термической устойчивости. Фторопласт-3 начинает разлагаться при температуре выше 200 °С. Сосуды из него, можно охлаждать жидким азотом, не опасаясь растрескивания, они не теряют при этом своей газонепроницаемости. Фторопласт-3 стоек к действию большинства кислот, растворителей и окисляющих реагентов, включая фтор. При нагревании полимер набухает в хлорсодержащих растворителях (СС14, СНС13, CH2CI2 и др.), толуоле, диэтиловом эфире, с увеличением массы до 20%. Из фторопласта-3 производят мерную посуду, колбы, чашки и различные узлы установок для получения особо чистых веществ. Полиэтилен - молочно-прозрачный полимер с формульной единицей (-CH2-)n Он известен двух видов: полиэтилен высокого давления (политен, луколен), устойчивый до 100 °С, и полиэтилен низкого давления (хостален), сохраняющий свою прочность до 120 °С. В сосудах из полиэтилена низкого давле ния можно кипятить воду, не опасаясь изменения их формы. Однако он не переносит охлаждения до низких температур уже ниже -30 °С становится твердым, как стекло. На полиэтилен обоих видов даже при температуре 100 °С не оказывают действия концентрированные галогеноводородные кислоты, кроме HF, Н3Р04, 30%-й HN03 и 50%-го водного раствора КОН или NaOH. В концентрированной H2S04 он устойчив при температуре ниже 40 °С, в ее среде полиэтилен лишь светлеет. В органических растворителях полиэтилен набухает. Среди всех полимерных материалов полиэтилен обладает наименьшей проницаемостью для водяных паров. Из полиэтилена производят мерную посуду для работ с фтороводородной кислотой любой концентрации. Следует иметь в виду, что полиэтилен, полученный при низком давлении, содержит включения соединений металлов, попавших в полимер из катализатора. Зольность такого полиэтилена довольно высокая и колеблется от 0,4 до 2,0%. Полиэтилен можно сваривать при нагревании горячим воздухом. |
Похожие:
 |
Учебное пособие для студентов специальности 271200 «Технология продуктов... Учебное пособие предназначено для изучения теоретической части курса «Ресторанное дело». Предназначено для студентов вузов, преподавателей.... |
 |
Учебное пособие Тольятти 2011 г. Авторы: Савкин С. А., Рынгач В.... Учебное пособие предназначено для студентов, изучающих предмет «Артиллерийская разведка». Он составлен в соответствии с программой... |
|
Учебное пособие предназначено для развития навыков работы в программе... Учебное пособие предназначено для развития навыков работы в программе Movie Maker. Учебное пособие используется при изучении программного... |
|
Учебное пособие предназначено для студентов дневной формы обучения... Пособие рекомендовано для обеспечения базового курса дневного обучения в техническом вузе |
|
Учебное пособие по токсикологической химии для студентов фармацевтического факультета Раздел Химико−токсикологические лаборатории наркологических диспансеров и центров по лечению острых отравлений |
|
Учебное пособие для модульно-рейтинговой технологии обучения Допущено... Учебное пособие предназначено для студентов, аспирантов и преподавателей вузов |
|
Бизнес-курс английского языка методические указания для студентов... Учебное пособие предназначено для работы на занятиях, а также для индивидуальной работы студентов |
|
Учебное пособие для студентов и технических работников вузов Учебное пособие предназначено для преподавателей, студентов и технических работников высших и средних учебных заведений, независимо... |
|
Учебное пособие для самостоятельной работы студентов заочного отделения... Учебное пособие предназначено для для самостоятельной работы студентов заочного отделения неязыков специальностей вузов, ранее изучавших... |
|
Учебное пособие к практическим занятиям для студентов специальности 050715 «Логопедия» Учебное пособие составлено в соответствии с требованиями действующего Государственного образовательного стандарта высшего профессионального... |
|
Учебное пособие подготовлено для самостоятельной внеаудиторной работы... Учебное пособие предназначено для обучающихся по специальности 31. 05. 01 Лечебное дело |
|
Учебное пособие подготовлено для самостоятельной внеаудиторной работы... Учебное пособие предназначено для обучающихся по специальности 31. 05. 01 Лечебное дело |
|
Учебное пособие предназначено для студентов специальности 130503.... Учебное пособие предназначено для студентов специальности 130503. 65 «Разработка и эксплуатация нефтяных и газовых месторождений»... |
|
Учебное пособие Допущено Учебно-методическим объедине-нием по образованию... Учебное пособие предназначено для освоения студентами основ работы с различными операционными системами с использованием всех возможностей,... |
|
Учебное пособие для студентов 6 курса, обучающихся по специальности... Учебное пособие предназначено для самостоятельной работы студентов 6 курса при подготовке к практическим занятиям |
|
Введение 4 Учебное пособие предназначено для студентов специальности 190701 дневного и заочного обучения |