2. Temperaturerzeugung
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<strong>2.</strong> <strong>Temperaturerzeugung</strong><br />
<strong>2.</strong>1 Erwärmen<br />
<strong>2.</strong>1.1. Der Zweck des Erwärmens<br />
Viele chemische Reaktionen benötigen zu ihrer Einleitung (Aktivierungsenergie)<br />
oder zu ihrer Aufrechterhaltung eine Energiezufuhr. Je nach den Reaktionsbedingungen<br />
sind Heizquellen mit unterschiedlichen Eigenschaften erforderlich:<br />
- Die Dehydratisierung von Salzen z. B. verlangt schonendes Erwärmen,<br />
während das Glühen eines Niederschlages z. B. ist eine relative konstante<br />
Temperatur notwendig.<br />
- Bei leicht entzündlichen Stoffen darf nicht mit offener Flamme gearbeitet<br />
werden.<br />
- Bei bestimmten Reaktionen ist eine kontinuierliche Temperatureinstellung<br />
erforderlich.<br />
- Meistens ist es günstig, die gewünschte Temperatur schnell zu erreichen.<br />
Um allen diesen Forderungen in etwa gerecht zu werden, gibt es verschiedene<br />
Möglichkeiten der direkten und indirekten Erwärmung.<br />
<strong>2.</strong>1.<strong>2.</strong> Gasbrenner (250°- 1500° C)<br />
<strong>2.</strong>1.<strong>2.</strong>1. Das Prinzip des Gasbrenners<br />
Im Gasbrenner wird ein Gemisch aus Gas und Luft zur Entzündung gebracht.<br />
Die Brenner verfügen über die Möglichkeit der<br />
- Luftregulierung, meist besitzen sie auch eine<br />
- Gasregulierung. Gas und Luft werden in dem<br />
- Kamin durchgemischt. Er übt außerdem noch eine Zugwirkung aus.<br />
<strong>2.</strong>1.<strong>2.</strong><strong>2.</strong> Die Brennertypen<br />
Der Bunsenbrenner 23) (Abb. <strong>2.</strong>1.) besitzt ein gerades<br />
Brennerrohr. Während sich die Luftzufuhr durch Schließen<br />
bzw. Öffnen der seitlichen Bohrungen mit Hilfe eines<br />
Metallringes regulieren lässt, kann die Gaszufuhr nicht<br />
verändert werden.<br />
Der Heintz-Brenner (Abb. <strong>2.</strong><strong>2.</strong>) verfügt über ein drehbares<br />
Brennerrohr, das sich nach unten zur Form eines Zylinders<br />
verbreitet, wodurch eine bessere Durchmischung des Gas-<br />
Luft-Gemisches möglich ist. Durch Drehen des<br />
Kaminrohres verändert man die Gaszufuhr. Dreht man das<br />
Rohr nach unten, so schiebt sich der auf der Gasdüse<br />
festsitzende Kegel immer mehr in die Bohrung des Rohres<br />
(Ventilprinzip) und vermindert die Gaszufuhr. Mit Hilfe der<br />
Rändelmutter, die zum Rohr hin- oder weggedreht wird,<br />
kann der Luftspalt zwischen Scheibe und dem Rohr<br />
verkleinert bzw. vergrößert und somit die Luftzufuhr<br />
reguliert werden.<br />
Der Teclu-Brenner (Abb. <strong>2.</strong>3.) besteht aus einem Kegel<br />
erweiternden festsitzenden Brennerrohr. Wie beim Heintz-<br />
Brenner wird auch hier die Luftzufuhr durch Gegen- bzw.<br />
Wegdrehen einer kreisförmigen Rändelmutter gegen das<br />
Brennerrohr reguliert. Die Gaszufuhr verändert man durch<br />
Hinein- bzw. Herausdrehen des Kegelventils mit der seitlichen<br />
Schraube.<br />
Abb. <strong>2.</strong>1<br />
Abb. <strong>2.</strong>2<br />
Abb. <strong>2.</strong>3<br />
23) Es handelt sich hierbei um den ältesten Brennertypen, der von R. Bunsen (1811-1899)<br />
entwickelt und 1855 erstmalig hergestellt wurde.
<strong>2.</strong>1.<strong>2.</strong>3. Bedienung der Gasbrenner<br />
Anzünden:<br />
- Luftzufuhr völlig schließen (sonst wird die Flamme ausgeblasen)<br />
- Gaszufuhr nur etwas öffnen (sonst sehr große, gelbe, züngelnde Flamme)<br />
- Gas entzünden<br />
- Luft- und Gaszufuhr nach Bedarf öffnen.<br />
Löschen:<br />
- Luftzufuhr schließen<br />
- Gaszufuhr schließen<br />
- Gashahn schließen<br />
Regulieren der Flammengröße:<br />
- Nach dem Entzünden des Gases Luftzufuhr nur etwas öffnen<br />
- Gaszufuhr vergrößern bzw. verkleinern<br />
- Luftzufuhr nachregulieren.<br />
Regulieren der Flammentemperatur:<br />
Je nach dem Verhältnis des Gas-Luft-Gemisches unterscheidet man zwei<br />
Flammentypen.<br />
- Die leuchtende Flamme<br />
Bei völlig abgedrosselter Luftzufuhr verbrennt ein Teil des Gases nur<br />
unvollständig zu Kohlenstoff. Die kleinen festen Kohlenstoffpartikel (Ruß)<br />
glühen auf und bringen die Flamme zum Leuchten (leuchtende Flamme).<br />
Aufgrund der unvollständigen Verbrennung ist diese Flamme nicht sehr heiß.<br />
- Die entleuchtete Flamme<br />
Erhöht man dagegen die Luftzufuhr bei gleich bleibendem Gasstrom, verbrennt<br />
das Gas vollständig zu Kohlendioxid und Wasser mit nichtleuchtender<br />
(entleuchteter) Flamme. Sie ist an der durchsichtigen Blaufärbung zu erkennen<br />
und hat eine höhere Temperatur als die leuchtende Flamme.<br />
In der entleuchteten Flamme sind verschiedene Zonen zu erkennen (Abb.<br />
<strong>2.</strong>4. a):<br />
-- ein innerer hellblauer Flammenkegel a b a und<br />
-- ein äußerer durchsichtiger Flammenkegel a c a.<br />
Der innere Flammenkegel gehört neben dem äußeren Rand des<br />
Flammenmantels zu den kälteren Zonen der Flamme, da hier keine Verbrennung<br />
stattfindet. Der Hauptanteil des Gases verbrennt im Inneren des<br />
Flammenmantels. Hier liegt auch die heißeste Zone der Flamme, der sog.<br />
Schmelzraum. In Abb. <strong>2.</strong>4. b sind die ungefähren Temperaturverhältnisse<br />
der entleuchteten Flamme angegeben.<br />
Weiter unterscheidet man:<br />
-- Oxidations- und<br />
-- Reduktionsräume<br />
In den Oxidationsräumen herrscht ein Luftüberschuss, der eine oxidierende<br />
Atmosphäre bedingt. Dies ist der Fall in der äußeren Begrenzung des<br />
Flammenmantels und vor allem in der Spitze der Flamme. Im unteren<br />
Reduktionsraum liegt durch Mitreißen des Sauerstoffs mit dem Gasstrom, im<br />
oberen durch vollständige Verbrennung Sauerstoffmangel vor.<br />
Weitere Angaben zur Lage der Oxidations- und Reduktionsräume siehe z. B.<br />
Jander-Blasius, a.a.O.<br />
- Leuchtende Flamme<br />
Infolge der Flammenfärbung kann man hier die Zonen nicht so klar erkennen.<br />
Auch die leuchtende Flamme besteht aus einem inneren sehr kalten<br />
Kegel und einem etwas wärmeren Mantel. Insgesamt ist sie doch wesentlich<br />
kälter als die entleuchtete Flamme. In Abb. <strong>2.</strong>4. d sind die ungefähren<br />
Temperaturverhältnisse der leuchtenden Flamme angegeben.<br />
<strong>2.</strong>1.<strong>2.</strong>4. Temperaturverhältnisse und Reaktionsbereiche<br />
- Entleuchtete Flamme<br />
Abb. <strong>2.</strong>4.a Abb.<strong>2.</strong>4.b Abb.<strong>2.</strong>4.c Abb.<strong>2.</strong>4.
<strong>2.</strong>1.<strong>2.</strong>5. Verwendung der Flammentypen und –zonen<br />
Je nach dem Zweck des Erwärmens werden die entsprechenden Flammentypen<br />
eingestellt, wobei man hauptsächlich die unterschiedlichen Temperaturen ausnutzt.<br />
Das Glühen und Schmelzen erfordert die entleuchtete Flamme, die<br />
leuchtende Flamme dient zum vorsichtigen Erwärmen sowie häufig zum Einleiten<br />
einer Reaktion. Um die vollständige Umsetzung zu erreichen, geht man dann<br />
meist zur entleuchteten Flamme über (z. B. Thermolyse). Daneben wird die<br />
entleuchtete Flamme auch eingesetzt, wenn z. B. Etwas unter Sauerstoffmangel<br />
erhitzt werden soll (Verkohlen eines Filterpapiers). Zum Herstellen von Reduktions-<br />
und Oxidationsperlen 24) dienen die entsprechenden Reaktionsräume der<br />
entleuchteten Flamme.<br />
Um zu starke Temperaturwechsel zu vermeiden, sollte bei Verwendung der<br />
entleuchteten Flamme die Substanz in der leuchtenden Flamme zuerst aufgeheizt<br />
bzw. anschließend abgekühlt werden.<br />
Nach Möglichkeit ist ein direktes Erhitzen mit der Flamme zu vermeiden, da<br />
immer die Gefahr der punktuellen Überhitzung besteht. Falls möglich sollte ein<br />
Asbestdrahtnetz unter das Reaktionsgefäß gelegt werden.<br />
<strong>2.</strong>1.<strong>2.</strong>6. Der durchgeschlagene Brenner<br />
Ist die Luftzufuhr im Verhältnis zur Gaszufuhr zu groß, d. h. bekommt die<br />
Flamme nicht genug Gas als Nahrung, so „wandert“ die Flamme dem Gas entgegen<br />
und brennt im Inneren des Rohres an der Gasaustrittsdüse weiter. Der<br />
Brenner ist durchgeschlagen. Dann:<br />
- Vorsicht, das Brennerrohr ist sehr heiß<br />
- Gashahn zudrehen<br />
- Nach dem Abkühlen des Brenners Luft- und Gaszufuhr schließen<br />
- Gaszufuhr etwas öffnen und Brenner neu entzünden<br />
- Luftzufuhr nachregulieren.<br />
24) Reduktions- (Oxidations-)perlen dienen als Vorproben für die qualitative Analyse. Sie<br />
werden an einem erhitzten Magnesiumstäbchen durchgeführt. Anhand der<br />
charakteristischen Färbung der Perle können die Kationen identifiziert warden. (Näheres s.<br />
Jander-Blasius, a.a. O.)<br />
<strong>2.</strong>1.<strong>2.</strong>7. Der Gebläsebrenner ( bis ca. 2000° C)<br />
Noch höhere Temperaturen (bis zu ca. 2000° C) kann man erreichen, wenn man<br />
den Brenner anstatt mit Luft mit reinem Sauerstoff oder Pressluft beschickt.<br />
Hierfür wurde der Gebläsebrenner entwickelt (Abb. <strong>2.</strong>5.). Er besteht aus zwei<br />
ineinander geschobenen Rohren, von<br />
denen das äußere zur Gas- und das innere<br />
zur Luft- bzw. Sauerstoffaufnahme<br />
dient. Gas- und Luft- bzw. Sauerstoffzufuhr<br />
sind durch Hähne zu regulieren.<br />
Abb. <strong>2.</strong>5.<br />
Handhabung des Gebläsebrenners (mit O 2-Bombe)<br />
Bei geschlossener Gas- und Luft- bzw. Sauerstoffzufuhr wird das Gas- und ggf.<br />
die Sauerstoffbombe angeschlossen. Die Flamme wird bei zunächst noch geschlossener<br />
Luft bzw. Sauerstoffzufuhr (sowohl am Gebläse als auch an der<br />
Sauerstoffbombe) entzündet. Durch Regulieren der Gas- und Luft- bzw. Sauerstoffzufuhr<br />
wird das gewünschte Verhältnis des Gas- Luft (oder Sauerstoff)-<br />
Gemisches eingestellt. Beim Löschen der Flamme werden zunächst die Luftbzw.<br />
Sauerstoffzufuhr und dann die Gaszufuhr geschlossen. Genauere Angaben<br />
zur Handhabung von Druckgasflaschen finden Sie in Kap. 4.5.1.1.<br />
<strong>2.</strong>1.<strong>2.</strong>8. Vor- und Nachteile des Erhitzens mit direkter Flamme<br />
Das Erhitzen mit dem Gasbrenner ist im Labor sehr verbreitet, da es eine Reihe<br />
von Vorteilen hat, wie z. B.:<br />
- schnelles Erwärmen<br />
- gezieltes Erwärmen<br />
- schneller Übergang von mittleren zu hohen Temperaturen möglich<br />
- punktuelles Erwärmen möglich<br />
- Erwärmen unter Sauerstoffüberschuss bzw. Sauerstoffmangel möglich.<br />
Doch daneben birgt es auch eine Reihe von Nachteilen, wie z. B.<br />
- zu starke punktuelle Erhitzung (Überhitzungsgefahr)<br />
- keine konstante Temperatur einstellbar<br />
- keine gleichmäßige Erwärmung möglich (da unterschiedliche Temperaturzonen)
- Entzündungsgefahr bei brennbaren Stoffen<br />
- Temperaturen reichen oft nicht aus<br />
- stark rußende Flamme.<br />
Überall dort, wo die Nachteile überwiegen, zieht der Chemiker andere Erwärmungsmöglichkeiten<br />
vor.<br />
<strong>2.</strong>1.3. Wärmebäder (10° - 250° C)<br />
Zum gleichmäßigen, aber schonenden Erwärmen (z. B. zum Ausfällen, Eindämpfen<br />
oder einfach zum konstanten Warmhalten sind Wärmebäder sehr gut<br />
geeignet. Als Wärmeüberträger werden hauptsächlich Flüssigkeiten, Dampf und<br />
Luft verwendet, gelegentlich nimmt man aber auch Sand oder Metall.<br />
<strong>2.</strong>1.3.1. Wärmebäder aus Flüssigkeiten<br />
Handhabung<br />
Die Flüssigkeit sollte mit einer thermostatisch geregelten Heizplatte auf konstante<br />
Temperatur erhitzt werden. Zur Temperaturkontrolle kann zusätzlich ein<br />
Thermometer in das Bad gestellt werden. Durch Rühren erreicht man eine<br />
gleichmäßige Verteilung der Wärme 25) .<br />
Bei großen Apparaturen, in denen Reaktionsgefäße geklammert sind, sollte das<br />
Wärmebad nach unten entfernt werden können, ohne den Aufbau zu stören.<br />
Wahl der Flüssigkeit<br />
Kriterien für die Wahl der geeigneten Flüssigkeit sind:<br />
- erforderliche Temp. ( Tab. <strong>2.</strong>11.) 26)<br />
- hohe spezifische Wärmeleitfähigkeit<br />
- niedrige Viskosität<br />
- niedriger Dampfdruck<br />
- hoher Entzündungspunkt<br />
- leichte und ungefährliche Handhabung ( Tab. <strong>2.</strong>1.); giftige und aggressive<br />
Stoffe sind von vorneherein auszuschließen).<br />
Wahl des Flüssigkeitsbehälters<br />
25) Es bietet sich eine Heizplatte in Verbindung mit einem Magnetrührer an.<br />
26) Dabei ist der Temperaturverlust durch Wärmeübertragung zu berücksichtigen.<br />
Die Wahl des Flüssigkeitsbehälters richtet sich nach Art und Temperatur der<br />
verwendeten Flüssigkeit (z. B. Bechergläser für Wasserbäder, Aluminium-Töpfe<br />
für Ölbäder). Ausführliche Angaben zu Flüssigkeitswärmebäder siehe z. B. Lux,<br />
H., a.a.O. Organikum, a.a.O. oder Anorganikum, a.a.O.<br />
Mögliche Flüssigkeitsbäder (nach Organikum, a.a.O.)<br />
Bezeichnung Verwendungsbereich Gefahren u. Anmerkungen<br />
Wasserbad<br />
0° - 80° C<br />
Nur bis 80° C aufheizen,<br />
denn bei höheren Temperaturen<br />
zu starke Verdampfung<br />
(Wichtig: Bei<br />
elektrischen Geräten kann<br />
das Kondensations-wasser<br />
zu Unfällen führen!)<br />
Entflammungspunkt bei<br />
300° C<br />
– bei höheren Temperaturen<br />
Paraffinbad<br />
20° - 200° C<br />
müssen beide<br />
Flüssigkeiten unter<br />
dem Abzug verwendet<br />
werden, da starke<br />
Rauchbildung<br />
Ölbad (Mineralöl) 20° - 250° C – Beim Eintropfen von<br />
Wasser Verspritzungsgefahr!<br />
– schwer regulierbar.<br />
Glykolbad<br />
20° - 180° C<br />
– Hier besteht keine<br />
Verspritzungsgefahr,<br />
da Glykol wasserlöslich<br />
ist<br />
– Aber sehr starke<br />
Rauchbildung bei hö-
heren Temperaturen<br />
– Sehr teuer<br />
Metallbad 60° - 750° C (je nach Fp.)<br />
– Großes Gewicht<br />
Tab. <strong>2.</strong>1.<br />
<strong>2.</strong>1.3.<strong>2.</strong> Das Luftbad<br />
Bei einigen Arbeitsoperationen muss man nicht nur schonend und gleichmäßig,<br />
sondern auch unter Feuchtigkeitsabschluss erhitzen, wozu sich das Luftbad<br />
besonders eignet. Das Prinzip des Luftbades besteht darin, dass zwischen<br />
Wärmequelle und zu erwärmendem Gut ein Luftpolster als Wärmeübertrager<br />
dient. Ein sehr vereinfachtes Luftbad zum Erhitzen eines Kolbeninhaltes besteht<br />
aus einem Dreifuß, einem Asbestdrahtnetz und einem etwas höher eingespannten<br />
Kolben (Abb. <strong>2.</strong>6 a). Zwischen Kolben und Asbestdrahtnetz entsteht<br />
ein Luftpolster.<br />
Abb. <strong>2.</strong>6. b zeigt eine weitere Art des Luftbades, das im Prinzip genau wie oben<br />
aufgebaut ist. Es wird z. B. zum Trocknen einer Substanz, die sich in einem<br />
Tiegel befindet, verwendet. Hierzu biegt man die Drahtenden eines Tondreieckes<br />
so um, dass ein kleiner Dreifuß entsteht. In diesen hängt man den Tiegel<br />
und stellt beides in eine Porzellanschale.<br />
Auf keinen Fall dürfen bei Verwendung von Sandbädern Glasgeräte benutzt<br />
werden, da Sand Kratzer hinterlassen kann, die beim späteren Evakuieren des<br />
Kolbens zu Implosionen führen können.<br />
<strong>2.</strong>1.3.4. Vor- und Nachteile von Wärmebädern<br />
Zu den Vorteilen zählen:<br />
- gleichmäßiges und schonendes Erwärmen<br />
- Temperaturkonstanz über einen engeren Zeitraum<br />
- geringere Entzündungsgefahr der zu erwärmenden Substanz<br />
Die einzelnen Flüssigkeiten weisen allerdings mehr oder weniger folgende<br />
Nachteile auf:<br />
- schwere Regulierbarkeit<br />
- lange Aufheizzeit<br />
- hoher Dampfdruck<br />
- Gefahr des Verspritzens bei Ölbädern<br />
- leichte Entflammbarkeit<br />
- starke Rauchbildung<br />
- mühevolles Säubern<br />
Abb. <strong>2.</strong>6. a<br />
Abb. <strong>2.</strong>6. b<br />
<strong>2.</strong>1.3.3. Das Sandbad<br />
Eine weitere Alternative von Wärmebädern stellt das Sandbad dar, das allerdings,<br />
da es nicht leicht zu regulieren ist, oft durch andere Bäder ersetzt wird.<br />
<strong>2.</strong>1.4. Elektrische Heizgeräte<br />
Neben des Gasbrennern und Wärmebädern benutzt man auch sehr häufig elektrische<br />
Heizgeräte.<br />
<strong>2.</strong>1.4.1. Elektrische Öfen (1000°- 2800° C)<br />
Sie werden hauptsächlich zum Erreichen höherer Temperaturen eingesetzt. Die<br />
meist röhrenförmig gebauten Öfen bestehen aus einem mit feuerfestem Material<br />
ausgekleideten Arbeitsraum, in das ein Widerstandsdraht (Heizleiter) eingelassen<br />
ist. Einige Ofentypen sind:<br />
Kammerofen bis 1400° C<br />
Muffelofen bis 1000° C<br />
Tiegelofen bis 1300° C<br />
Rohrofen bis 1700° C<br />
Wolframofen bis 2800° C
<strong>2.</strong>1.4.<strong>2.</strong> Trockenschränke (40°- 200° C)<br />
Trockenschränke verwendet man zum Trocknen von Substanzen und gereinigten<br />
Geräten. Brennbare Substanzen können sich leicht an den heißen Innenwänden<br />
entzünden.<br />
<strong>2.</strong>1.4.3. Heizplatten (bis ca. 400° C)<br />
Diese sind besonders in Verbindung mit einer Rührvorrichtung (Magnetrührer)<br />
zur konstanten und gleichmäßigen Erwärmung geeignet.<br />
<strong>2.</strong>1.4.4. Tauchsieder<br />
Sie sind hauptsächlich zum schnellen Erwärmen von Wasser.<br />
<strong>2.</strong>1.4.5. Fön<br />
Dieser eignet sich zum schnellen, aber vorsichtigen Auftauen oder zum Geschmeidigmachen<br />
von Schlauchverbindungen.<br />
<strong>2.</strong>1.4.6. Heizpilze und –schnüre (bis ca. 900° C)<br />
Mit den aus Glasfasergespinsten aufgebauten Heizpilzen und –schnüren erreicht<br />
man eine gleichmäßige Erwärmung von Apparaturteilen (z. B. Reaktionskolben).<br />
<strong>2.</strong>1.4.7. Vor- und Nachteile von elektrischen Heizgeräten<br />
Vorteile sind:<br />
- gute Regulierbarkeit<br />
- gute Temperaturkonstanz<br />
- Arbeiten in einer bestimmten Atmosphäre (Schutzgas im Muffelofen) ist<br />
möglich<br />
- größere Sauberkeit (z. B. kein Rußen der offenen Flamme)<br />
Nachteile sind:<br />
- relativ lange Aufheizzeit (analog lange Abkühlzeit)<br />
- relativ hoher Wärmeverlust<br />
Nähere Angaben zu elektrischen Heizgeräten siehe z. B. Lux, a.a.O., Brauer,<br />
a.a.O.<br />
<strong>2.</strong>2 Abkühlen<br />
<strong>2.</strong><strong>2.</strong>1. Der Zweck des Kühlens<br />
Neben dem Erzeugen von hohen Temperaturen (Erwärmen) ist es gelegentlich<br />
notwendig, dass man kühlt. Das Abkühlen kann dabei folgenden Zwecken dienen:<br />
- Zur Kondensation von Dämpfen (z. B. bei der Destillation oder zum Auffangen<br />
von Gasen in einer Kühlfalle).<br />
- Um die Reaktionsgeschwindigkeit zu drosseln (wenn eine kleine<br />
Reaktionsgeschwindigkeit erforderlich ist).<br />
- Um zu verhindern, dass leicht flüchtige Substanzen zu stark verdunsten.<br />
- Zur Einhaltung einer bestimmten Reaktionstemperatur, wenn diese nötig ist,<br />
um unerwünschte Nebenreaktionen auszuschalten (z. B. Entzündung oder<br />
Zersetzung von Reaktionsprodukten, Bildung anderer Reaktionsprodukte als<br />
erwünscht, Bildung explosiver Gemische, Verpuffungen).<br />
Je nach dem Zweck des Kühlens und der Art zu kühlenden Substanz werden<br />
verschiedene Kühlmittel eingesetzt.<br />
<strong>2.</strong><strong>2.</strong><strong>2.</strong> Die Kühlmittel<br />
- Wasser<br />
Wasser ist das wichtigste strömende Kühlmittel. In jedem Labor existiert eine<br />
Einrichtung für Kühlwasser. Seine Temperatur beträgt ca. 12° C 27) . (Wegen<br />
seiner Verfügbarkeit, und da es für die meisten Kühlzwecke ausreicht, ist es<br />
das billigste und am weitesten verbreitete Kühlmittel in der Technik.)<br />
- Eis<br />
Zum besseren Temperaturaustausch wird das Eis fein zerkleinert und ggf.<br />
mit etwas vorgekühltem Wasser vermischt.<br />
- Eis-Salz-Gemisch<br />
Wird ein Eis-Wasser-Gemisch mit Salz versetzt (z. B. NaCl, MgCl 2 ⋅ 6 H 2O,<br />
CaCl 2 ⋅ 6 H 2O), so sinken die Temperaturen unter den Gefrierpunkt des<br />
Wassers. Die Temperaturerniedrigung beruht darauf, dass zur Auflösung des<br />
Salzes Wärme verbraucht wird.<br />
27)<br />
Wichtig im Zusammenhang mit Temperaturangaben ist, dass die Werte zwar die<br />
Temperatur des Kühlmittels angeben, die Temperatur des zu kühlenden Gutes aber<br />
aufgrund des Wärmeeinflusses der Umgebung immer etwas höher liegt.
- Trockeneis<br />
Wird festes Kohlendioxid, sog. Trockeneis, gut zerkleinert und mit einer organischen<br />
Flüssigkeit (Aceton oder Methanol) gemischt, so lassen sich<br />
Kühlmitteltemperaturen bis zu -78° C erreichen ( Herstellen eines Kältebades<br />
siehe <strong>2.</strong><strong>2.</strong>4.). Die Zerkleinerung dient dem schnelleren Erreichen der<br />
tiefstmöglichen Kühlbadtemperatur. Die Kühlwirkung des Trockeneises wird<br />
durch die Sublimationsthalpie erreicht. Je mehr Trockeneis in das Methanol<br />
eingebracht wird, umso tiefere Temperaturen lassen sich erreichen. Benötigt<br />
man Kühlmittel mit Temperaturen von ca. -40° C bis -90° C, hat aber kein<br />
Trockeneis zur Verfügung, so kann man sich auch Methanol-Stickstoff-<br />
Gemische herstellen. In diesem Falle ist die kühlende Wirkung auf die Verdampfungswärme<br />
von Stickstoff zurückzuführen. Es ist allerdings darauf zu<br />
achten, dass nur soviel flüssiger Stickstoff zum Methanol gegeben wird, dass<br />
die Temperatur von ca. -90° C nicht überschritten wird, da Methanol bei -98°<br />
C fest wird.<br />
- Flüssiger Sauerstoff<br />
Der Siedepunkt des flüssigen Sauerstoffes beträgt -183° C. Nach Möglichkeit<br />
sollte die bläuliche Flüssigkeit nicht zum Kühlen von brennbaren Substanzen<br />
benutzt werden, da sich sonst bei Gefäßbruch explosive Gemische bilden<br />
können. Auf alle Fälle ist der direkte Kontakt zwischen brennbaren Substanzen<br />
und flüssigem Sauerstoff zu vermeiden<br />
- Flüssiger Stickstoff<br />
Wesentlich ungefährlicher ist das Kühlen mit flüssigem Stickstoff, dessen<br />
Siedepunkt bei -196° C liegt. Flüssiger Stickstoff ist farblos. Bei ihm besteht<br />
allerdings immer die Gefahr, dass beim längeren Stehen lassen auf seiner<br />
Oberfläche Sauerstoff auskondensiert. Von daher ist zur Kühlung von brennbaren<br />
Substanzen stets frischer Stickstoff zu verwenden.<br />
- Flüssige Luft<br />
Die beiden Hauptbestandteile der flüssigen Luft sind Stickstoff und Sauerstoff.<br />
Da der Siedepunkt des Stickstoffs um ca. 13° C tiefer liegt, verdampft<br />
zunächst der Stickstoff, und die flüssige Luft wird immer reicher an<br />
Sauerstoff. Daher wird die im frischen Zustand nahezu farblose flüssige Luft<br />
allmählich bläulich, und der Siedepunkt der Luft verschiebt sich von -196° C<br />
(Siedepunkt des Stickstoffs) nach maximal -183° C (Siedepunkt des<br />
Sauerstoffs). Infolge dieser Sauerstoffanreicherung darf flüssige Luft<br />
ebenfalls nicht zur Kühlung von brennbaren Substanzen benutzt werden.<br />
Tabelle der gebräuchlichsten Kühlmittel und ihrer Temperaturen siehe z. B.<br />
Jander-Blasius, a.a.O., Brauer, a.a.O., Umland, a.a.O.<br />
<strong>2.</strong><strong>2.</strong>3. Gefäße für die Kühlmittel<br />
Alle Kühlmittel (auch flüssige Luft, Sauerstoff, Stickstoff) können in Bechergläser<br />
gegeben werden, ohne dass diese zerspringen. Der Nachteil ist, dass sich<br />
sofort eine Eiskruste bildet und keinerlei Wärmeisolierung besteht. Aus diesem<br />
Grund verwendet man meistens spezielle Gefäße wie:<br />
- Styroporbecher<br />
Styroporbecher sind zwar relativ preiswert (oft reicht die Verpackung von<br />
Chemikalienflaschen); für flüssige Luft, flüssigen Sauerstoff und nicht ganz<br />
frischen flüssigen Stickstoff sind sie allerdings ungeeignet (Styropor ist<br />
brennbar).<br />
- Doppelmantelgefäße<br />
28)<br />
Diese Gefäße besitzen Doppelwände aus Glas. der Raum zwischen den<br />
Wandungen ist entweder mit Glaswolle oder Styropor isoliert, oder aber, was<br />
meistens der Fall ist, auf einen Druck von ca. 10 -18 bar evakuiert. Die<br />
evakuierten Gefäße sind zur Herabsetzung der Wärmebestrahlung innen<br />
verspiegelt. Die Doppelmantelgefäße mit Vakuum als Isolierschicht, auch<br />
Dewar-Gefäße genannt, sind aufgrund ihrer Bauweise implosionsgefährdet.<br />
Deshalb sind folgende Maßnahmen zu treffen:<br />
-- Auf jeden Fall Schutzbrille tragen beim Umgang mit Dewars!<br />
-- Dewarsgefäße ohne Metallmantel müssen zum Schutz vor Glassplittern<br />
bei Implosion mit PVC-Lack bestrichen oder mit Hansaplast umwickelt<br />
werden.<br />
-- Dewars sollten nur im trockenen Zustand gefüllt werden, da es sonst zur<br />
Aufhebung des Leidenfrostschen Phänomens 28) kommt, und das sich<br />
bildende Eis zur Implosion führen kann.<br />
Leidenfrostsches Phänomen: Zwischen Kühlmittel und den Wandungen des<br />
Isoliergefäßes bildet sich eine schützende Gasschicht aus, da das Kühlmittel an den<br />
zunächst wärmeren Wandungen sofort verdampft.
Um eine gute Wärmeübertragung zu erzielen, muss das zu kühlende Gefäß<br />
vollen Kontakt mit dem Kühlmittel haben, daher immer Gefäße passender<br />
Größe wählen.<br />
- Kühler<br />
Die bislang erwähnten Gefäße eignen sich alle nur zum Kühlen mit einem<br />
ruhenden Kühlmittel. Soll allerdings, wie z. B. bei der Destillation, mit einer<br />
strömenden Kühlflüssigkeit gearbeitet werden, so verwendet man so genannte<br />
Kühler, von denen der Liebig-Kühler der wichtigste Vertreter ist (Abb.<br />
<strong>2.</strong>7.) Er besteht aus einem langen Glasrohr, in das<br />
die zu kühlende Substanz geleitet wird. Das Rohr<br />
wird von einem Kühlmantel umgeben, durch den<br />
das Kühlmittel (meist Wasser) strömt. Zur<br />
besseren Kühlung lässt man das Kühlwasser<br />
entgegen dem Gasstrom laufen. (Gegenstromprinzip).<br />
Weitere Kühlertypen sind im<br />
Organikum, a.a.O. beschrieben. Abb. <strong>2.</strong>7.<br />
<strong>2.</strong><strong>2.</strong>4. Herstellen eines Kältebades aus Methanol und Trockeneis<br />
Festes Kohlendioxid ist im Handel in größeren Blöcken zu beziehen. Zum<br />
Gebrauch für die Kältemischung wickelt man es in ein Leinentuch und zerschlägt<br />
es mit einem Hammer. Nachdem man das Dewargefäß etwa zu einem Viertel<br />
mit Aceton (Methanol) gefüllt hat, gibt man zunächst wenige, kleine Stücke Trockeneis<br />
hinein (Vorsicht, das Lösungsmittel braust zunächst durch CO 2-<br />
Entwicklung heftig auf. Daher unbedingt eine Schutzbrille tragen!). Erst, wenn<br />
selbst nach längerem Umrühren die Flüssigkeit nicht mehr so stark schäumt,<br />
gibt man mehr Trockeneis hinzu. Hierbei ist darauf zu achten, dass sich das<br />
Trockeneis nicht am Boden fest zusammenlagert, und so das spätere Einsetzen<br />
des Gefäßes erschwert. Je nach der Menge des zugesetzten Kohlendioxides<br />
kann man Temperaturen bis zu ca. -78° C erreichen. Beim Einbau des<br />
Kältebades in eine Apparatur ist darauf zu achten, dass man die Kühlung<br />
jederzeit nach unten entfernen kann, ohne den Apparaturaufbau zu stören.<br />
<strong>2.</strong><strong>2.</strong>5. Kriterien für die Wahl des geeigneten Kühlmittels<br />
Die Wahl des geeigneten Kühlmittels richtet sich hauptsächlich nach den<br />
physikalischen und chemischen Eigenschaften der zu kühlenden Substanz.<br />
- Je nach dem Zweck der Kühlung (Kondensation als Flüssigkeit oder<br />
Festkörper, Verhinderung unerwünschter Nebenreaktionen) muss das<br />
Kühlmittel die entscheidende Temperatur bzw. das Temperatur-Intervall<br />
unterschreiten. Die Größe der Differenz, mit der diese Temperatur<br />
unterschritten werden muss, richtet sich<br />
-- nach dem Zweck der Kühlung und/oder<br />
-- nach der Art der Kühlung.<br />
Soll beispielsweise eine unerwünschte Reaktion vermieden werden (z. B.<br />
Entzündung einer Substanz), so reichen häufig schon einige Grad Differenz<br />
aus. Will man dagegen ein Gas kondensieren, so bedarf es schon einer<br />
größeren Differenz (ca. 20-30 Grad). Diese Differenz hängt auch davon ab,<br />
ob sowohl Kühlmittel als auch zu kühlendes Gut ruhen oder eine oder beide<br />
strömen. So benötigt man z. B. zur Kondensation eines strömenden Gases<br />
eine größere Temperaturdifferenz als bei einem stehendem.<br />
- Bei Berücksichtigung der chemischen Eigenschaften von Kühlmittel und zu<br />
kühlender Substanz ist zu beachten, dass weder das Material des<br />
Kühlmittelgefäßes noch bei Bruch die zu kühlende Substanz mit dem<br />
Kühlmittel gefährlich reagieren kann (z. B. dürfen flüssige Luft und flüssiger<br />
Sauerstoff nicht zur Kühlung von brennbaren Stoffen verwandt und nicht in<br />
Styroporbehälter gefüllt werden).