Teplota ovlivňuje řadu chemických dějů, jako je např. rychlost rozpouštění látek, rychlost a průběh chemických reakcí, mísitelnost složek apod. Zahřívání a chlazení proto patří mezi základní laboratorní postupy.
Látku je možné zahřívat přímo nebo se k dosažení potřebné teploty využije vhodných zařízení, ve kterých se zahřívá nepřímo. V tomto případě se mezi zdroj tepla a látku vloží prostředí, které teplo přenáší.
Měření teploty
Teplota je fyzikální veličina, jejíž jednotkou v soustavě SI je Kelvinův stupeň (K). Nejnižší možnou teplotou je teplota absolutní nuly odpovídající 0°K. Kromě °K se jako vedlejší jednotky využívají také stupně Celsia (°C). Přitom platí, že 1°K = 1°C. Absolutní nule odpovídá hodnota -273,15°C.
K měření teploty se používají teploměry. Jejich konstrukce závisí na účelu použití, na výši měřené teploty a na teplotních rozdílech. Nejběžnější jsou teploměry dilatační, které jsou založeny na rozdílné roztažnosti kapalných nebo plynných látek.
Kapalinové teploměry
Kapalinové teploměry se vyrábějí ze skla, které je odolné vůči změnám teploty v teplotním rozsahu příslušného teploměru. Jsou tvořeny skleněnou trubicí, zakončenou malou nádobkou, z níž je vyvedena skleněná uzavřená kapilára. Nádobka je naplněná teploměrnou kapalinou. Při zahřátí se teploměrná kapalina rozpíná a vystupuje v kapiláře vzhůru, při ochlazení klesá zpět.
Rtuťové teploměry
Nejčastěji používanou kapalinou pro plnění teploměrů je rtuť. Má rovnoměrnou tepelnou roztažnost, nesmáčí sklo a je poměrně dobrým vodičem tepla. Proto rychle reaguje na změny teploty a díky své neprůhlednosti umožňuje snadné odečítání teploty. Teplota se odečítá ve výši očí z polohy menisku hladiny rtuti (vypouklý meniskus).
Rtuti lze použít pro měření teploty v rozsahu -39°C až +357°C. Jestliže přidáme do rtuti 8,5 % thalia, vznikne amalgám s možností měření již od -58°C. Pro přibližné měření teploty se používají teploměry s velkým rozsahem stupnice. Tyto teploměry jsou ovšem méně přesné. K přesnějšímu měření je vhodné použít teploměr s menším rozsahem, např. 0°C až 100°C nebo 100°C až 250°C. Stupnice teploměru je dělena po stupních, nebo polovinách až desetinách stupně.
Rtuťové teploměry se vyrábějí ve dvou typech, tyčinkové a obalové. Tyčinkové teploměry jsou zhotovené ze silnostěnné skleněné trubice, nahoře zatavené a dole rozšířené v tenkostěnnou baničku. Banička je naplněna rtutí a na trubici je vyznačena stupnice. Obalové teploměry mají kapiláru připevněnou ke stupnici z mléčného skla a zatavenou ve skleněném plášti.
Kromě rtuti se v teploměrech využívají také další kapaliny, jako je toluen, ethanol nebo petrolether. Toluenové teploměry mají rozsah -80°C až +100°C, ethanolové teploměry -100°C až +70°C, petroetherové teploměry -150°C až +20°C. Toluen, ethanol a petrolether se pro lepší viditelnost přibarvují červeně nebo modře. Ve srovnání se rtutí jsou tyto kapaliny horšími vodiči tepla a kapiláru smáčejí (dutý meniskus).
Měření teploty teploměrem provádíme tak, že počkáme 1 až 2 minuty, až se vyrovná teplota skla, kapaliny v teploměru a měřené kapaliny. Teprve potom teplotu odečteme. S teploměrem je nutné zacházet opatrně, aby nedošlo k jeho rozbití.
Přímé zahřívání
Pro přímé zahřívání se využívají plynové kahany, plynové nebo elektrické vařiče nebo infrazářiče. Přímé zahřívání je náročné na vlastnosti a tepelnou odolnost laboratorního nádobí. Nejčastěji se provádí přímý ohřev materiálu ve skleněných zkumavkách, porcelánových nebo kovových kelímcích, které se umístí na porcelánový triangl v kovovém stojanu. Pokud se zahřívají kapaliny v baňce, vkládá se mezi plamen a baňku síťka, která rozloží tepelnou zátěž na celou plochu dna.
Plynové kahany
V laboratoři se nejčastěji používají 3 typy plynových kahanů: Bunsenův kahan (čti Bunzenův), Tecluho kahan (čti Teklyho) a Meckerův kahan (čti Mekerův).
Kahan má ve spodní části válcové trubice (tzv. komínku) dva protilehlé otvory, kryté otáčivou objímkou se dvěma otvory. Plyn je do spodní části přiváděn zúženou tryskou. Otáčením objímky lze přívod vzduchu do kahanu regulovat.
Od předchozího typu se liší tím, že má spodní část komínku kuželovitě rozšířenou. Pod komínkem je umístěna šroubovací talířovitá matice, jejímž otáčením se reguluje přívod vzduchu.
Tento kahan má podobnou základní konstrukci jako Bunsenův kahan, ale jeho trubice je širší a větší. Ve spodní části má objímku s větším počtem otvorů. V horní části komínku je rozšířen a kryt kovovou mřížkou, která plamen rozděluje na větší počet drobných plamínků. Tím je kahan chráněn před zaskočením plamene dovnitř trubice. Tento kahan je z uvedených typů nejvýhřevnější.
Práce s kahanem
Při práci s kahanem je potřeba pracovat opatrně, aby nedošlo k úrazu. Základním bezpečnostním požadavkem je, že od hořícího kahanu se nikdy nesmí odcházet.
Nejprve se přívod plynu zreguluje uzávěrem na minimum. Připravíme si hořící zápalku. Potom přívod plynu otevřeme a kahan zapálíme. Plyn hoří svítivým plamenem, který je málo výhřevný. Regulací přívodu vzduchu se plamen převede na nesvítivý.
Při zapalování kahanu s otevřeným přívodem vzduchu by mohl plamen zhasnout. Při regulaci vzduchu se postupuje opatrně, aby plamen nezaskočil do trubice kahanu a nezačal hořet uvnitř přímo nad tryskou. K tomu může dojít také při kombinaci s nižším tlakem plynu. Důsledkem by mohlo být rozpálení trubice kahanu a jeho poškození nebo poškození přívodní hadice plynu. Situace by mohla vyústit v požár. Při zaskočení vydává plamen „chrčivý zvuk“ a probleskují z něj zelené plamínky, které jsou způsobeny ionty mědi z rozžhavené mosazné trysky. Dojde-li k zaskočení plamene, je nutné okamžitě uzavřít přívod plynu a kahan znovu zapálit až po vychladnutí.
Přímé zahřívání otevřeným plamenem není vhodné při práci s hořlavinami!
Druhy plamene
Při zapálení a omezeném přívodu vzduchu hoří kahan svítivým plamenem. Má plápolavý charakter a nižší teplotu. Předměty se v něm očazují uhlíkem, protože nedochází k dokonalému spalování plynu.
Když zvýšíme přívod vzduchu, začne kahan hořet nesvítivým plamenem. Princip hoření spočívá v tom, že plyn proudící do trubice kahanu strhává otvory v objímce vzduch, mísí se s kyslíkem v něm obsaženým a spaluje ho.
Nesvítivý plamen má kuželovitý tvar, slabě modrofialovou barvu a hoří syčivým zvukem. Protože má vyšší teplotu, je vhodný při práci se sklem, při ohřívání látek ve zkumavkách, kádinkách, při žíhání apod.
Teplota nesvítivého plamene není ve všech částech stejná. V plamenu (nesvítivý plamen) můžeme rozlišit tři tepelné zóny: Ve vnitřní modrozelené zóně má plamen redukční vlastnosti a poměrně nízkou teplotu v rozsahu 300-520°C. Střední, jasně modrá zóna je nejvýhřevnější, dochází v ní k dokonalému spalování plynu; teplota zde dosahuje až 1560°C. Vnější zóna má modrofialovou barvu a teplotu poněkud nižší než střední zóna.
Ostatní prostředky k přímému zahřívání
Elektrické vařiče mají výhodu ve snazší regulaci a pravidelném ohřevu. Teplota se ale zvyšuje pomalu a má velkou setrvačnost. Plynové vařiče reagují na změny požadavků lépe a rychleji, práce s nimi ale vyžaduje podobnou opatrnost jako práce s kahany.
Velmi bezpečný ohřev umožňují infračervené lampy (infralampa). Jsou tvořeny žárovkou, která je v zadní části pokryta zrcadlovým povlakem z kovu. Tyto žárovky produkují záření v infračervené oblasti, které je převážně tepelné. Dosahuje teploty maximálně cca 400°C. Ve farmaceutické laboratoři je infralampa vhodná pro šetrné zahřívání různých materiálů, zejména masťových nebo čípkových základů (Mísení polotuhých látek). Zahříváním shora se docílí rovnoměrného ohřívání a zabrání se tak usazování odparku na stěnách nádoby a utajenému varu, spojenému s rozstřikováním látky.
Nepřímé zahřívání
Vodní lázně
Vodní lázeň je naplněná vodou. Moderní lázně jsou elektricky vyhřívané a mají zabudovaný termostat (vodní lázeň-termostat) pro kontrolu teploty. Plní se destilovanou vodou. Obvykle jsou jedno- nebo vícemístné. Na svrchní straně je lázeň uzavřena keramickými nebo plastovými kroužky, které umožňují vložení různě velkých nádob. Lázně se nejčastěji umisťují do digestoře.
Vodní lázně se používají k zahřívání látek až do teploty varu vody, tj. 100°C. Jsou vhodné tam, kde je nutné udržovat po delší dobu stálou teplotu, nebo pro zahřívání látek citlivých na vyšší teplotu. Při zahřívání je vždy nutné nastavit teplotu lázně o 10-30°C vyšší, protože dochází k tepelným ztrátám. Při dlouhodobém zahřívání je nutno dbát na doplňování odpařené vody.
Olejové lázně
Olejové lázně jsou vhodné k zahřívání na teploty v rozmezí 100-250°C. Jako náplň se nejčastěji používá minerální nebo ložiskový olej. Při použití silikonového oleje je možné zahřívat až na 300°C.
Olejovou lázeň vždy umisťujeme do digestoře a dbáme, aby do horkého oleje nevnikla voda a nedošlo ke vzkypění oleje a jeho vystříknutí. Nebezpečné jsou také hořlavé kapaliny, které by mohly vyvolat vznícení oleje. Proto musí být součástí olejové lázně teploměr a teplotu olejové lázně je nutno stále kontrolovat.
Chlazení
Při některých chemických dějích je nutné teplotu směsi snížit. Chlazení je rovněž důležité pro dosažení stability látek nebo vhodné konzistence.
Jednoduchým, ale zdlouhavým postupem je chlazení vzduchem na laboratorní teplotu. Pro některé postupy lze využít vzdušný chladič (chladiče), což je dlouhá skleněná trubice. Je vhodný pro kondenzaci par s teplotou varu vyšší než 150°C.
Rovněž tekoucí vodou lze látku nebo směs ochladit, obvykle na teplotu cca 4°C. Chlazení proudící vodou se využívá ve vodních chladičích (chladiče) při destilaci. Vnitřní trubice může být buď rovná (Liebigův chladič), vytvarovaná do baniček (kuličkový chladič) nebo spirály (spirálový chladič). Tvarování zvětšuje styčnou plochu chladicí kapaliny s chlazenou látkou, nejčastěji párou kapaliny, a zvyšuje účinnost chlazení.
Rozdrceným ledem, smíseným s vodou, lze teplotu snížit na 0°C. Pro intenzivnější chlazení se využívají chladicí směsi tvořené směsí vody a některých solí. Vyznačují se vysokou hodnotou rozpouštěcího tepla, které odnímají okolí. Běžné jsou např. směsi vody a chloridu amonného (0°C), ledu a chloridu amonného (-15°C) nebo ledu, chloridu amonného a dusičnanu draselného (-25°C). Příkladem chladicí směsi je také solanka, která se skládá ze 3 dílů ledu a 1 dílu chloridu sodného. V krátkém čase po smísení obou složek se dosáhne teploty cca -20°C (Chlazení solankou).
Velmi nízké teploty lze dosáhnout také suchým ledem, což je tuhý oxid uhličitý. Ten odebírá teplo okolí při sublimaci, která nastává při teplotě -78,8°C.
Pro trvalé udržení nízkých teplot jsou vhodné chladničky nebo mrazničky.
Procvičení
- Zahřívejte 50 ml vody v Erlenmeyerově baňce a v kádince na plynovém nebo elektrickém vařiči. V intervalech po 3 minutách změřte a zaznamenejte teplotu. Po dosažení teploty varu nádobu z vařiče odstavte a ve stejných časových intervalech pozorujte a zaznamenejte pokles teploty. Výsledky zpracujte formou grafu (Kinetika zahřívání).
- Připravte asi 100 g chladicí směsi (solanky) a změřte její teplotu. Do směsi vsuňte zkumavku se 2 ml čištěné vody a pozorujte, zda voda ve zkumavce zmrzne.
Kontrolní otázky
- Uveďte v přehledu postupy zahřívání.
- Jaký je rozdíl mezi přímým a nepřímým zahříváním?
- Jaké typy kahanů znáte?
- Vysvětlete postup práce s kahanem.
- Co je „zaskočení plamene“ a jak se řeší?
- Jaké metody nepřímého zahřívání znáte?
- Jaké znáte způsoby chlazení?
- Jaké teploměry znáte?
- Jaký význam má smáčení nebo nesmáčení stěn kapiláry teploměru teploměrnou kapalinou?
- Uveďte důvody využití chlazení.
- Jaké znáte způsoby chlazení?
- Uveďte příklady chladících směsí.