Работа в боксах

Работа в боксах

Настольные перчаточные боксы изготавливают обычно из органического стекла или из нержавеющей стали со смотровыми окнами из ударопрочного стекла «триплекс».

Инертная атмосфера боксов при условии тщательной подготовки.способна обеспечить безопасность при работе с весьма реакционноспособными соединениями н при достаточно высоких требованиях к чистоте эксперимента. Удобство применения боксов заключается в возможности использования внутри бокса обычной аппаратуры и обычной экспериментальной техники. Боксам следует отдавать предпочтение при работе с пирофорными соединениями, поскольку это позволяет решить многие проблемы техники безопасности—даже поломка аппаратуры внутри бокса не приводит к воспламенению и серьезной аварии, так как огнеопасные вещества остаются в инертной атмосфере. Наконец, во многих случаях единственно приемлемой техникой при манипуляциях с сильнодействующими отравляющими веществами, радиоактивными и биологически активными соединениями является использование боксов, поскольку они обеспечивают не только защиту экспериментальных объектов от воздуха, но и защиту экспериментатора от вредных производственных факторов.

Однако создание анаэробных условий внутри бокса (.требует наличия очень эффективной и производительное системы очистки, сушки и циркуляции инертного газа. Функционирование такой системы оправдывается только при регулярной работе в боксах. При необходимости эпизодического проведения в анаэробных условиях отдельных операций далеко не всегда целесообразно использовать боксы, так как их подготовка после длительного перерыва весьма сложна и обстановочна.

Самодельные   полиэтиленовые   боксы. Описание техники работы со взрывоопасными, сильнодействующими  ядовитыми,  радиоактивными  и биологически активными веществами не входит в задачи данной книги. Поэтому здесь не будет Детально рассматриваться работа в стандартных перчаточных боксах. В то же время для  некоторых операций  в химических лабораториях общего профиля, требующих не слишком жестких анаэробных условий, т. е. когда пригоден азот или аргон непосредственно из баллона без дополнительной очистки, могут быть рекомендованы самодельные боксы из полиэтилена. Для работы в них  не требуется  каких-либо  особых  навыков, в сложенном виде они занимают очень мало места, а их подготовка  к  работе  крайне проста. Заслуживает внимания и то обстоятельство, что полиэтиленовые боксы необходимой конфигурации и размеров могут быть изготовлены непосредственно в лаборатории с учетом характера и особенностей предстоящей работы. Преимуществом полиэтиленовых боксов можно считать  и  эластичность  стенок,  что компенсирует перепады давлений при введении в бокс рук или их извлечении. Наконец, работа в простейших полиэтиленовых боксах является хорошей школой для начинающих химиков перед освоением более сложной техники работы в стандартных перчаточных боксах.

Устройство полиэтиленового лабораторного бокса для работы в контролируемой атмосфере, техника erb изготовления й эксплуатации подробно описаны в книге В. А. Климовой [24]. Автор предлагает бокс для аналитических работ в сухой hj\m инертной атмосфере, однако он оказался очень удобен и для безопасного проведения таких операций, как расфасовка в мелкую тару гидридов щелочных металлов, литий-алюмогидрида, иорошкообразного метилаТа натрия.' При необходимости внутри бокса могут быть разМР щены  технические  весы,  электрическое устройство для запаивания ампул и Др.

Простейшая сухая камера для безопасной работы с гидрофобными веществами может быть легко пластмассового ящи ка, закрытого сверху органическим или даже оконным стеклом. С обеих сторон в ящик должны быть герметично вмонтированы резиновые перчатки. Для контроля зя влажностью среды сухая камера обязательно снабжается гигрометром. 4

Работа в специальной стеклянной аппаратуре в токе инертного газа

Поскольку создание анаэробных условий в небольшой по объёму стеклянной аппаратуре требует сравнительно небольших количеств инертного газа, проблемы  подготовки  газа — его очистка  и  осушка- — значительно упрощаются. При этом возникает возможность   при   относительно   небольших затратах использовать газ очень высокой чистоты — с объемным содержанием  влаги  порядка  10~4—10_6 %. Таким образом, рассматриваемая техника позволяет обеспечить безопасность при работе с чрезвычайно реак-ционноспособными   соединениями   и удовлетворить весьма высокие требования к чистоте эксперимента, отличаясь при этом сравнительной простотой и доступностью.

В лабораторной практике разработано множество модификаций аппаратуры и приемов для работы в атмосфере индифферентных газов — отдельные части приборов можно соединять с помощью конусных или сферических шлифов, а также с помощью резиновых трубок; определенными преимуществами обладает и так называемая «шприцевая техника». Приверженность  той  или  иной  экспериментальной методике определяется не только свойствами веществ и целями работы, но и традициями, а также индивидуальным почерком каждого экспериментатора. Детальное рассмотрение экспериментальной техники и разнообразных модификаций аппаратуры — тема отдельной монографии. Ниже будут обсуждены лишь основные принципы проведения анаэробных экспериментов и приведены наиболее типичные примеры применяемой аппаратуры.

Индифферентные газы для создания анаэробных условий

В зависимости, от реакционной способности веществ для создания инертной атмосферы в лабораторных условиях обычно применяют азот, аргон, диоксид углерода, реже — водород и гелий.

Сухой аргон является наиболее приемлемым газом при  высоких требованиях  к  чистоте эксперимента. По сравнению с азотом он обладает существенным преимуществом — более высокой плотностью. Поскольку аргон"тяжелее воздуха, целесообразно продувать им аппаратуру, используя принцип вытеснения. Для этого в любой сосуд аргон подают снизу.-Выход для газа в таком случае должен быть в верхней части аппарата. Если обеспечить равномерный спокойный ток аргона, он практически не смешивается с воздухом, а вытесняет его из всего объема сосуда. В-идеальном случае для полного вытеснения воздуха из сосуда достаточно пропустить в него один объем аргона, Поскольку практически невозможно избежать диффузии и некоторого перемешивания газов, для надежного удаления последних следов воздуха рекомендуется использовать двойной объем аргона.

При любом способе подачи инертного газа необходимо следить, чтобы в любой момент времени в аппаратуре имелось только одно выходное отверстие для газа. Если сосуд не имеет нижнего отвода, аргон подают с.помощью стеклянной.трубки, эластичного шланга или длинной иглы от медицинского шприца (см. рис. 59).

Азот дешевле аргона и при менее жестких требованиях к анаэробности может быть с успехом использован для удаления воздуха из аппаратуры. Однако при оценке необходимой продолжительности продувки следует иметь в виду, что азот смешивается с воздухом при любом способе его подачи в аппарат. Поэтому даже после пропускания пятикратного объема азота в сосуде еще остается около часть исходного воздуха.

Подача инертного газа к установке

Сухой очищенный инертный газ подается к аппаратуре по эластичным шлангам через распределительное устройство. На рис. 54 изображено удобное распределительное устройство из нержавеющей стали, снабженное тремя игольчатыми вентилями тонкой регулировки, предохранительным клапаном и манометром. Корпус представляет собой цилиндр диаметром 100— I 120 мм и высотой 35—40 мм; он играет роль буферной емкости. Манометр должен быть достаточно чувствителен, чтобы фиксировать повышение давления в системе на 10—20 мм рт. ст. Порог срабатывания предохра* нательного клапана следует отрегулировать в соответствии с возможностями применяемой аппаратуры — обычно ограничиваются значением 40—50 мм рт. ст. Трех вентилей тонкой регулировки достаточно для проведения практически любых работ; при необходимости число отводов инертного газа может быть увеличено с помощью тройников. Вентили полезно снабдить чувствительными ротаметрами, в . простейшем случае можно использовать счетчики пузырьков, заполненные силиконовым маслом.

Для подвода газа от распределительного устройства к аппаратуре лучше использовать полупрозрачные фторопластовые, поливинилхлоридные или полиэтиленовые шланги, так как резиновые шланги в какой-то мере проницаемы для кислорода и паров воды. На конце шланга находится либо соответствующий стеклянный или фторопластовый шлиф, либо специально обработанная (см. 12.2) резиновая толстостенная трубка. Наряду с описанным металлическим распределительным устройством в лабораториях часто используют стеклянные гребенки с тремя-четырьмя стеклянными кранами, позволяющими достаточно тонко регулировать расход газа, Вместо предохранительного клапана в таком случае используется ртутный маностат.

Осушка инертного газа

При работе в токе инертного газа следует иметь в виду, что как бы-торошо он ни был высушен и очищен, содержание влаги и примесей в нем не равно нулю. Поэтому установление неоптимального расхода газа не только приводит к его перерасходу, но и снижает степень чистоты эксперимента. При использовании аппаратуры средних размеров со шлифами №14 в рабочем режиме обычно достаточным является расход газа 10—50 мл/мин. Для предварительной продувки аппаратуры расход может быть несколько увеличен.

Инертные газы непосредственно из баллонов всегда содержат некоторое количество влаги, поэтому они, как правило, не пригодны для работы с пирофорными и чувствительными к влаге соединениями. Степень осушки инертных газов, достигаемая с помощью цеолитов, позволяет использовать их даже для работы с концентрированными растворами алюминийорганических соединений. С практической точки зрения важно, что цеолиты дешевы, доступны, легко регенерируются. Для обеспечения непрерывной осушки цеолитами тока инертного газа при расходе не более 0,5 л/мин достаточно иметь две колонки из термостойкого стекла или нержавеющей стали диаметром 40—50 мм и длиной по 500 мм~. Перед засыпкой в. колонки цеолиты прокаливают в муфельной печи при 320—350 °С в течение 7—8 ч.

Важной мерой предосторожности при работе с наиболее активными металлорганическими соединениями является надежная индикация эффективности осушительной системы. В простейшем случае с этой целью небольшую колонку с индикаторным порошком устанавливают между двумя колонками с цеолитами (рис. 55). В качестве индикаторного порошка рекомендуется силикагель-индикатор, представляющий собой фракцию размолотого силикагеля 0,5—1,0 мм, обработанного хлоридом кобальта. В безводном виде индикатор окрашен в синий цвет. Присоединение одного моля воды на моль хлорида кобальта меняет окраску на сине-фиолетовую, поглощение 4—6 моль воды дает розовую окраску.

Для приготовления индикаторного порошка 10 г сухого силикагеля для хроматографии с соответствующим размером частиц перемешивают с 20 мл 7,5 %-го спиртового раствора гексагидрата хлорида кобальта, после чего сушат при 200 °С до получения однородной синей окраски. -

Изменение окраски индикаторного порошка до сине-фиолетовой сигнализирует об отработке первой колонки с цеолитами. С целью сохранения постоянной высокой эффективности осушительной системы колонки меняют местами, причем отработанные цеолиты заменяют свежепрокаленными.

Следует помнить, что при работе с гидрофобными веществами важнейшей мерой предосторожности является тщательная сушка не только инертного газа, но и стеклянной посуды. Необходимо твердо усвоить, что сушка на воздухе не обеспечивает удаления следов адсорбированной стеклом влаги. Непосредственно перед работой стеклянную посуду следует прогреть в сушильном шкафу при 200 °С в течение 1 часа или выдержать такое же время в высоком вакууме.

Особенности работы со стеклянной аппаратурой на конусных шлифах

Залогом безопасной работы со стеклянной аппаратурой является использование только хорошо притертых шлифов. Это требование, актуальное при любой работе, в условиях анаэробного эксперимента приобретает особое значение в связи с необходимостью обеспечить герметичность аппаратуры и ограничениями в использовании смазки. При работе с аппаратурой, снабженной конусными кранами, их качество является определяющим фактором  .

В идеальном случае все шлифы должны быть смазаны минимальным количеством нерастворимой индифферентной смазки (см. 4.8). Во многих случаях для всех шлифов, кроме кранов, можно рекомендовать использование тонкой полиэтиленовой пленки или ленты ФУМ. Иногда, если процессы проводятся с небольшим избыточным давлением, допускается использование- прозрачных шлифованных соединений вовсе без смазки. Если попадание жидкости на шлиф ввиду отсутствия индифферентной смазки или по другим причинам недопустимо, приходится прибегать к конструктивным решениям.

На рис. 56 приведены примеры выполнения шлифованных соединений, при которых жидкость, стекающая из верхнего сосуда, не попадает на шлиф. Система 56, б предпочтительнее, во-первых она проще в изготовлении, а во-вторых, в конструкции 56, а образуется объем,-из которого невозможно удалить воздух путем простого вытеснения инертным газом.

Все стеклянные детали со шлифами должны иметь специальные «рожки», дающие возможность уплотнять соединение с помощью тугих резиновых колечек или стальных пружинок. Уплотнение всех шлифованных соединений обязательно при любой методике работы в инертной атмосфере. Даже если во время работы небольшое избыточное давление инертного газа не создается преднамеренно, оно может образоваться при закрытых кранах вследствие температурных колебаний. Разъединение^ же шлифованного соединения^ даже кратковременное, при работе с пирофорными веществами может быть причиной серьезной аварии.

Работа с сосудами Шлейка

Простейшим стеклянным прибором для работы в токе инертного газа является сосуд Шленка (рис. 57). В практической работе используется множество .его модификаций; некоторые из них изображены на рис. 58. Конструкция сосуда Шленка — наличие или отсутствие шлифа на боковом отводе, наличие шлиф-керна или шлиф-муфты на горловой части, наконец, его размеры — определяет конструкцию и других стеклянных деталей,  которые должны составлять единый комплект, позволяющий наиболее рационально компоновать устройства для проведения различных операций.

При конструировании приборов следует придерживаться нескольких простых правил, в частности все элементы установки должны продуваться током инертного газа без «мертвых» зон; при соединении или разъединении частей установки необходимо в принципе исключить возможность попадания воздуха внутрь системы. Выполнение этих условий достигается с'помощью несложных приемов, однако для начинающего исследователя, еще не имеющего автоматизма в работе, обязательно тщательно предварительно продумывать каждую манипуляцию. Впрочем, это полезно и опытным химикам.

На рис. 59 показана техника предварительного продувания сосуда Шленка аргоном методом вытесне-, ния. Ясно, что если ограничиться только подачей аргона с помощью иглы, некоторое количество воздуха останется в отводной трубке ниже крана. С целью вытеснения этого воздуха следует дать ток аргона в конце продувки, когда воздух из цилиндрической части уже удален. Далее, не прекращая тока газа через кран, удаляют иглу и выполняют намеченные операции-'— присоединяют к горлу сосуда другие детали установки или затыкают его пробкой. В последнем случае кран тотчас же закрывают.

Пробки для закрывания горла сосуда Шленка (рис. 60) могут быть как без крана, так и с краном. Особенно удобен кран, изображенный на рис. 60, г. Такая конструкция крана позволяет проводить заполнение сосуда Шленка инертным газом с предварительным вакуумированием. Переход от вакуумирования к заполнению инертным газом осуществляется поворотом пробки крана на 180р.

При закрывании горла сосуда Шленка заглушкой типа изображенной на рис. 60, б следует позаботиться о вытеснении воздуха из ее внутреннего объема. Техника этой операции показана на рис. 61. При .непрерывном токе инертного таза на горло надевают заглушку и через секунду-другую слегка приподнимают ее, выпуская газ через зазор между шлифами. Такое движение повторяют несколько раз. Аналогично удаляют воздух из бокового отвода заполненного инертным газом сосуда Шленка перед открыванием крана (рис. 61, би в).