12.1. Запаянные ампулы
Повышенное давление может быть создано парами вещества или выделяющимися при синтезе газами, когда рабочий объем не изменяется. В этих случаях для получения небольших количеств веществ применяют запаянные кварцевые или стеклянные ампулы .
При давлениях ниже 10 атм (1 МПа) употребляют ампулы с толщиной стенки не менее 1 - 2 мм и диаметром до 10 мм. Устойчивость стеклянных ампул к внешнему давлению значительно выше, чем к внутреннему. Например, запаянная ампула диаметром 11 мм и со стенками толщиной 1 мм разрушается при внутреннем давлении 104 атм, но выдерживает внешнее давление до 460 атм. В работах с жидким аммиаком при 100 °С (давление 60 атм, или 6 МПа) устойчивы ампулы с внутренним диаметром 10 - 20 мм и толщиной стенки 1,2 - 2,0 мм.
Наиболее прочным к внутреннему давлению при 20 °С считают стекло марки "пирекс" . Ампулы из этого стекла с наружным диаметром 10 - 25 мм и толщиной стенки 1 -3 мм выдерживают в среднем давление до 650 атм (65 МПа).
Чем меньше внутренний диаметр ампул и больше толшина их стенок, тем выше предел прочности на сжатие. Конечно, приведенные выше цифры являются предельными. В практических работах предпочитают применять давления в десятки раз меньше. Стенки стеклянных ампул часто имеют незначительные царапины или включения мельчайших пузырьков воздуха, поверхностные загрязнения и неравномерную толщину. Даже при сравнительно небольших нагрузках такие ампулы лопаются. Поэтому для работ с высокими давлениями ампулы следует тщательно отбирать.
После заполнения ампулы смесью реагентов , ее запаивают (см. рис. 55).
Запаянную ампулу 3 помещают в стальной защитный кожух 1 (рис. 294,а,6) с навинчивающейся крышкой, снабженной асбестовой прокладкой 5. Чтобы ампула не перемещалась в кожухе, ее обертывают листовым асбестом 2. Стальной кожух нагревают вместе с ампулой в вертикальном или слегка наклонном положении в жидкостной бане или непосредственно пламенем газовой горелки.
Рис. 294. Стеклянные ампулы с защитным кожухом (а), с вставной пробиркой (б), без кожуха (в), трубчатые (г) и с фторопластовым вентилем (д)
Если два вещества для их взаимодействия нужно смешать лишь после запаивания ампулы, то перед вытягиванием капилляра в ампулу с одним реагентом вставляют небольшую пробирку 4 (рис. 294,б) с длинной ножкой, запаянной на конце. В эту пробирку помешают второй реагент. После вытягивания капилляра и его запаивания ампулу встряхивают так, чтобы ножка пробирки сломалась. Содержимое ампулы взбалтывают и тотчас же помешают в защитный кожух и завинчивают его крышкой 5. Во время нагревания кожуха манипулировать с ампулой категорически воспрещается.
Ампулу вскрывают только после полного охлаждения кожуха с его содержимым, при этом ампулу не вынимают из кожуха, а, отвинтив крышку, выдвигают запаянный конец капилляра. Если есть уверенность в том, что давление внутри ампулы не превышает 0,1 МПа, конец ампулы надрезают и отламывают обычным способом . Когда такой уверенности нет, капилляр помещают в пламя стеклодувной горелки (см. рис. 1) - сначала в светящуюся часть, а затем в острый язычок пламени. Капилляр размягчится в одном месте и, если в ампуле высокое давление, то газ вырвется, сделав отверстие в размягченном стекле. Теперь, когда точно известно, что в ампуле не осталось газа под давлением, можно надрезать ее конец и отломить его.
Если вещество в ампуле легко воспламеняется, а газ - горючий, применять газовую горелку, естественно, не следует. Кожух с такой ампулой погружают в жидкий азот и через некоторое время выдвигают конец ампулы, надрезают его и осторожно отламывают. Все эти операции проводят за защитным экраном или в защитном боксе при помощи манипуляторов.
Для работ, проводимых под давлением 1 - 10 МПа, в кожух 7 вместо асбеста 2 наливают жидкость, которая при нагревании имеет давление пара того же порядка, что и ожидаемое давление газа внутри ампулы. Такие сосуды получили название трубок Ульмана. (Ульман Фриц (1875—1939) - швейцарский химик-органик.)
Как правило, для заполнения трубок Ульмана применяют диэтиловый эфир ( С2Н5)2O. Давление, возникающее при нагревании жидкости в кожухе, противодействует давлению в ампуле, вследствие чего стекло испытывает лишь незначительную разность давлений.
Ампулы не обязательно запаивать и помещать в защитный кожух. Можно применять и открытые толстостенные стеклянные ампулы, имеющие запорные устройства (рис. 294,в). На открытый конец такой ампулы, имеющий небольшой шарик, надевают кусок резинового шланга 3, а на шланг плотно насаживают металлический цилиндр 5(6) из мягкого металла (алюминий, медь) с прорезями. Верхний конец ампулы закрывают прокладкой (полиэтилен, фторопласт), на которой закрепляют при помощи гайки 2 запаянный капилляр 7. Нижний конец цилиндра J (6) затягивают гайкой 4, прижимающей прорези к основанию шарика и резиновому шлангу.
Ампулой может служить и толстостенная изогнутая и запаянная кварцевая трубка 1 (рис. 294,г). Ее применяют, в частности, для синтеза небольших количеств РrO2 В конец трубки 3 помешают оксид празеодима состава РrбО11, а в нижнее колено 2-KClO3. Количество триоксохлората калия подбирают так, чтобы выделяющийся при его термическом разложении кислород (колено 2 нагревают до 300 °С) создавал в трубке давление порядка 50 атм (5 МПа).
Для реакций с периодическим выпуском избыточного газа или, наоборот, впуском газа под повышенным давлением применяют ампулу 2 (рис. 294,д) с фторопластовым вентилем 7, выдерживающим давление до 10 атм (1 МПа). Вентиль имеет на Конце штока фторопластовый конус 3, закрывающий сужение в боковом отростке. Способ крепления к стеклу верхней части вентиля - резьбовой, но может быть и таким, как у ампулы на Рис. 294,в. Место капилляра в этом случае будет занимать шток вентиля 1 (рис. 294,д).