Obr. 34. Topné hnízdo
ZÁKLADNÍ OPERACE V CHEMICKÉ LABORATOŘI Zahřívání Při zahřívání nádob kahanem je především třeba si uvědomit, že teplota nesvítivého plamene není ve všech jeho částech stejná (obr. 35). Při zahřívání tedy využíváme místa s vhodnou teplotou. Přímo v plameni zahříváme jen nádoby k tomu konstrukčně určené (porcelánové kelímky, skleněné bodotávky, zkumavky). Ve všech jiných případech vkládáme mezi plamen a nádobu asbestovou síťku orientovanou asbestem k nádobě položenou na kovovém kruhu nebo na trojnožce.Ani na síťce nelze nikdy zahřívat silnostěnné nádoby. Zahřívání vodných roztoků ke krystalisaci provádíme v porcelánových miskách. Ani ty nelze zahřívat přímo na síťce a je třeba použít vodní lázně. Ty existují komerčně vyráběné s elektrickým ohřevem, v tomto cvičení je však improvisujeme nejběžnějším způsobem, tj. umístění misky na kádinku vhodného rozměru s vodou tak aby miska byla vyhřívána parami vody zahřívané běžným způsobem na síťce (obr. 36). Obr. 35 Teplota jednotlivých částí plamene
Obr. 36. Improvisovaná vodní lázeň
K operaci zahřívání patří i poznámka o zacházení s horkými nádobami. Pokud má nádoba takovou teplotu, že ji neudržíme v ruce, bereme ji do laboratorních kleští (obr.37) nebo do pinsety. Elegantní pomůckou jsou rovněž dva rozříznuté ústřižky hadice nasazené na palec a ukazovák. Proti obalení ruky kusem látky mají tu nespornou výhodu, že nemají žádný cíp, který by se mohl v blízkosti kahanu vznítit.
Obr. 37. Chemické laboratorní kleště Vážení Jednou z nejrozšířenějších operací v chemické laboratoři je určování hmotnosti čili vážení. Provádí se na vahách. Princip vážení je znám po staletí: jde o srovnávací metodu, kdy se srovnává hledá neznámá hmotnost nějakého předmětu (navažovací lodičky, pyknometru atp.) se známou hmotností standardu (závaží). Mechanické zařízení řešilo toto srovnání pomocí docílení rovnosti sil na páce vzhledem k její ose a mělo tvar obecně známých miskových vah, které vešly v obecné povědomí i jako symbol používaný při zobrazování spravedlnosti na průčelí soudních budov. Až do nedávna byly i nejpřesnější analytické váhy postaveny na stejném principu a vážení obsahovalo postupné přidávání závaží různé (i velmi malé) velikosti. Takový postup byl samozřejmě zejména pro začátečníka velmi zdlouhavý a možnosti chyb četné. V současné době patří všechny formy dvoumiskových vah historii a v laboratoři se setkáváme výhradně s vahami jednomiskovými používající promítání stupnice na stínítko a tedy zapojených do elektrické sítě. V laboratoři se setkáváme se dvěma rozdílnými typy vah rozlišujícími se tzv. váživostí (tj. maximální hmotností kterou můžeme vážit) a přesností, se kterou na nich můžeme hmotnost stanovit.: 1. Váhy technické mají podle provedení váživost od 100 g do několika kilogramů. Přesnost nebývá větší než 5.10-2 g. 2. Váhy analytické mají váživost obvykle 100 g a přesnost v řádu 10-4 g.. K orientačnímu zjištění hmotnosti předmětů, které budeme dále važit přesněji, a ke zjišťování výtěžků čisticích operací používáme tzv. předvážky. Slouží k vážení předmětů do 200g s přesností ±0.1 g. U jejich mechanických typů, které hmotnost předmětu přenášejí na pohyb stupnice, která je pak světelným paprskem promítána na stínítko, bývá často možnost měnit přepinačem jejich rozsah a/nebo vrátit údaj na stupnici zatížených vah zpět na nulu (tzv. tára), aby nebylo třeba od navážky odečítat hmotnost nádoby. Podobné možnosti nabízejí i váhy elektronické. Jejich principů je řada a procházejí stále vývojem od jednodušších typů s mechanicko-elektrickým snimačem hmotnosti přes snimače, kdy je měřen elektrický signál potřebný k vrácení misky po zatížení do nulové polohy pomocí servomotorku až k snimačům tenzometrickým. V našem praktiku nalezneme dva typy těchto vah: robustnější mechanické a moderní elektronické. Jakkoli se jejich princip zásadně liší, pravidla pro jejich používání jsou prakticky totožná: před vážením je třeba zkontrolovat, zda na stupnici nebo displayi je nulová hodnota. Pokud tomu tak není, mnohdy pomůže očistění misky štětcem, odstranění zapomenuté táry nebo vrácení rozsahu vah na původní hodnotu. Pokud se nám tímto způsobem nastavit nulovou hodnotu nepodaří, nepokoušíme se o opravu a přivoláme vedoucího cvičení nebo laboranta. Po nastavení nuly hledanou hmotnost zjistíme přímo na stupnici po položení předmětu na misku vah.
I když jsou dnes v prodeji i analytické váhy na elektronickém principu, v tomto praktiku budeme používat mechanické jednomiskové váhy. Jejich princip je zobrazen na obr. 38., váhy samy a jejich stupnice v detailu na obr. 39a) a b). Je patrno, že jde vlastně o klasické dvouramenné váhy, pouze upravené pro co nejsnazší obsluhu. Mají tedy vahadlo(zpravidla vyrobené z lehké slitiny), rovnováha na němž je podstatou jejich funkce. Aby pohyb vahadla mohl být co nejjemnější, je jeho osou tzv. břit (B na obr. 38), tj. trojboký hranol z velmi tvrdého materiálu (speciální oceli, achát), spočívající hranou na vyleštěné podložce. Je patrné, že jakékoli prudké pohyby vahadla by v tomto uspořádání klad ly na břit extrémní nároky a velice brzy by břit opotřebovaly nad únosnou míru. Proto je v klidovém stavu břit z podložky zvednut a mechanismus spočívá v pevných lůžkách. Tomuto stavu říkáme aretace, a je pravidlem, že veškeré manipulace jako je vkládání vzorku do vah či přidávání nebo ubírání závaží provádíme výhradně na zaaretovaných vahách. Odaretování - tj. spuštění břitu na podložku - lze provést pouze v situaci, kdy očekáváme na vahadle rovnováhu a je jasné, že je to třeba provádět velmi pomalu a jemně.Váhy jsou konstruovány tak, že teprve při tomto odaretování se zapojí elektrický proud a rozsvítí stínítko, na které je promítána stupnice.
Obr. 38. Schema jednomiskových vah (B- břit, V-vahadlo, Z - závaží, M-miska, p - protizávaží, S - stupnice
Jak patrno ze schematu na obr. 38, je na jedné straně vahadla je upevněna miska a závěs na kterém jsou ovladatelná závaží až do hodnoty váživosti, na druhé straně je pevné protizávaží. Je-li miska vah prázdná, je miska se závěsem a závažími právě vyvážena protizávažím a po odaretování (v praxi pomalým pohybem knoflíků A, obr. 39a) se na stupnici vah promítne hodnota 0,0000 g. Pokud tomu tak není, jde nejčastěji o malou změnu polohy zrcátek promítajících stupnice, kterou lze při odaretovaných vahách korigovat (knoflíkem K0 na obr. 39a).
a)
b)
zvětšená stupnice S
Obr 39. a) celkový pohled na váhy b) schema k odčítání výsledků vážení
Pokud na misku vah vložíme nějaký předmět, je rovnováha porušena a k jejímu obnovení musíme ze závěsu vyzvednout odpovídající závaží. Dělá se to ovládacím mechanismem, který je na horní polovině skříně vah vedle stínítka se stupnicí. Skládá se ze dvou dvojic soustředných kruhů.(K1 a K2 na obr. 39a i 39b). Levým z nich ovládáme stovku a desítky gramů, pravým celé gramy a desetiny gramu. Hodnoty sejmutých závaží se ukazují v okénkách vedle stupnice (O na obr. 39b). Pokud jsou sejmuta závaží zhruba odpovídající skutečné hmotnosti váženého předmětu, ukáže se hodnota tisícin a desetitisícin gramu na stupnici (S na obr. 39b). Setiny a tisícíny gramu jsou určeny dílkem levé (průchozí) stupnice, nad kterým se ustálila nula krátké stupnice; desetitisíciny
gramu pak čteme podle principu nonia, tj. který dílek pravé (krátké) stupnice stojí přesně proti některému - není důležité kterému - dílku stupnice levé. Princip tohoto postupu bývá vykládán ve fysice,. v tomto praktiku je důležité zvládnout jeho použití. Jako ilustrace je na obr.39b zobrazen údaj stupnice pro měřenou hmotnosti 3,9234 g. Postup při vážení: 1. 2.
3.
4.
5.
6.
7. 8.
Zásadně v rámci jedné úlohy vážíme stále na stejných vahách. Po příchodu k vahám zkontrolujeme visuálně stav přístroje, tj. je-li váha zapojena do sítě, není-li miska znečistěna a visí-li miska správně v závěsu . Podíváme se také, stojí-li váha vodorovně. To je vidět na vodováze, jejíž bublina má být ve středu. Shledáme-li nějakou závadu, můžeme sami pouze smést případnou pevnou nečistotu s misky připraveným jemným štětcem (samozřejmě při zaaretované váze), případně vrátit zpět zapomenutá závaží. V případě podezření na jakoukoli jinou nesrovnalost přivoláme vedoucího cvičení nebo laboranta. Váhu jemně odaretujeme a zkontrolujeme, zda se na stupnici vah objeví hodnota 0,0000. Pokud nalezneme hodnotu o několik miligramů (dílků levé stupnice) odlišnou, pokusíme se o korekci šroubem K0. TATO KOREKCE JE JEDINÁ VĚC, KTEROU LZE DĚLAT PŘI ODEARETO-VANÝCH VAHÁCH A ROVNĚŽ JEDINÁ OPRAVA, O KTEROU SE MŽEME POKUSIT SAMI! Pokud se nám nulové hodnoty nepodaří korekčním šroubem dosáhnout a při jakékoli jiné nesrovnalosti je třeba vždy přivolat vedoucího praktika nebo laboranta, kteří rozhodnou, zda se pokusí o opravu sami nebo váhu odstaví a objednají odborný zákrok vahaře. Otevřeme postranní dvířka skříně vah, a na misku položíme předmět, který se chystáme vážit. V tomto praktiku vážíme na analytických vahách navažovací lodičku bez vzorku a se vzorkem v úl. č. 3, pyknometr v úl.č. 4, elektrodu v úl. č. 5 a kelímky resp. váženky u úl. 16 a 17. Obecně na misku analytických vah v žádném případě nepatří přímo krystaly jakékoli chemikalie, krystaly na filtračním papíru a předměty mokré, teplé a takové, které by mohly misku a vnitřní prostor vah jakkoli znečistit. Zavřeme postranní dvířka skříně vah a nastavíme předpokládanou hodnotu hmotnosti ovládacími knoflíky. Tuto hodnotu musíme s přesností na desetinu gramu předem znát, nezapomněli jsme ji tedy zjistit na předvážkách. Vzhledem k tomu, že otáčení ovládacích knoflíků nejen nastavuje čísla v okénkách, ale ve váze snímá pákovým mechanismem závaží ze závěsů, je otáčení knoflíků třeba provádět pomalu a jemně. Váhu velmi pomalu odaretujeme. Někdy stačí i částečné otočení aretačního knoflíku (A na obr. 39a) abychom viděli, že náš odhad hmotnosti není správný. Když stupnice v okénku odjede směrem vzhůru resp. se vůbec neobjeví, je nastavena příliš velká hmotnost a je třeba VÁHU ZAARETOVAT, “ubrat” desetinu gramu (ve skutečnosti závaží přidáváme, ale termíny “přidat” a “ubrat” se v této souvislosti běžně používají v tom významu, jaké by měly na jednoduchých dvoumiskových vahách) a znovu jemně odaretovat. Když naopak stupnice projede celým okénkem a zmizí dole, je nastavena příliš malá hmotnost a je nutno VÁHU ZAARETOVAT, “přidat” desetinu gramu a znovu odaretovat. Když se stupnice ustálí v poloze, která umožňuje odečet hmotnosti, odečteme údaj (samozřejmě na čtyři desetinná místa) a zapíšeme. Váhu zaaretujeme, otevřeme postranní dvířka, vyjmeme zvážený předmět, ihned uzavřeme dvířka a znovu nastavíme 0,0g. Odaretujeme a zkontrolujeme, zda se znovu váha ustálí na
hodnotě 0,0000. Měření objemu kapalin Nejběžnější zařízení k měření objemu kapalin je odměrný válec (viz obr. 15). Používá se v těch případech, kdy objem není třeba znát s velkou přesností. Odměrné válce se vyrábějí v různých velikostech s objemem od 10 ml do 2 l. Objem kapaliny ve válci je dán polohou středu, tj. nejnižšího místa menisku kapaliny na stupnici válce. Je tedy patrno, že nejpřesněji odečteme objem kapaliny, kd yž je válec ve svislé poloze a meniskus je v úrovni očí. Způsob odečítání polohy zna obr. 40.Válec je přitom kalibrován na dolití, to znamená, že pokud chceme odměřené množství kapaliny přelít do jiné nádoby, dojde ke ztrátám. Ty můžeme eliminovat jen tehdy, když obsah válce ředíme a můžeme tedy válec vypláchnout vodou .Odměrné válce jsou určeny jen k odměřování kapalin. Nelze v nich provádět např. rozpouštění nebo míšení nebo dokonce srážecí nebo jiné reakce. Přesnější laboratorní nádobou kalibrovanou na dolití jsou tzv. odměrné baňky (viz obr. 18). Podobně jako odměrné válce, i odměrné baňky se vyrábějí v objemech od 10 ml do 2 l.Technika práce s nimi vyplývá R z účelu, k němuž jsou určeny, totiž k přípravě odměrných roztoků. Odměrné roztoky jsou roztoky, jejichž koncentrace (zpravidla molární -viz úl. č. 3, str. 43) se má co nejvíce blížit předem dané hodnotě. Objem odměrné baňky je omezen ryskou na hrdle a analogicky jako u odměrného válce je ho dosaženo, pokud se rysky při teplotě, pro níž je baňka kalibrována, právě dotýká střed menisku roztoku v baňce obsaženého. Z toho vyplývá, že k vlastnímu směšování složek musí docházet při ne zcela zaplněné baňce (zpravidla v jedné třetině až jedné polovině objemu) a teprve po úplné homogenisaci a vyrovnání teplot opatrně doplňujeme vodu po rysku. Detailně najdeme tento postup popsán na str. 25-26.
Obr. 40. Správná poloha menisku vůči rysce R
Jiné nádoby slouží k přesnému odměřování objemů kapalin.Jsou kalibrovány tzv. na vylití a dělí se na pipety (obr. 16, str. 15) a byrety (obr. 17, str. 15). V současné době funkci obou těchto druhů nádob často přejímají pipety na principu injekčních stříkaček, často z jiných materiálů než ze skla. Tyto pipety umožňují automatisaci řady pochodů v laboratoři a jejich řízení a přímé vyhodnocování počitači. V tomto praktiku se setkáme s klasickýni pipetami a byretami vyrobenými ze skla. Skleněné pipety slouží k odměřování a přemisťování daného objemu kapaliny. Kalibrace “na vylití” znamená, toto: objem, který udává pipeta (zpravidla 0,1 - 50 ml) je objem kapaliny, který vyteče z čisté pipety naplněné právě po horní rysku, pod vlivem zemské tíže. Z této definice vyplývá technika práce s pipetami. Pipetu nejprve ponoříme zúženou částí do kapaliny a kapalinu nasajeme nad horní rysku. U zaručeně zdraví neškodných kapalin můžeme toto nasátí dělat ústy; v tomto praktiku používáme násosku ovládanou pístem, někdy jsou také používány gumové balonky. Po nasátí uzavřeme pipetu na horním konci ukazováčkem (nikdy ne palcem!) tak, aby z pipety kapalina nevytékala. Pak pipetu vyzvedneme nad hladinu pipetované kapaliny a částečným povolením tlaku na ukazováček nádoby vypouštíme přebytečnou kapalinu, až se meniskus právě dotkne rysky. Lépe
se to provádí, vypouštíme-li kapalinu souvislým proudem po stěně nádoby, nikoli po kapkách. Potřebný tlak na ukazováček stejně tak jako jeho potřebnou vlhkost k této operaci si musí každý experimentátor sám najít a je jednou ze základních laboratorních dovedností. Když má meniskus správnou polohu na rysce, ukazovák opět pevně přitlačíme a s naplněnou pipetou můžeme opustit zásobní nádobu. Pro velmi přesné experimenty můžeme ještě otřít pipetu zevně čtverečkem buničité vaty. Přiložíme zúženou část pipety na vnitřní povrch nádoby, do níž objem převádíme, a uvolníme ukazovák. Když se proud kapaliny zastaví, “otřeme” ještě pipetu krouživým pohybem po vnitřním povrchu nádoby. Díky povrchovému napětí pipetované kapaliny po správně provedeném pipetování zůstane ve špičce pipety jen kapka kapaliny. S tou je při kalibraci pipety počítáno a její vytřepávání nebo dokonce vyfukování je chyba. U některých pipet je velikost této kapky přímo stanovena druhou ryskou u špičky. Na stejném základě je možno přenášet libovolné objemy pomocí dělených pipet. Je ovšem jasné, že to není ani pohodlné, ani příliš přesné. Potřebu opakovaného přemisťování malých přesně známých množství kapalin a zejména přidávání roztoků po malých objemech řeší byrety. Jde o skleněnou kalibrovanou trubici, která je dole opatřena kohoutkem. Před vlastní prací byretu připevníme pomocí klemy do stojanu. Plníme ji pomocí malé nálevky, kterou do byrety shora zasuneme. Nalijeme vždy větší objem kapaliny, než odpovídá rysce s označením 0. Potom vyjmeme nálevku a opatrným pootočením kohoutku vypouštíme kapalinu z byrety, až se poloha menisku kryje s ryskou 0. Po tomto prvním naplnění byrety se musíme přesvědčit, zda je bez vzduchových bublin zaplněna kapalinou i vypouštěcítrubice mezi kalibrovanou částí byrety a vypouštěcím kohoutkem i kohoutek sám. Vzhledem k tomu, že kohoutek je zábrusové zařízení a tedy je namazán zábrusovým tukem, je třeba při práci s byretou dbát na čistotu, aby tento zábrusový tuk neznečistil vnitřní povrch byrety nebo kohoutku. Příprava roztoků Základním pravidlem pro jakoukoli přípravu roztoků ať odměrných, vzorků pro analysu nebo pro účely preparace nebo čištění sloučenin je, že se rozpouštěná látka přidává do vody a nikdy naopak. Při přípravě odměrných roztoků přenášíme kvantitativně navážku nebo odměřené množství kapaliny do vody, která zaujímá asi 1/3-1/2 objemu baňky. Kvantitativní přenesení znamená, že navážku krystalické látky sklepneme do malé nálevky zasunuté do hrdla odměrné baňky, spláchneme větším množstvím destilované vody ze střičky, vodou ze střičky dále do nálevky vydatně opláchneme navažovací lodičku a nakonec nálevku vypláchneme vodou ze střičky po celém vnitřním povrchu. Rozpouštění můžeme urychlovat pouze mícháním krouživým pohybem celé odměrné baňky, nikdy ne tyčinkou nebo míchadlem. Teprve po úplném rozpuštění navážky a vyrovnání teploty baňky s okolím můžeme baňku doplnit po rysku destilovanou vodou (poslední kapky přidáváme z pipety). Pokud je látka, jejíž roztok připravujeme, kapalná, funkci navažovací lodičky může převzít malý odměrný válec, který se pak rovněž do odměrné baňky vyplachuje. Pokud kapalnou složku do vody v odměrné baňce pipetujeme, jsme problémů s kvantitativním přenesením vzorku ušetřeni. Po doplnění odměrné baňky po rysku nezapomeneme obsah důkladně promíchat. Dělá se to tak, že naplněnou baňku uzavřeme čistou suchou v současné době nejčastěji polyethylenovou zátkou a několikrát obrátíme dnem vzhůru a zpět. Zátku přitom stále v hrdle baňky přidržujeme palcem. Podobným způsobem se připravují vzorky pro analytická stanovení, nejčastěji do titračních baněk. Vzhledem k tomu, že jakákoli analytická stanovení je nutno provádět paralelně několikrát
(viz kapitolu o zpracování výsledků na str. 32-36), je třeba opakovaně navažovat přibližně stejná předem určená množství analysované látky. Pro toto určení bývá často používáno formulace “asi x gramů přesně”. Význam této zdánlivě protismyslné formulace si ukážeme na příkladě: “Asi 1 gram NaCl přesně” znamená, že chloridu sodného můžeme navážit jakékoli množství blížící se 1 gramu, tj. z intervalu zhruba 0.9g - 1.1g, musíme však hmotnost navážky znát s přesností analytických vah. Uvedené formulaci tedy vyhovují navážky. 0,9432 g i 1,0571 g , nevyhovuje 1,0 g. Vlastní navažování a příprava roztoku se dělá dvěma způsoby. Při prvním z nich nejprve zvážíme navažovací lodičku (hmotnost w0), pak na ni vložíme navážku látky, znovu zvážíme (hmotnost w1) a navážku kvantitativně převedem do způsobem popsaným výše (zpravidla přímo, bez použití nálevky). Hmotnost navážky je pak dána rozdílem w1 - w0 . Navažovací lodičku osušíme např. vytřením čtverečkem buničité vaty a postup včetně vážení prázdné lodičky opakujeme. V řadě směrů pohoddlnější je alternativní postup, při němž na navažovací lodičku vhodného rozměru vložíme látku v množství odhadem odpovídající zádané navážce a zvážíme (hmotnost w2 ). Látku sklepneme do cca 50 ml vody v titrační baňce, lodičku nevyplachujeme a znovu zvážíme (hmotnost w3). Hmotnost navážky je v tomto případě dána rozdílem w2 - w3. Na lodičku můžeme pak bez jakéhokoli vyplachování nebo otírání vložit další navážku (samozřejmě téže látky!) a postup opakovat. Ať pro přípravu roztoku k titraci použijeme kteréhokoli z uvedených postupů, rozpouštění pevné látky můžeme urychlovat jen mícháním krouživým pohybem celou baňkou nebo pomocí magnetické míchačky, jejíž míchadélko zůstává trvale v roztoku. Nelze použít míchání tyčinkou.V krajním případě a s velkou opatrností můžeme rozpouštění urychlit mírným zahřátím plamenem kahanu .Jde však spíše o pouhé přiblížení baňky ke kahanu než zahřívání jak je známe ze zkumavkových pokusů. Jednodušší je situace, potřebujeme-li připravit roztok látky pro její přečištění nebo jako výchozí roztok pro nějakou syntetickou reakci. V takovém případě vnášíme zváženou a jemně rozetřenou látku lžičkou, tyčinkou nebo laboratorní špachtlí do malého množství rozpouštědla, pokud možno odhadnutého na základě její rozpustnosti. S výhodou je toto rozpouštědlo předem zahřát. Zde můžeme rozpouštění urychlovat i mícháním skleněnou tyčinkou a v případě, že jsme množství rozpouštědla neodhadli a látka se vzdor míchání nerozpouští, malé množství horkého rozpouštědla přidat. Oddělování pevné a kapalné fáze Pevnou fázi od kapalné potřebuje me v laboratoři oddělit velmi často. Postup a uspořádání se zásadní měrou liší podle toho, kterou z fází budeme dále zpracovávat. Nejjednodušší a z běžného života známá je filtrace k oddělení nerozpustných nečistot od roztoku. Správné experimentální uspořádání pro tento proces je zobrazeno na obr. 41. Na tomto obrázku je třeba si všimnout řady detailů: nálevka s filtrem je vložena ve filtračním kruhu, filtrovanou kapalinu naléváme do nálevky s filtrem po tyčince a stonek nálevky nevisí do středu nádoby, do níž jímáme filtrát, nýbrž se dotýká stěny. Kromě toho, že se filtrát zbytečně nerozstřikuje na stěny nádoby, je filtrace je při tomto správném uspořádání zásadní měrou urychlena povrchovým napětím filtrátu, který vytéká spojitým pramínkem. Způsob úpravy nejjednoduššího tzv. hladkého filtru je znázorněn na obr. 42a. Je patrno, že v takovém uspořádání k filtraci slouží jen polovina vystřiženého kruhu; zvětšení účinné plochy
a urychlení filtrace se dosáhne u skládaného filtru (obr. 42 b). V současné době se v laboratorní praxi dodávají filtry již připravené, a to jak hladké, tak skládané, oboje o různých průměrech i hustotě. Přesto je dobré se naučit filtraci s p r á v n ě improvisovat.
Obr. 41. Zařízení pro filtraci . Oddělovat filtrací podle obr. 41 z roztoku pevnou fázi, kterou budeme dále zpracovávat, je nevhodné a zdlouhavé a v současné době se i pro ty nejhůře filtrovatelné sraženiny nacházejí alternativní cesty (např. centrifugace).
a)
b)
Obr. 42. Vystřižení a úprava filtru a) hladkého b) skládaného
Klasickou cestou k oddělování většího množství pevné fáze je filtrace za sníženého tlaku, tzv. odsátí. Aparatura k tomouto účelu je znázorněna na obr. 43 a skládá se z odsávací baňky, Büchnerovy nálevky nasazené na této odsávací baňce pomocí gumového límce nebo přes pěnovou gumu a vodní vývěvy. Mezi vodní vývěvu a aparaturu je třeba zařadit pojistnou nádobu, která brání vniknutí vody do aparatury např. při náhlém poklesu tlaku ve vodovodním potrubí a usnadňuje ukončení odsávání (viz níže) .Na dno Büchnerovy nálevky vložíme kruh filtračního papíru o průměru právě rovném vnitřnímu průměru nálevky (obr. 44). Velikost papíru je třeba pečlivě dodržet. Při použití většího papíru vznikají v ohybu podél stěn nálevky kanálky, kterými může jednak procházet část látky, jednak se jimi vzrovnává tlak a snižuje se účinnost celého procesu. V případě menšího papíru jsou zdrojem stejných chyb dirky ve dnu nálevky, které se dostanou těsně k obvodu papíru.
Obr. 43. Uspořádání k filtraci za sníženého tlaku.
Obr. 44. Vložení filtru do Büchnerovy nálevky (R = průměr papíru)
Vložený filtrační papír ovlhčíme vodou a mírním odsáváním docílíme toho, že papír přilne ke dnu nálevky. Potom pomalu po tyčince vléváme filtrovanou směs (co nejlépe rozmíchanou); její sloupec přitom může dosahovat nejvýše 1 cm pod okraj nálevky. Silně odsáváme tak dlouho, dokud ze stonku nálevky odkapává filtrát. Odsávání ukončíme tak, že nejprve otevřeme kohout K a teprve potom uzavřeme přívod vody. Tento postup je bezpodmínečně nutno dodržet, protože kdybychom nejprve zavřeli vodu, vnikla by voda vývěvou a znehodnotila by filtrát. Pojistná láhev v aparatuře právě tento způsob ukončení odsávání umožňuje. Pokud bychom v aparatuře pojistnou láhev neměli, museli bychom před uzavřením vody aparaturu od vývěvy odpojit. V současné době se místo Büchnerovy nálevky s filtrem používají tzv. frity. Ty jsou skleněné a mají podobný tvar jako Büchnerova nálevka. Místo perforovaného dna mají však destičku ze sintrovaného skla, hustota jejíchž porů určuje, pro jaké sraženiny se může daná frita použít a její číselné označení je základní charakteristikou frity. Do frit se samozřejmě filtrační papír už nevkládá, jinak je technika práce s nimi obdobná právě popsané technice odsávání na Büchnerově nálevce. Je třeba mít na paměti, že i při velmi intensivním odsátí zůstává v pevné fázi na filtru jisté množství filtrátu, tj. roztoku, od kterého jsme pevnou fázi oddělovali. Toho je se třeba zbavit, což se dělá tzv.promýváním. Kapalinu pro promývání je třeba promyšleně volit případ od případu, stejně tak jako jejé množství. Pokud oddělujeme odsáváním látku po krystalisaci a tato látka je v použitém rozpouštědle dobře rozpustná, musíme vystačit s rychlým promytím malým množstvím rozpouštědla. Provádí se to tak, že uzavřeme kohout K, zavřeme přívod vody do vývěvy a filtrační koláč na fritě rovnoměrně (nejlépe ze střičky) ovlhčíme malým množstvím rozpouštědla, z něhož
jsme látku krystalisovali. Většinou bývá výhodné, je-li toto rozpouštědlo co nejstudenější (podrobněji viz úl. č. 2). Pak znovu uzavřeme kohout K a intensivně odsajeme. Pokud je filtrovaná látka rozpustná málo, můžeme použít rozpouštědla k promývání větší množství, případně v něm látku na filtru opatrně rozmíchat. Ještě účinnější pro oddělování málo rozpustné pevné fáze (sraženiny) z jejího matečného roztoku je tzv. dekantace. Při ní necháme pevnou fázi ustát ve vhodné nádobě a pak matečný roztok slijeme k dalšímu zpracování nebo do odpadu. Nádobu doplníme promývací kapalinou, rozmícháme a postup - třeba i několikrát - opakujeme. Teprve po poslední dekantaci provedeme odsátí. Zmínku zasluhuje i správné oddělení pevné fáze od filtru. Jestliže ze skleněné fritz můžeme produkt vyškrábat tyčinkou nebo špachtlí, z Büchnerovy nálevky produkt v žádném případě nevyškrabujeme nebo nedáváme sušit i s nálevkou, protože tak bychom produkt znečistili částečkami filtračního papíru. Správný postup spočívá v přiklopení nálevky hodinovým sklem vhodného průměru, otočení stonkem vzhůru a silným fouknutí do stonku. Filtr s produktem vypadne na sklo, kde ho osušíme lehkým přitlačením čtverečku filtračního papíru a potom sloupneme. Práce s
plyny
Jakkoli v současné době jsou téměř všechny plyny dostupné komerčně v tlakových láhvích, potřebujeme si občas v laboratoři připravit malé množství plynu sami. Nejjednodušším zařízením k tomu účelu je Ostwaldova baňka (obr. 45). Její princip je patrný z část obrázku označené a):
a)
b)
Obr. 45. Ostwaldova baňka: a) klasické uspořádání (B- baňka s plochým dnem, dělicí nálevka, T- trubice k odvodu plynu, K - kohout), b) uspořádání s vyrovnávací trubičkou.
k tenkostěnné skleněné baňce B je zábrusem připojena dělicí nálevka N. Na dno baňky dáváme tuhou látku (případně v suspensi s vodou), ke které s dělící nálevky přikapáváme vhodnou kapalinu, se kterou tuhá látka reaguje za vzniku žádaného plynného produktu. Uvolněný plyn se odvádí trubičkou T. Na obr. 45 b) je znázorněno uspořádání vhodné pro pokusy, kde je studována přímo reakce vzniku plynu. Dělicí nálevka má vyrovnávací trubičku, která vrací do nálevky objem vzduchu z nálevky odpovídající objemu vpuštěné kapaliny. Pro použití ve větších množstvích se plyny do laboraotří dodávají v ocelových lahvích. Plyny obtížně zkapalnitelné (kyslík, vodík, dusík, vzduch) jsou v nich stlačeny na vysoký tlak (až 1500 Mpa) , plyny snáze zkapalnitelné (chlor, amoniak, oxid siřičitý, oxid uhličitý) jsou v ocelových lahvích v kapalném skupenství pod tlakem značně nižším. Některé plyny se z pezpečnostních důvodů nedají komprimovat na vysoký tlak. Příkladem může být acetylen, který se proto dodává v ocelových lahvích vyplněných poresní hmotou nasáklou acetonem, ve kterém se acetzlen dobře rozpoušří. Odtud také název “dissous plyn”, v překladu značící “rrozpuštěný plyn”. Obsah lahve je označen barevným pruhem pod hrdlem lahve a kromě toho musí být technické údaje o láhvi blízko pod hrdlem vyraženy. Znalost barev odpovídajících jednotlivým plynům patří k základním znalostem potřebných v laboratoři, protože příbadná záměna lahví by mohla mít velmi závažné bezpečnostní důsledky. Přehled barevných označení tlakových lahví modrá zelená červená stříbrošedá -
kyslík dusík vodík vzduch
bílá acetylen žlutá chlor fialová amoniak černá oxid uhličitý perlově šedá - oxid siřičitý
Odběr plynů z lahví můžeme provádět pouze přes redukční ventily různých typů. Pro plyny, dodávané pod vysokým tlakem, používáme nejčastěji redukční ventil zobrazený na obr.46. Po otevření hlavního uzávěru láhve (H) proudí plyn z přívodního kanálku (PK) podél čípku (Č) do komory nízkého tlaku (NK) Nízkotlaká komora má na protilehlé straně přívodu plynu prostor s pružinou (Z)a řídícím šroubem (Š). Pružina tlačí deskou (D) na membránu (M), membrána tlačí na čípek, který na druhé straně dosedá na gumovou zátku (G). Při poklesu tlaku v nízkotlaké komoře (tj. při větším odběru plynu) membrána nadzdvihne zátku a tím uvolní cestu pro přítok plynu z láhve. Naopak při zvýšení tlaku v nízkotlaké komoře ( tj při menším odběru plynu) je membrána zatlačena proti regulačnímu šroubu , zátka dosedne na otvor pro přívod plynu a přívod omezí. Z tohoto popisu je zřejmá zdánlivě protismyslná skutečnost, že otáčením regulačního šroubu proti směru hodinových ručiček připomínajícím otevírání kohoutku odběr plynu zmenšujeme a naopak při otáčení ve směru hodinových ručiček odběr plynu zvětšujeme. Tlak v lahvi odečítáme na manometru MN1, tlak odebíraného plynu na manometru MN (tento manometr na některých 2 ventilech není zařazen). Nejjemnější regulací je regulace rzchlosti odběru plynu jehlovým ventilem J. Pro korodující plyny jako je chlor, amoniak či oxid siřičitý je pak celý odběr řízen jen jehlovým uzávěrem robustnější konstrukce (obr. 47). S ocelovými lahvemi a redukčním ventilem v tomto praktiku manipulujeme výhradně v přítomnosti vedoucích cvičení nebo laboranta.
a)
b)
Obr. 46. Redukční ventil: a) celkový pohled (A - matice, Š - řídící šroub, H - hlavní uzávěr láhve, J - jehlový ventil, MN1 - manometr pro odečítání tlaku v láhvi, MN2 - manometr pro odečítání tlaku odebíraného plynu b) schema vlastního ventilu (PK - přívodní kanálek, NK - nízkotlaká komora, Š - řídící šroub, Z - pružina, M - membrána, Č - čípek, G gumová zátka, D - deska)
Obr. 47. Ventil s jehlovým uzávěrem (M - matice, VK - ventilový kužel, Z - závity šroubu, K - ovládací kolečko)
Práce se sklem Sklo je v laboratoři nejpoužívanější materiál. Nízkotající tzv. měkké sklo je plastické již při teplotě kolem 500oC. Proto se z něj mohou tvarovat různé díly aparatur přímo v dílnách ústavů takové aparatury potřebujících. K tomu je však zapotřebí tzv. sklářský kahan. Plyn se tu spaluje nikoli ve směsi se vzduchem, ale ve směsi s kyslíkem, proto lze s jeho pomocí docílit vyšší teploty než kahany laboratorními. Plamen sklářského kahanu lze dále regulovat nejen co do teploty, ale i tvaru. Některé jednoduché operace se sklem lze však provádět i na nejmohutnějším z laboratorních kahanů, tj. na kahanu Mékerově (str. 19). V tomto praktiku jde zejména o zhotovení kapilár pro měření teploty tání. 1. Řezání a otavování trubiček Skleněnou trubičku položíme na stůl celou délkou. Levou rukou ji podržíme a pravou v místě, kde chceme trubičku uříznout, uděláme jednoduchý hluboký vrzp hranou ostrého pilníku. Na pilník tlačíme jen tolik, abychom trubičku neroztříštili. Není-li vryp dosti hluboký, nebyl pilník dostatečně ostrý a použijeme pilník jiný. Potom uchopíme trubičku oběma rukama palci proti vrypu, jak je naznačeno na obr. 48, a oběma rukama táhneme a ohýbáme. Sklo se v místě vrypu rozlomí
Obr. 48. Řezání skleněných trubiček
již při použití poměrně malé síly. Při této operaci je výhodné obalit trubičku hadrem (třeba i cípem pracovního pláště). Na vzniklém lomu jsou hrany skla ostré a mají se před dalším použitím otavit (pro naše zhotovení kapilár to není bezpodmínečně nutné, pokud kapiláry děláme hned a zbytky uklidíme). To se dělá tak, že trubičku vložíme ostrým koncem do plamene kahanu a pomalu otáčíme tak dlouho, dokud se ostré hrany nezaoblí.
2. Zhotovení kapilár. Postup je schematicky znázorněn na obr. 49. Pravidelným otáčením v nesvítivém plameni Mékerova kahanu skleněnou trubičku prohřejeme do změknutí (A). Prohřátou trubičku rychle vyjmeme z plamene, otočíme ji do svislé polohy a oba konce od sebe stejnoměrným pohybem odtáhneme (B) tak, aby vznikla kapilára požadovaného průměru. Tuto operaci musíme provést dostatečně rychle, aby se změklé sklo okolním vzduchem nestačilo ochladit a neztuhlo dříve, než operaci dokončíme. Rozhodně se nesmíme pokoušet vytáhnout kapiláru přímo v plameni, protože bychom trubičku zatavili a místo kapiláry vytáhli skleněnou nit. Tažením kapiláry ve svislé poloze se dosáhne rovnoměrné tloušťky kapiláry po celém jejím obvodu, kdežto při tažení vodorovném vzniká kapilára se silnějšími stěnami na straně, která byla původně dole. Po vytažení necháme kapiláru vychladnout a potom ji opatrně (v hadru ) nalámeme na kousky o vhodné délce.
A B
Obr. 49. Schema nejdůležitějších kroků při tažení kapilár (vysvětlivky v textu)
