ОБОРУДОВАНИЕ ОБЩЕГО НАЗНАЧЕНИЯ

Рекомендации, приведенные в этом параграфе, как, впрочем, и в ряде других, преследуют цель помочь читателю сориентиро­ваться в выборе основного необходимого для работы стандартного оборудования. Перечень приборов, устройств и оборудования не претендует на исчерпывающую полноту вследствие весьма широ­кого круга задач, решаемых теми или иными лабораториями крис­таллогенезиса. В настоящее время номенклатура выпускаемого

промышленностью оборудования весьма велика, ежегодно попол­няется новыми наименованиями и видоизменяется, поэтому марки и типы приборов здесь не приводятся.

Для работ, связанных с ростом кристаллов из низкотемпера­турных растворов, необходимо или весьма полезно иметь следую­щее оборудование.

1. Лабораторные столы, шкафы или стеллажи. Лабораторная мебель и размещение на ней оборудования должны обеспечивать, с одной стороны, легкость и доступность влажной уборки всех уголков помещения, недопущение где бы то ни было скопления пыли, а с другой стороны — доступность всех кристаллизаторов и связанных с ними устройств для обслуживания.

2. Один-два вытяжных шкафа. Некоторые современные стан­дартные вытяжные шкафы выполнены из нержавеющей стали, хорошо оборудованы освещением, водопроводом, канализацион­ным сливом, удобны в эксплуатации. Шкаф позволяет работать с вредными, агрессивными и радиоактивными веществами; в нем при необходимости можно производить растирание и взвешивание сухих веществ, приготовление растворов. Есть также деревянные шкафы, требующие дооборудования по месту расположения.

3. Дистиллятор с полуавтоматическим управлением, предна­значаемый для очистки водопроводной воды. Его производитель­ности — 4—5 л воды/ч — вполне достаточно для лаборатории, име­ющей до 10 среднего размера кристаллизаторов.

4. Сушильные шкафы для сушки посуды и реактивов. Очень хорошо иметь вакуумный сушильный шкаф. Он позволяет быстро высушивать реактивы, для которых нагревание противопоказано. Использовать вакуумный шкаф для выпаривания растворов нельзя.

5. Весы технические и аналитические.

6. Газовая или бензиновая горелка с насосом (компрессором), выпускаемая для паяльных, зубопротезных и лабораторных ра­бот. Она применяется для изготовления кристаллоносцев, ампул, пробирок и для других несложных стеклодувных работ. Насос или компрессор могут быть использованы для ускорения фильтрации.

7. Комбинированный прибор (ампервольтметр) любого типа для испытания электрических цепей и наладки релейных схем и нагревателей.

8. рН-метр для контроля кислотности растворов.

9. Бинокулярный микроскоп.

10. Источники постоянного тока для питания электрических це­пей поддержания и регулирования температуры в кристаллизато­рах. Можно применить такие приборы в паре со стабилизатором напряжения мощностью от 0,09 до 0,9 кВт в зависимости от числа и мощности используемых кристаллизаторов. Пределы стабилизи­рованного напряжения 6—25 В.

11. Регуляторы напряжения в пределах 0—250 В и мощностью до 500 Вт (или более мощные, в зависимости от решаемых задач).

12. Электропечь муфельная лабораторная, желательно на

большой диапазон температур и по возможности с большим рабо­чим пространством для прокаливания веществ и сжигания органи­ческих примесей в используемых реактивах.

13. Жидкостный ультратермостат, используемый для термоста-тирования микрокристаллизатора (§ 2.2). Известны ультратермо­статы отечественного производства, Венгрии и ГДР разного объема.

14. Воздушные термостаты с точностью поддержания темпера­туры в первые десятые градуса. В настоящее время такие приборы выпускаются в качестве медицинского оборудования.

15. Магнитные мешалки.

16. Баня комбинированная лабораторная для выпаривания растворов.

17. Терморегуляторы ртутные, рассчитанные на работу в диа­пазонах температур 0—50 или 0—100° С.

Лаборатория должна быть оснащена разнообразной стеклянной и кварцевой посудой, химическими реактивами, лабораторными термометрами, фильтровальной бумагой, ватой, стеклянными труб­ками и стеклянными палочками разного диаметра для изготовле­ния деталей кристаллизаторов и кристаллоносцев, пробками, шта­тивами, электроплитками, нагревателями и т. д. Перечислить все необходимое не представляется возможным. Часть сведений по­мимо данного параграфа можно найти в других местах этой книги.

ТЕРМОСТАТЫ

Из материала книги ясно, что высокая стабильность темпера­туры — одно из основных условий получения однородных кристал­лов, достижения воспроизводимых результатов при их выращива­нии и исследовании их роста.

Когда кристаллизация идет при комнатной температуре, проще всего повысить стабильность температуры в кристаллизаторе, уве­личив его тепловую инерцию. Это может быть достигнуто увели­чением объема раствора, или помещением кристаллизатора в со­суд с большим количеством воды (10—100 л), или устройством вокруг кристаллизатора теплоизолирующей рубашки из асбеста, песка и т. п. Применение таких мер целесообразно в том случае, если отклонения температуры от средней в лаборатории кратко-временны (изменение температуры продолжается не более десят­ков минут или первых часов) и невелики. В этих случаях колеба­ния температуры в кристаллизаторе по сравнению с колебаниями температуры в лаборатории существенно уменьшены по амплитуде. При медленных (суточных) изменениях температуры в лаборато­рии такое пассивное термостатирование малоэффективно. Но оно применяется довольно часто при выращивании кристаллов, имею­щих слабую зависимость растворимости от температуры, при хи­мической реакции в условиях встречной диффузии и выращивании мелких кристаллов другими методами, когда не предъявляется высоких требований к качеству кристалла. Кристаллизаторы с пассивным

термостатированием целесообразно помещать дальше от батарей отопления, печей, окон и дверей. Для установки этих термостатов лучше всего подходит какое-либо подвальное или неотапливаемое внутреннее помещение. При необходимости полу­чить крупные однородные кристаллы применяют активное термостатирование, т. е. регулирующие температуру устройства. Неко­торые виды термостатов и регуляторов температуры растворов описаны, например, К.-Т. Вильке [1977].

Воздушные термостаты, изготавливаемые сейчас промышлен­ностью, вполне пригодны для целей кристаллизации ввиду доста­точно высокой степени поддержания температуры. В случае невы­соких требований к качеству термостатирования (в пристрелочных опытах при кристаллизации испарением растворителя, при хими­ческой реакции и др.) пригодны сушильные шкафы. Часто прихо­дится пользоваться самодельными воздушными термостатами, форма которых более удобна для работы, чем форма стандартных термостатов. Они обычно изготавливаются из асбоцемента, пласт­массы, стекла, фанеры и других материалов. Колебания темпера­туры в таких термостатах можно уменьшить, как и в случае пас­сивного термостатирования, перемешивая в них воздух или созда­вая двойные термостаты. Внутренние — промежуточные — стенки в таких термостатах можно делать из оргстекла. Воздушные тер­мостаты не следует открывать, когда в них находятся кристалли­заторы. Поэтому воздушные термостаты должны иметь смотровые окошки и маломощные лампочки для подсветки.

При большом количестве кристаллизаторов, работающих в оди­наковых условиях, рациональнее устраивать воздушные термо­статы больших объемов (шкафы или даже целые комнаты).

Общая схема термостата (рис. 5-1) с регулирующей системой включает теплоизолированный объем 1 и датчик 2 — устройство, которое реагирует на изменение температуры и может посылать электрический сигнал дальше по цепи (например, сигнализиро­вать о превышении тем­пературы над заданным значением). Управляющее устройство 3, получив сиг­нал, преобразует, усили­вает его и действует в со­ответствий с программой, заложенной в схеме уст­ройства. Таким действием в нашем примере должно быть отключение нагрева­теля исполнительного устройства 4 (или умень­шение его мощности).

Рассмотрим указанные основные элементы термостата

по порядку.

1. Собственно термостат. На рис. 5-2 изображен жидкостный термостат, легко собираемый из доступных материалов и обычно применяемый в способах кристаллизации при изменении темпера­туры и при тепловой конвекции. Он представляет собой толсто­стенную цилиндрическую стеклянную банку, заполненную водой, а при температурах выше 80° С — силиконовым маслом. Термостат закрыт крышкой. Между крышкой и банкой находится резиновая прокладка. Банка помещается на подставке, крышка притяги­вается к банке винтами. Крышка термостата имеет отверстие для кристаллизатора, который стоит на подставке 6. Стержни, поддер­живающие подставку кристаллизатора, проходят через указанную крышку. Винтами 3 регулируется положение этой подставки в тер­мостате. Кристаллизатор герметизируется с помощью крышки 4, притягиваемой к нему винтами 2. Стержни и гайки, с помощью ко­торых укрепляется в термостате подставка для кристаллизатора, должны быть нержавеющими. Нельзя допускать комбинации железа и латуни в воде термостата, даже если эти металлы

не соприкасаются, так как это ведет к быстрому окислению же­леза и загрязнению воды.

Крышки и подставки не должны коробиться при используемых температурах, должны быть устойчивы к воздействию влаги, не деформироваться при прижатии к термостатной банке.

Объем термостата зависит от размера кристаллизатора и тре­бований, предъявляемых к точности поддержания температуры. Чем больше объем термостата, тем меньше колебания температуры будут в кристаллизаторе при прочих одинаковых особенностях его устройства. В способе кристаллизации при тепловой конвек­ции объем термостата может составлять всего 1,0—1,5 л, а в спо­собе кристаллизации при изменении температуры — до 10 л и бо­лее. Кроме кристаллизатора в термостате находятся также термо­метр 1 и терморегулятор 5.

Термостат указанного типа имеет погрешность поддержания температуры ±0,05° С. Для увеличения как точности поддержания температуры, так и равномерности температурного поля воду в термостате обычно перемешивают. Иногда изготавливают также уже упомянутый «двойной» термостат, в котором устанавливается еще одна банка с водой, промежуточная между внешней термо­статной и кристаллизационной банками. Иначе говоря, устраивается промежуточная водяная рубашка. По эффективности двойной тер­мостат не уступает термостатам с перемешиванием. При необхо­димости снижения температуры ниже комнатной в термостат по­мещают змеевик, через который пропускают воду из водопровода.

Рис. 5-2 дает только общее представление о жидкостных термо­статах этого типа. Конкретные кристаллизаторы, используемые в разных лабораториях, различаются конструктивными особеннос­тями, назначение которых — облегчить работу с ними: например, сделать более удобной и быстрой разборку и сборку, сделать их более компактными и т. п. Иногда термостат комплектуется в один блок вместе с устройством для придания движения кристаллу, с терморегулирующим устройством. Разнообразны также мате­риалы, применяемые для изготовления кристаллизатора: металлы, пластмассы.

2. Датчики температуры. В качестве датчиков чаще всего ис­пользуются стандартные контактные термометры ТК (терморегу­ляторы). Для поддержания в системе постоянной температуры, когда нет необходимости ее изменять, можно использовать кон­тактные термометры с неподвижными, закрепленными контактами. Они выпускаются для разных температур. Однако наиболее удобны в работе контактные термометры, дающие возможность плавной регулировки температуры.

Все контактные термометры в принципе устроены одинаково. Электрические контакты располагаются вдоль капилляра на раз­ных высотах. Только в контактном термометре с плавной регули­ровкой температуры один из контактов имеет возможность перемещаться вдоль капилляра с помощью магнитной головки терморегулятора. При нагреве свыше нормы, которая задается положением

верхнего контакта, ртуть подымается по капилляру и, будучи хорошим проводником, замыкает эти контакты.

В качестве терморегулятора, обычно менее точного, чем кон­тактный термометр, можно использовать электронные регуляторы температуры разных типов, работающие от термометров сопротив­ления, которыми они комплектуются. Для воздушных термостатов, когда удовлетворяет погрешность поддержания температуры ±0,5° С, можно применить в качестве датчиков устройства, в ко­торых используются биметаллические пластинки. Перечень выпус­каемых промышленностью датчиков имеется в книге «Автоматиче­ские приборы, регуляторы и вычислительные системы» [1976 г.].

3. Управляющие устройства. В качестве управляющего устрой­ства можно взять телефонное реле (самый простой вариант), у ко­торого есть контакты, замкнутые при невключенной катушке. Пока контакты в контактном термометре не замкнуты, тока в катушке реле не будет и замкнутые контакты реле пропускают ток через нагреватель. Когда же нагреватель поднимет температуру до зна­чения, при котором контакты ТК замкнутся, появившийся в цепи катушки ток разорвет контакты цепи нагревателя и начнется охлаждение. Таким же образом осуществляется регулирование температуры при помощи датчиков, в которых используются биме­таллические пластинки.

Длительность роста кристаллов, недопустимость перегревов и непредусмотренных переохлаждений раствора заставляет предпри­нимать особые меры для повышения надежности регулирующей системы. В описанной системе имеются два «узких места», кото­рые требуют особого внимания. Первое — контакт ртути и метал­лического волоска в контактном термометре. При проскакивании искры во время разрыва цепи температура мениска ртути резко повышается. Ртуть испаряется. В то же время сам капилляр при многократном электрическом разряде вблизи его стенки очищается и начинает смачиваться ртутью. Форма мениска искажается. Кроме того, ртуть окисляется, о чем свидетельствует почернение капилляра вблизи мениска. В результате рано или поздно моменты включения и разрыва цепи перестают точно соответствовать задан­ной температуре или контактный термометр вообще перестает ра­ботать. Поэтому наиболее радикальным средством повышения на­дежности работы и долговечности датчиков является предельно возможное уменьшение мощности тока, подаваемого на них (по крайней мере, не выше 0,1—0,2 Вт).

Другое слабое место — контакты реле, через которые вклю­чается нагреватель. Использование реле с маломощными контак­тами быстро приводит к их обгоранию и нарушению воспроизводи­мости включения нагревателя. Здесь нужно иметь запас мощности контактов 3—5-кратный по сравнению с мощностью нагревателя.

Указанные два участка схемы по своим требованиям находятся в известном противоречии друг с другом. Дело в том, что чем сла­бее сигнал, полученный от датчика, тем менее мощное реле может он привести в действие. Чем менее мощное реле, тем слабее у него

контакты. Поэтому приходится применять промежуточные пуско­вые реле, усиливающие первичный сигнал. Надежно, в течение нескольких лет, работает схема, изображенная на рис. 5-3. В ка­честве пускового реле Р1 может быть использовано любое мало­мощное реле, четко срабатывающее от постоянного тока напряже­нием 12—24 В. Клеммы реле Р1 замыкают катушку силового реле Р2. Клеммы реле Р2 должны, не обгорая, пропускать ток около 2—3 А. Резисторы R1 и R2 (Rl«R2) подбирают таким об­разом, чтобы при надежной работе реле R1 было минимально, а R2 — максимально. Питание такой схемы осуществляется, на­пример, от выпрямителя. Вместо указанной схемы применяют также ламповые или полупроводниковые схемы, пример которой приведен на рис. 5-4. Здесь VT1 — маломощный, VT2 — более мощный транзистор.

Последние годы рядом авторов предложены схемы регулирова­ния температуры, обеспечивающие высокую надежность кристал­лизаторов в течение многих месяцев непрерывной работы (см., на­пример [Берданов И. Т., Стадник П. Е., 1973; Айвазян М. Т. и др., 1973]). Выпускаются сейчас и стандартные усилительные устрой­ства (например, типа УКТ) для работы в комплекте с контактным термометром.

4. Нагревательные элементы. В случае применения жидкостных термостатов нагрев обычно осуществляется нихромовой спиралью, положение которой в термостате бывает различным:

а) под дном термостатной банки в специальном асбестовом ко­жухе, устроенном наподобие электроплитки (9 на рис. 5-2). Однако
в этом случае температура в термостате колеблется в сравни­тельно больших пределах: в больших термостатах (кристаллиза­ция при изменении температуры)—до 0,3°С, в небольших (для
метода тепловой конвекции) —до 0,5° С;

б) спираль, навитая на банку снаружи (7 на рис. 5-2). Спираль
приклеивается к банке силикатным клеем. Для безопасности ее
следует снаружи прикрыть асбестом. Колебания температуры приблизительно

такие же, как и в предыдущем случае, только устрой­ство конструктивно проще.

Для того чтобы банка термостата не треснула, необходимо из­бегать красного каления спирали в обоих описанных способах раз­мещения нагревателя. В первом способе также рекомендуется оставить зазор между спиралью и дном банки;

в) непосредственно в воде у дна банки (8 на рис. 5-2). Спи­раль должна быть по возможности равномерно распределена у дна термостата, но не касаться его. Это наиболее экономичный способ нагрева. Колебания температуры в этом случае минимальны. Главный недостаток — сравнительно быстрая коррозия спирали. Коррозия резко усиливается при попадании в термостат раствора кристаллизуемого вещества или других соединений. Вообще в тер­мостат лучше заливать дистиллированную воду. Концы спирали нужно выводить на противоположных сторонах термостата. Это уменьшает силу тока, проходящего через воду, и способствует со­хранению спирали. Участки контактов спирали с подводящими проводами лучше выводить на воздух. Наиболее надежным вари­антом является использование хромированных электронагревате­лей серийного типа. Для жидкостных термостатов с низкими стен­ками (метод тепловой конвекции) в качестве нагревателей удобно применять обычные осветительные лампы. Нужно только следить, чтобы жидкость не смачивала цоколь лампы.

Мощность нагревателя (сопротивление его) подбирается таким образом, чтобы время нагрева было приблизительно равно времени охлаждения термостата. Естественно, что при разных температу­рах мощности должны быть различными, а потому наиболее удобно иметь для каждого нагревателя либо собственный лабора­торный автотрансформатор, либо реостат. Ориентировочная мощ­ность нагревателя больших термостатов на 10—20 л составляет 150—700 Вт.

В качестве нагревательных элементов в воздушных термоста­тах используются нихромовые спирали и электролампочки (по­следние— более безопасный вариант)» располагаемые по пери­метру нижней части термостатируемого объема.

Весьма важным является взаимное расположение датчика тем­пературы и нагревателя. Чем ближе они расположены, тем, в об­щем, точнее поддерживается температура, но в то же время сильно растет частота срабатывания контактов в датчике и усиливается износ системы. При удалении датчика от нагревателя уменьшается частота срабатывания, но одновременно снижается стабильность температуры,