2.5: Degasaggio di liquidi con ciclo freeze-pump-thaw

1. In primo luogo, posizionare il solvente o la soluzione desiderata in un matraccio Schlenk e chiudere il rubinetto (Figura 2a). Sigillare tutte le altre aperture sul pallone Schlenk. Attenzione: non utilizzare più del 50% del volume del pallone e ispezionare il pallone per verificare la disponibilità di crepe o fratture.  Un pallone troppo pieno o rotto può frantumarsi durante il processo.
2. Collegare il pallone a una linea Schlenk e tenere chiusa la valvola corrispondente sulla linea Schlenk. Congelare completamente il liquido immergendo il pallone in un Dewar contenente azoto liquido o un liquame di ghiaccio secco. (Figura 2b). Attenzione: prima del congelamento, lavare il pallone Schlenk con azoto gassoso per assicurarsi che l'ambiente sia completamente privo di ossigeno.
3. Quando il solvente è congelato, aprire il rubinetto sul pallone Schlenk e la valvola sulla linea Schlenk per aspirare (Figura 2c). Tenere il pallone sotto vuoto e all'interno del bagno di raffreddamento per circa 10 minuti.  Sigillare il pallone chiudendo il rubinetto (Figura 2d).
4. Scongelare il solvente fino a quando non si scioglie usando un bagno di acqua calda. Durante questa procedura le bolle di gas si evolvono visibilmente dal solvente (Figure 2e, 2f). Lasciare che il solvente congelato si scongeli da solo lentamente e non disturbare il liquido.
5. Una volta scongelato il solvente, sostituire il bagno di acqua calda con il bagno di raffreddamento e ricongelare il solvente.
6. Ripetere i passaggi da 3 a 5 fino a quando non si vede più l'evoluzione del gas mentre la soluzione si scongela (Figura 2g). Si raccomanda un minimo di tre cicli per ridurre al minimo la percentuale di gas disciolto presente.
7. Dopo il completamento di tre cicli, il matraccio Schlenk deve essere sigillato sotto azoto prima dell'uso (Figura 2h). Aprire la valvola del gas azoto sulla linea Schlenk e aprire il rubinetto del pallone per esporre il solvente a un'atmosfera di azoto. Una volta riempito il pallone Schlenk con azoto, chiudere infine la valvola al pallone.
8. Il solvente è ora degassato e pronto per l'uso.

Figura 2. Foto dettagliate delle fasi di disgelo della pompa libera:(a) fase 1, posizionare il solvente nel pallone; b) fase 2, congelare il solvente in ghiaccio secco (o in alternativa con azoto liquido); c) fase 3, introdurre il vuoto; d) punto 4, sigillare il matraccio sotto vuoto; e), f), fase 5, scongelare il solvente e osservare l'evoluzione delle bolle di gas; g) fase 7 ripetere il processo di congelamento del disgelo (si raccomandano tre cicli); h) fase 8, sigillare il solvente sotto azoto.

Il degassamento dei liquidi è indispensabile per molte tecniche di sintesi chimica in chimica organica. Il degasaggio si riferisce al processo mediante il quale i gas disciolti vengono rimossi da un liquido. Il degasaggio è importante nei casi in cui le specie chimiche sono suscettibili a reazioni indesiderate con l'ossigeno. Il ciclo di congelamento-pompa-disgelo è un metodo comune utilizzato per il degasaggio su piccola scala di liquidi. La tecnica viene eseguita a pressione ridotta utilizzando una linea Schlenk o un doppio collettore vuoto/gas inerte. Questo video illustrerà i principi per eseguire il degasaggio di congelamento-pompa-scongelamento in laboratorio.

Il degasaggio di congelamento-pompa-disgelo sfrutta la dipendenza dalla pressione della solubilità del gas in un liquido. Questo è il motivo per cui la soda bolle quando viene aperta, indicativa della legge di Henry. Secondo la legge di Henry, la frazione molare di un gas disciolto in un liquido è direttamente proporzionale alla pressione parziale del gas nella fase vapore sopra il liquido. Pertanto, abbassando la pressione del gas sopra il liquido, la solubilità del gas disciolto diminuisce e viene quindi rilasciata sotto forma di bolle.

Il degasaggio di congelamento-pompa-scongelamento comporta il congelamento preliminare del solvente utilizzando un Dewar di azoto liquido o ghiaccio secco. Viene quindi applicato un vuoto e lo spazio di testa sopra il solvente congelato viene evacuato. Ciò diminuisce la pressione nello spazio di testa sopra il liquido, abbassando così la solubilità del gas disciolto.

Il pallone viene quindi sigillato e il solvente viene scongelato, consentendo il rilascio delle specie gassose disciolte nello spazio di testa. Il liquido viene quindi ricongelato e il processo viene ripetuto tutte le volte che è necessario.

Il degasaggio di congelamento-pompa-disgelo viene tipicamente eseguito con una configurazione di linea Schlenk, in quanto comporta l'applicazione di un vuoto, nonché l'introduzione di gas inerte. Una linea Schlenk è costituita da un collettore a doppio vetro con più porte. Il video di questa collezione sulla linea Schlenk approfondirà la conoscenza di questo apparato. Ora che sono state descritte le basi della tecnica di congelamento-pompa-scongelamento, la procedura sarà dimostrata in laboratorio.

Per prima cosa, procuratevi un pallone di Schlenk pulito e asciutto. Ispezionare il pallone per verificare la presenza di crepe o fratture, che potrebbero causare la frantumazione del pallone durante il processo.

Fissare il pallone di Schlenk con una pinza e aggiungere il solvente o la soluzione desiderata. Non utilizzare più del 50% del volume, poiché alcuni solventi si espandono durante il congelamento, il che potrebbe frantumare il pallone. Chiudere il rubinetto e assicurarsi che tutte le aperture siano sigillate. Collegare il braccio laterale del pallone Schlenk alla linea Schlenk con un pezzo di tubo flessibile e tenere chiusa la valvola corrispondente sulla linea Schlenk. Aprire il rubinetto sul pallone, così come la valvola collegata alla linea del vuoto per evacuare il pallone. Una volta stabilito il vuoto, chiudere la valvola. Aprire la valvola della linea del gas inerte per riempire il pallone. Una volta riempito di gas inerte, chiudere i rubinetti sul pallone e poi sulla linea.

Immergere il pallone in un Dewar contenente azoto liquido per congelare il liquido. Quando il solvente è congelato, aprire il rubinetto del pallone di Schlenk e la valvola della linea di Schlenk per aspirare il vuoto nel pallone. Tenere il pallone sotto vuoto e all'interno dell'azoto liquido Dewar per circa 10 minuti.

Rimuovere il pallone dall'azoto liquido Dewar. Quindi, sigillare chiudendo il rubinetto.

Immergere il matraccio in un bagno d'acqua tiepida per sciogliere completamente il solvente. Durante questa procedura, le bolle di gas si svilupperanno visibilmente dal solvente. Non disturbare il liquido e lasciare che il solvente si scongeli da solo.

Una volta che il solvente si è completamente scongelato, sostituire il bagnomaria caldo con l'azoto liquido Dewar e ricongelare il solvente.

Quando il solvente è congelato, aprire il rubinetto del pallone di Schlenk e della linea di Schlenk per aspirare il vuoto. Dopo 10 minuti, chiudere il rubinetto del pallone e la linea Schlenk, quindi rimuovere l'azoto liquido Dewar. Scongelare nuovamente la soluzione a bagnomaria. Ripetere il processo fino a quando le bolle di gas non si evolvono più dal solvente.

Al termine di questi cicli, sigillare il pallone di Schlenk sotto gas inerte. Per fare ciò, aprire la valvola del gas inerte sulla linea Schlenk, quindi aprire il rubinetto del pallone per esporre il solvente a un'atmosfera inerte.

Quando il pallone di Schlenk è pieno di gas, chiudere il pallone di Schlenk e le valvole di linea di Schlenk. La soluzione è ora degassata e pronta per l'uso.

Le tecniche di degasaggio sono di vitale importanza per le applicazioni in cui la presenza di determinati gas è pericolosa o può contaminare un esperimento.

Il degasaggio di soluzioni per la sintesi organica è un'applicazione chiave di un sistema di linee Schlenk. In questo esperimento, sono stati sintetizzati nanocristalli di seleniuro di cadmio, dove l'ossigeno è dannoso per la reazione. In primo luogo, i precursori molecolari sono stati preparati e riscaldati. La miscela veniva degassata sotto vuoto e quindi il pallone veniva lavato con argon. La reazione è stata poi completata in atmosfera di argon.

L'esperimento di Miller-Urey è uno studio pionieristico incentrato sulle origini della vita. L'esperimento richiede che siano presenti solo i gas in un'atmosfera primordiale. In primo luogo, l'atmosfera primordiale è stata ricreata in una fiaschetta sigillata a fondo rotondo contenente acqua per simulare gli oceani. Era dotato di elettrodi che simulavano i fulmini. Il liquido è stato degassato utilizzando una linea Schlenk, prima di introdurre gas primordiali come ammoniaca e metano.

Il pallone chiuso contenente i gas è stato rimosso dal sistema. Le scintille sono state poi condotte per simulare i fulmini nel brodo primordiale. Sono stati generati un certo numero di amminoacidi e altre piccole molecole organiche.

Il degasaggio può essere effettuato anche utilizzando una camera a vuoto nei casi in cui l'aria ambiente non contamini la soluzione. In questo esempio, i pilastri in polidimetilsilossano sono stati modellati da uno stampo precedentemente preparato. Gli apparati stampati, noti come dispositivi microfluidici, vengono utilizzati per controllare con precisione piccoli volumi di liquido. Per fare ciò, un rapporto di massa di 10:1 tra la base PDMS e l'agente indurente sono stati miscelati vigorosamente. La soluzione è stata poi degassata in una camera a vuoto per rimuovere tutte le bolle. Il polimero degasato è stato quindi versato sullo stampo e polimerizzato in forno. I dispositivi sono stati quindi separati dallo stampo e utilizzati per studiare le proprietà di tensione superficiale dei liquidi.

Hai appena visto l'introduzione di JoVE al degasaggio dei solventi utilizzando la tecnica di congelamento-pompa-scongelamento. Ora dovresti avere una migliore comprensione di come utilizzare questa tecnica in un sistema di linee di Schlenk.

Grazie per l'attenzione!