Химия и Химики № 2 2017. Горячее стекло и капли воды. Hot glass and water drops

В химической лаборатории обычно используют термостойкое стекло, которое способно без разрушения выдерживать нагрев и охлаждение. Конечно, в разумных пределах. Точнее, имеет значение не столько конечная температура нагревания или охлаждения стекла, сколько скорость изменения температуры. Стекло боится именно резкого перепада температуры (т.е. быстрого нагрева и быстрого охлаждения). Лабораторное стекло более термостойко, чем, например, оконное и бутылочное, но это не все. Значение имеет не только марка стекла, а также форма и размер изделия. Особенно - толщина стекла.

Толстое стекло имеет более высокую механическую прочность, чем тонкое, но одновременно толстое стекло означает низкую устойчивость к нагреванию (охлаждению). Тонкое стекло более устойчиво к перепадам температур - при прочих равных условиях.

Почему? Кроме градиента температуры во времени (т.е. скорости нагрева и охлаждения) имеет значение также градиент температуры в пространстве - т.е. равномерность нагрева изделий. Если не создать специальных условий нагрева, изделия нагреваются в пламени или на электрической плитке неравномерно, возникают термические напряжения, которые могут привести к трещинам. В случае больших сосудов с толстыми стенками эта неравномерность гораздо сильнее, чем в случае маленьких и тонкостенных. Именно поэтому пробирка может легко выдержать прямой нагрев в пламени лабораторной горелки, а стаканы и колбы часто трескаются даже от легкого контакта с пламенем. - Даже если колбы и стаканы сделаны из того же сорта стекла, что и пробирки (чтобы колбы и стаканы при нагреве в пламени горелки не трескались, нужно подставить под них асбестовую сеточку).

Кроме очевидных причин резкого нагрева или охлаждения, из-за которых трескается стекло, есть и менее очевидные. Например, нельзя греть колбы и стаканы в прямом контакте с пламенем (неравномерный нагрев). Нельзя ставить горячее стекло на холодную каменную иди металлическую поверхность, а тем более - помещать его в воду (резкое охлаждение). Рискованно ставить холодные стаканы на нагретую плитку (резкий нагрев). А толстостенные сосуды вроде эксикатора и кристаллизатора если и греть, то в термостате (сушильном шкафу), постепенно поднимая температуру. - Все это вроде как очевидно.

К менее очевидным причинам разрушения стекла относится попадание капель воды на нагретое стекло. Причем не капель "воды из-под крана", а воды, которая испарилась из горячих частей установки, конденсировалась на холодных частях и упала назад - в виде капель.

Типичный сценарий такой. Вы греете в пробирке или колбе вещество, которое содержит гигроскопическую воду. Либо выделяет воду при термическом разложении. Вода ушла в виде пара, низ пробирки нагревается все сильнее и сильнее, а тем временем верхняя часть пробирки еще холодная. Водяной пар здесь конденсируется, собирается в капли, которые падают вниз - на горячее стекло. В результате стекло может треснуть. В частности, такое явление может наблюдаться при нагревании формиатов и оксалатов железа, кобальта, никеля с целью получения пирофорных металлов. Чтобы капли не стекали вниз, верх пробирки предварительно прогревают в пламени (тогда вода не конденсируется на стенках), пробирку держат не вертикально, а наклонно, иногда капли поглощают полоской фильтровальной бумаги и т.д.

Если вы греете не твердое вещество, а расплав, от попадания капель воды он может разбрызгаться (даже если стекло останется целым).

Я столкнулся с описанным выше явлением неожиданно. Стояла задача заснять на видео поведение роданида калия при нагревании [1]. Расплав при нагревании становился синим, а после охлаждения роданид калия почти восстанавливал первоначальный вид. Первый эксперимент завершился удачно, однако заснять, как следует, переход цвета не удалось, поскольку я взял слишком большую пробирку, слой вещества был толстым, а его цвет - слишком интенсивным. В выпарной чашке изменение цвета проходит по-другому, поэтому пришлось повторить эксперимент в меньшей пробирке.

Во время следующей попытки нагреть роданид пробирка разлетелась. Вина исключительно моя. Подготовил все к опыту но, как только начал снимать, - в фотоаппарате сели аккумуляторы. Я поставил их заряжаться, а все остальное оставил на своих местах. Чтобы роданид калия не наглотался воды, плотно закрыл пробирку пробкой.

На следующий день долго устанавливал освещение, фокус камеры и т.д. Сделал пробные кадры без пламени. Наконец начал греть. Роданид расплавился. Вскоре пробирка треснула, а через несколько секунд разлетелась.

Причина была очевидна и типична. Вода испарилась из роданида, конденсировалась вверху пробирки, затем капли упали на нижнюю горячую часть. Стекло от таких вещей часто трескается.

Но, почему? - Ни до, ни после такого не было...

Оказалось, что я забыл открыть пробку. Именно поэтому водяные пары не улетели через горлышко (как в опытах до и после этого), а конденсировались сверху - им просто некуда было деться. Затем капли упали вниз - на горячее стекло. А поскольку пробирка была закрыта герметично, она не просто треснула: от вскипания воды пробирку разорвало. Верх остался в штативе, а дно вместе с расплавом улетело.

Другими словами, я уделил много внимания нижней части пробирки: в фокусе ли кристаллы? Не попали ли загрязнения в кадр? Не повредит ли близкое пламя объектив камеры (а он пластиковый)? Не слишком ли я быстро грею? Не дает ли освещение бликов из-за неправильного угла расположения лампы? Не попало ли в кадр что-то неэстетичное?

А на то, что пробирка была закрыта, я не обратил внимания. Это похоже на ситуацию, когда человек ищет очки, методически обследуя все-все в комнате, но не видит, что очки у него на лбу.

Учитывая, что роданид калия дает при разложении цианид, было неприятно, т.к. содержимое пробирки разбрызгалось по полу. Меня такие вещи оставляют равнодушным, но дело было на кухне - там ходит кошка, а потом лапы вылизывает. Про острые осколки - молчу. Пришлось тщательно подметать и мыть пол.

Кстати, когда снимал пробку с верхней части пробирки, под ней оказался конденсат - он четко пах миндалем.

__________________________________________________
¹ Превращения роданида калия при нагревании. Transformations of potassium thiocyanate under heating [ссылка]

Hot glass and water drops

Download the Video / Скачать Видео (28 Мб, .avi )