12 2. GLASGERÄTE UND APPARATUREN STDARD-GLASGERÄTE Die meisten Geräte und Apparaturen im Labor sind aus Glas. Es verbindet hohe chemische Widerstandsfähigkeit mit Durchsichtigkeit, die Vorgänge im Kolben erkennen lässt. Die heute gebräuchlichen Laborglassorten (Duran, Pyrex, Sovirel und Solidex ) besitzen kleine thermische Ausdehnungskoeffizienten und sind daher gegen Temperaturwechsel relativ unempfindlich. Zu plötzliches Abkühlen oder sehr schnelles, heftiges Erhitzen (z.b. direktes Aufheizen mit dem entleuchteten Bunsenbrenner) können trotzdem zum Zerspringen des Geräts führen. Die Apparaturen werden aus standardisierten Glas-Bauelementen zusammengesetzt. Die vakuumdichte Verbindung zwischen den einzelnen Elementen wird durch sogenannte Kegelschliffe hergestellt. Bei der Kegelschliff- Verbindung wird der präzisionsgeschliffene Kern in eine entsprechende Hülse geschoben. Der Durchmesser der Schliffe ist genormt. Die gebräuchlichsten Schliffgrößen sind NS 14.5 und NS 29 (NS = Normschliff). Wenn erforderlich, z.b. beim Anbau bestimmter Normschliff-Bauelemente an eine Apparatur, wird die Schliffverbindung durch Federn, die an angeschmolzenen Glasdornen eingehängt werden, oder durch Spezialklammern fixiert. Die Kegelschliff-Verbindung ist starr. Das erhöht die Bruchgefahr, insbesondere bei komplizierten Apparaturen, in denen durch unsachgemäße Anklammerung Spannungen auftreten. Schliff- Schliff- Schliffkern mit hülse kern Abtropfspitze Umsetzungen mit nicht brennbaren Substanzen können in offenen Gefäßen, wie Bechergläsern oder Erlenmeyer-Kolben durchgeführt werden. In den meisten Fällen arbeitet man aber in Einhals- oder Mehrhals- Rundkolben. Rundkolben Spitzkolben Birnenkolben Dreihalskolben Zweihalskolben (3 x NS 29) (2 x NS 14.5)
13 Zweihals-Aufsatz Übergangsstück von Übergangsstück von (Anschütz-Aufsatz) NS-29-Kern auf NS-14.5-Hülse NS-14.5-Kern auf NS-29-Hülse Trockenrohr gebogen Trockenrohr gerade Labor-Thermometer und Schliffverbindung (NS 14.5) mit Schraubkappe und Dichtung (für verstellbare Eintauchtiefe) Stock- Thermometer
14 Der Anfänger wird allzu häufig feststellen müssen, dass auch die besten Labor-Glasgeräte nicht bruchfest sind. Der Hinweis auf die derzeit gültigen Preise für einige häufig benutzte Glasgeräte sollte zu besonders sorgfältigem Umgang veranlassen 0-ml-Dreihalskolben, 3 x NS 29 DM 29.60 2-ml-Tropftrichter mit Druckausgleich DM 32. NS-29-Rückflusskühler nach Dimroth DM 47.00 KPG-Rührwelle mit Rührhülse DM 71.80 Exsikkator mit Deckel DM 114.20 BEHDLUNG VON SCHLIFFEN Um eine dichte Verbindung zu gewährleisten und Verkratzen zu vermeiden, muss man Schliffe sorgfältig reini gen und fetten. Dafür sind im Handel Vaselinfette und (leider auch) Silikonfette erhältlich. Silikonfette sind sehr problematisch und zu vermeiden, da die Glasgeräte im Laufe der Zeit durch nicht mehr entfernbare Silikatschichten verkieseln und trüb werden. Durch eine dünne Silikonfett-Schicht auf der Glaswand wird diese nicht mehr benetzbar. Das hat zur Folge, dass Destillationskolonnen unwirksam werden. Außerdem wird durch eine Silikonfett-Schicht die Bildung von Kristallisationskeimen sehr effektiv verhindert. Der Anfänger neigt gewöhnlich dazu, die Schliffverbindungen zu stark zu fetten. Es empfiehlt sich, nur an der oberen Hälfte des Schliffkerns einen schmalen Fettring anzubringen. Auf keinen Fall darf das Fett im Innern der Schliffverbindung austreten und so den Kolbeninhalt verunreinigen! Eine richtig gefettete Schliffverbindung muss klar und durchsichtig sein und darf beim Gegeneinander-Drehen keine Schleifgeräusche verursachen. Exsikkatoren müssen sehr sorgfältig behandelt werden, da sie sehr teuer sind. Auf den Planschliff des Exsikkators wird eine gleichmäßige, dünne Schicht aus Vaselinfett und danach etwas Paraffinöl aufgetragen. Das Paraffinöl bewirkt, dass sich der Exsikkator-Deckel besser bewegen lässt. Gefettete Schliffe, auch Exsikkatorendeckel und die besonders empfindlichen Hahnkücken, darf man niemals auf den Labortisch legen! Die aufgenommenen Staubkörnchen zerkratzen den Gegenschliff. Festsitzende Schliffverbindungen versuche man durch vorsichtiges Klopfen mit einem Hammerstiel unter vorsichtigem Erwärmen in der Bunsenbrenner-Flamme und Anlegen einer Zugspannung zu lösen. Wenn das nicht hilft, benutzt man spezielle Lösungsmittel-Gemische, um verklebende organische Verunreinigungen aus dem Schliff herauszulösen, oder bringt die (leere, saubere!) Apparatur mit dem festsitzenden Schliff zum Glasbläser. ENTFERNEN VON FETT UND SILIKONFETT VON GLASGERÄTEN Siliconfett kann von Glasgeräten mit einer gesättigten Lösung von Natriumhydroxid in Ethanol entfernt werden. Achtung Vermeiden Sie Kontakt der Lösung mit Haut oder Kleidung. Bei Kontakt gründlich mit Wasser waschen. Ethanol ist leichtentzündlich, daher nur im Abzug arbeiten und Zündquellen fernhalten. Die Lösung wird durch Erwärmen von Natriumhydroxid-Plätzchen in 95proz. Ethanol hergestellt und in einer Polyethylenflasche mit Schraubverschluss aufbewahrt. Es ist keine Filtration nötig. Obwohl sich die Lösung kurz nach der Herstellung dunkel färbt, kann sie lange aufbewahrt und mehrmals verwendet werden, ohne ihre Wirkung zu verlieren. Sie ätzt Glas selbst nach mehrstündigem Kontakt nicht und ist besonders effektiv und breit anwendbar. Sie wird in den zu reinigenden Kolben gegossen und im Wasserbad einige Minuten erhitzt. Anschließend kann sie wieder in die Polyethylenflasche zurückgefüllt werden. Der Kolben muss dann nur noch gründlich mit Wasser gespült werden. Literatur T. H. Lowry, J. Chem. Educ. 1997, 74, 841.
300 1 0 7 0 15 STDARD-APPARATUREN Neben dem Reagenzglas, das unter Beachtung der notwendigen Sicherheitsvorkehrungen (Brandgefahr!) für Vorversuche dient, gibt es eine Reihe von Standard- Apparaturen. Die einfachste Apparatur für chemische Reaktionen, bei denen Lösungsmittel, Edukte oder Produkte sieden, ist ein Rundkolben mit Rückflusskühler. Der Aufbau jeder Apparatur beginnt mit dem Kolben. Dieser wird in einer solchen Höhe mit Klammer und Muffe an der Stativstange befestigt, dass zwischen Apparatur und Labortisch noch Platz für die Hebebühne und die Heizquelle (Magnetrührer mit Heizplatte oder elektrische Pilz-Heizhaube) bleibt. Man achte darauf, dass Heizbäder (Ölbad, Wasserbad) oder Kühlbäder (Eiswasser, Eis/Kochsalz-Mischung, Dewar-Thermogefäß mit Aceton/Trockeneis) ohne weitere Maßnahmen, wenn erforderlich sofort, entfernt oder angebracht werden können. 10 2 Apparaturen mit mechanischer Durchmischung Bei vielen Versuchen muss man mit Hilfe von Motor-getriebenen Rührern rühren. Das gilt insbesondere für folgende Fälle Zutropfen einer Komponente, die schnell gelöst oder suspendiert werden muss. Intensive Durchmischung von zwei Phasen, z.b. flüssig/flüssig, flüssig/fest, flüssig/gasförmig. Notwendigkeit eines intensiven Wärmeaustauschs (z.b. bei stark exothermen Reaktionen). Man verwendet zum mechanischen Rühren den KPG-Rührer (kerngezogenes Präzisions-Glasgerät). Es handelt sich um einen Glasstab mit einem etwa 10 cm langen, genormten Präzisions-Zylinderschliff, der durch eine dazu passend geschliffene Rührhülse (Schaft) mit NS-29-Kern geführt wird. Diese Führung verschließt zugleich den Kolben (Rührverschluss). KPG-Rührer mit Rührblatt und Rührhülse Übergang vom Rührmotor zum KPG-Rührer (von oben nach unten Rührmotor, Vakuumschlauch, Holzstab, Vakuumschlauch, KPG-Rührer)
16 KPG-Rührer können mit verschiedenen Rührvorrichtungen ausgestattet sein. Am gebräuchlichsten sind Rührblätter verschiedener Größen aus PTFE (Polytetrafluorethylen, Teflon ), die sich in senkrechter Stellung in den Kolben einführen lassen und deren Rundung sich in waagrechter Stellung dem Kolben anpasst. KPG-Rührer (siehe Preisangaben oben) müssen sehr sorgfältig behandelt werden. Vor dem Zusammenstecken von Rührer und Hülse müssen diese sorgfältig gereinigt werden. Antriebsachse am Motor und Rührerachse müssen zusammenfallen, denn ein Verkanten kann zum "Ausschlagen" des Rührers und zu einer Zerstörung des Präzisionsschliffs führen. Rührmotor und KPG-Rührer werden daher mit einer flexiblen Welle verbunden, die aus zwei ca. 7 cm langen Vakuumschlauch-Stücken und einem kurzen Holz- oder Kunststoff-Stab besteht. Die Verbindungsstellen am Vakuumschlauch müssen mit Schlauchschellen, notfalls mit Drahtschlingen gesichert werden, damit ein Durchdrehen der Stäbe verhindert wird. Der Zylinderschliff muss unbedingt mit Hahnfett und etwas Paraffinöl geschmiert werden. Die Schmierwirkung von Glycerin ist zu gering. Das Herauslösen des Fetts während der Reaktion durch siedendes Lösungsmittel kann zum "Festfressen" des Rührers führen! Die Rührhülse (NS 29) kann sich während des Rührens lockern und muss deshalb angeklammert werden. Die Durchmischung kann bei nicht zu hoher Viskosität und nicht zu großen Volumina mit Hilfe von Magnetrührern und Magnetrührstäben erfolgen. Die Magnetrührstäbe sind mit PTFE überzogen und damit chemisch weitgehend inert. Ihre Länge (handelsüblich 0.5 7 cm) richtet sich nach der Größe des Reaktionsgefäßes. Im Rundkolben gerät ein zu langer Magnetrührstab wegen der Kolbenwölbung leicht aus dem Takt. Abhilfe schafft ein in der Mitte befindlicher PTFE-Ring, der die Wölbung ausgleicht. Noch sicherer, insbesondere bei größeren Volumina, arbeiten die hantelförmigen Circulus-Rührstäbe oder in der Mitte stark verdickte Magnetrührstäbe. Magnetrührstab Circulus-Magnetrührstab Magnetrührstab mit PTFE-Ring mit Verdickung Die Magnetrührer haben so starke Magnete, dass man meistens durch ein Flüssigkeitsbad rühren kann. Da praktisch alle Magnetrührer eine Heizplatte haben, kann man zugleich erhitzen. Die Rührkraft der Magnetrührstäbe reicht aber für Versuche, bei denen Niederschläge entstehen, oft nicht aus. Zutropfen Reaktanten in reiner oder gelöster Form tropft man zu aus einem Tropftrichter mit Kernschliff (NS 14.5 oder NS 29) und einem Normschliff-Hahnküken. Für viele Fälle insbesondere beim Arbeiten unter Feuchtigkeitsausschluss hat sich der Tropftrichter mit Druckausgleich bewährt. Bei Tropftrichtern besteht die Gefahr, dass sich das Hahnkücken "festfrisst" und nicht mehr gedreht werden kann. Man achte deshalb darauf, dass der Hahn gefettet ist und mit der Schraubkappe oder wenn das Küken kein Gewinde trägt mit einem über das Hahnkücken gezogenen Bürogummi gesichert ist. Wenn sich das Hahnkücken löst, fließt die Lösung seitlich aus dem Tropftrichter, was zu großen Problemen führen kann (Entzündungsgefahr, Vergiftung)!
300 1 10 2 0 0 7 ml 75 25 17 ml 2 ml 1 75 25 Tropftrichter Tropftrichter mit Druckausgleich Hahn mit Schraubkappe Standard-Apparaturen und Variationen Für die meisten Versuche genügt ein Dreihalskolben mit KPG-Rührer, Rückflusskühler und Tropftrichter. Wenn in der Vorschrift angegeben ist, dass man zum Sieden erhitzt und unter Rühren eine Komponente zutropft, dann wird dafür die folgende Apparatur verwendet. Zur Vermeidung von Spannungen, die zum Zerbrechen von Glasteilen führen können, werden Rückflusskühler und Tropftrichter nur locker geklammert, sie sollten sich an der Schliffverbindung drehen lassen. Wenn man unter Ausschluss von Luftfeuchtigkeit arbeiten muss, schützt man die Apparatur vor eindringender Feuchtigkeit mit einem Trockenrohr, das gewöhnlich mit gekörntem Calciumchlorid oder mit Kieselgel mit Feuchtigkeitsindikator ("Blaugel") gefüllt ist. Das Trockenmittel wird auf beiden Seiten mit etwas Watte festgehalten. Das Trockenmittel wird mit einem durchbohrten Gummistopfen, durch den ein Stück Glaskapillarrohr geführt ist, vor Laborluft geschützt. Nicht benutzte Trockenrohre sind auch am Schliff-Ende zu verschließen (Gummi- oder Korkstopfen). Man achte darauf, dass Trockenrohre mit Calciumchlorid nicht durch "zerfließendes" Trockenmittel verstopft sind. Ein Überdruck in der Apparatur, der bei Verstopfen des Trockenrohrs aufgebaut werden kann, könnte verheerende Folgen haben!
300 300 1 1 10 2 0 0 10 2 0 0 7 ml 75 25 7 18 Nachfolgend sind einige Variationen der oben beschriebenen Standard-Apparatur aufgeführt. Die Änderungen werden kurz erläutert. Alle Edukte werden vor Beginn zusammengegeben. Unter den Bedingungen sind Edukte, Produkte und Lösungsmittel nicht flüchtig, aber feuchtigkeitsempfindlich. Auf den Rückflusskühler kann man verzichten. Die Apparatur wird mit einem Trockenrohr vor Luftfeuchtigkeit geschützt. Bad- und Innentemperatur werden gemessen. Eine Komponente wird während des Versuchs zugetropft. Das Gemisch ist leicht beweglich, flüchtig und empfindlich gegen Feuchtigkeit. Es kann mit dem Magnetrührer gerührt werden. Der dritte Hals des Kolbens steht für ein Thermometer zur Verfügung. Ein Rückflusskühler mit Trockenrohr verhindert das Verdampfen leichtflüchtiger Stoffe und das Eindringen von Feuchtigkeit. Für die Messung der Temperatur in einem Kolben sollten nur Thermometer mit einer solchen Länge verwendet werden, dass sich die Skala außerhalb des Kolbens befindet und daher in jedem Fall abgelesen werden kann (Stock-Thermometer). Eine Komponente wird während des Versuchs zugegeben. Das Gemisch ist leicht beweglich und flüchtig. Es kann magnetisch gerührt werden. Zur Kontrolle der Temperatur dient ein Thermometer. An Stelle eines Tropftrichters wird eine Spritze verwendet. Der mittlere Hals des Dreihalskolbens ist mit einer Gummi- Serumkappe verschlossen, durch die die Spritzennadel geführt wird. Während des Versuchs wird eine Komponente zugetropft. Das Gemisch enthält flüchtige Bestandteile und ist feuchtigkeitsempfindlich. Der Versuch erfordert KPG-Rührer, Tropftrichter, Rückflusskühler und Thermometer. Durch die Verwendung eines Anschütz-Aufsatzes (siehe S. 12) erreicht man, dass ein vierter Kolbenhals zur Verfügung steht. Während des Versuchs wird ein Gas eingeleitet. Der Aufbau der Apparatur mit KPG-Rührer, Thermometer, Rückflusskühler und Gaseinleitungsrohr wird durch Verwendung eines Anschütz- Aufsatzes möglich. Ein auf dem Rückflusskühler aufgesetzter Blasenzähler zeigt an, ob Gas entweicht und wieviel.
300 1 10 2 0 0 7 ml 75 25 19 Bei einem Versuch entstehende aggressive Gase werden in einer nachgeschalteten Waschflüssigkeit in einer Waschflasche absorbiert. Um die Gefahr des Zurücksteigens der Waschflüssigkeit in den Reaktionskolben zu vermeiden, muss wie beim Einleiten von Gasen eine leere Waschflasche dazwischen angebracht werden (man achte auf deren richtigen Einbau!).