Oda sıcaklığının altında reaksiyonların yürütülmesi
Kaynak: Dr. Dana Lashley Laboratuvarı - William ve Mary Koleji
Gösteri: Matt Smith
Bir kimyasal reaksiyon sırasında yeni bağlar oluştuğunda, ilgili tü…
Soğutma Banyosu Kurulumu
Genel bir kurulum için, tercih edilen soğutma banyosunu aşağıda açıklandığı gibi hazırlayın ve reaksiyon şişesini banyoya daldırın (Şekil 1). Banyo kabını tamamen doldurmayın, ancak reaksiyon şişesinin daldırılmasına izin verecek kadar yer bırakın.
Not: Reaksiyon neme duyarlıysa, şişeye veya aparatın herhangi bir parçasına reaktifler eklerken çok dikkatli olun (, örneğin bir bırakma hunisi). Cam eşya soğutma banyosuna daldırılırken bir açıklık oluşursa, oda sıcaklığındaki hava hızla içeri akar ve nemi içeri taşır.
Şekil 1. İnert atmosfer altında damla hunili, termometreli üç boyunlu yuvarlak tabanlı bir şişede bir soğutma banyosu kurulumu için örnek.
1. Buzlu Su Banyosu Yapmak
- Katkı maddesi içeren bir buzlu su banyosu için, tercih ettiğiniz banyo kabına uygun miktarda buz tartın ve ekleyin. Bir Dewar faydalıdır ama gerekli değildir. Kap plastik, kauçuk ( örneğin bir kova) veya cam ( örneğin büyük bir kristalizasyon kabı) olabilir. Bu deney için 1 L'lik bir kaba 500 g buz ekleyin.
- Bir buz banyosuna danışarak uygun miktarda katkı maddesini tartın (Tablo 1) ve katkı maddesini buza ekleyin. Bu deney için tartın ve banyo kabına 165 g (=5x 33 g) NaCl ekleyin.
- Banyo kabına az miktarda deiyonize su ekleyin ve bir karıştırma çubuğu kullanarak iyice karıştırın. Tüm buz kaplanana kadar yeterince su ekleyin.
- İstenen sıcaklığa ulaşıldığından emin olmak için bir termometre ile kontrol edin. Gerekirse katkı maddesi miktarını ayarlayın. Banyo sıcaklığını çok uzun süre korumayacaktır ve yaklaşık 20-30 dakikada bir sık aralıklarla ayarlamalar yapılması gerekir. Bunun için banyodaki suyun bir kısmını pipetle almak ve daha fazla buz ve katkı maddesi eklemek gerekebilir.
| Madde | g/100 g H2O | Son Sıcaklık (°C) |
| Na2CO3 | 20 | -2.0 |
| NH4HAYIR3 | 106 | -4.0 |
| NaC2H3O2 | 85 | -4.7 |
| NH4Cl | 30 | -5.1 |
| NaNO3 | 75 | -5.3 |
| Na2S2O3 ● 5H2O | 110 | -8.0 |
| CaCl2 ● 6H2O | 41 | -9.0 |
| KCl | 30 | -10.9 |
| KI | 140 | -11.7 |
| NH4HAYIR3 | 60 | -13.6 |
| NH4Cl | 25 | -15.4 |
| NH4HAYIR3 | 45 | -16.8 |
| NH4SCN | 133 | -18.0 |
| NaCl | 33 | -21.3 |
| CaCl2 ● 6H2O | 81 | -21.5 |
| H2SO4 (66.2%) | 23 | -25 |
| NaBr | 6 | -28 |
| H2SO4 (66.2%) | 40 | -30 |
| C2H5OH (4°) | 105 | -30 |
| MgCl2 | 85 | -34 |
| H2SO4 (66.2%) | 91 | -37 |
| CaCl2 ● 6H2O | 123 | -40.3 |
| CaCl2 ● 6H2O | 143 | -55 |
Tablo 1. Tuzların belirlenen sıcaklıklarda ve belirtilen miktarlarda su veya buz ile karıştırılması ile elde edilen tuz/buz soğutma karışımlarıdır. 1
2. Kuru buz banyosu yapmak
- Kriyojenik koruma eldivenleri ve koruyucu gözlükler takın. Kuru buzu tutarken bunu her zaman uygulayın ve cildi hızla yakabileceği ve donmalara neden olabileceği için asla çıplak elle dokunmayın.
- Yaklaşık 1 L hacimli bir banyo kabı için, bir kuru buz bloğunun yaklaşık 1 / 3'ünü alın (genellikle ~ 2 lb bloklar halinde bulunur) ve birkaç küçük parçaya bölün.
- Kuru buz parçalarını banyo kabına ekleyin.
- Organik çözücüyü ( örneğin aseton) bir cam çubukla karıştırarak kuru buza yavaşça ekleyin. CO2 gaz gelişiminin bir sonucu olarak kuvvetli bir köpürme olur.
- Yavaş yavaş çözücü eklemeye devam edin ve homojen bir bulamaç oluşana ve kuru buzun çoğu çözülene kadar karıştırın. Bu, reaksiyon şişesine ısı transferinin mümkün olduğunca homojen olmasını sağlamak içindir.
- İstenen sıcaklığa ulaşıldığından emin olmak için banyoya bir soğuk sıcaklık termometresi yerleştirin.
- Kuru buz banyosunu düzenli aralıklarla kontrol edin ve banyo sıcaklığında bir artış fark edildiğinde daha fazla kuru buz parçası ekleyin. Aralık süresi yalıtım derecesine bağlıdır, ancak genellikle her 45-60 dakikada birdir.
3. Sıvı Nitrojen Banyosu Yapmak
- Kriyojenik koruma eldivenleri ve koruyucu gözlükler takın. Cilt dokularını ve göz sıvılarını hızla yakarak donmalara veya kalıcı göz hasarına neden olabileceğinden, sıvı nitrojenle çalışırken bunu her zaman uygulayın.
- Katkı maddesi içermeyen bir banyo için, -196 °C'lik bir sıcaklık elde etmek için bir Dewar'a uygun miktarda N2 ekleyin. İstenen sıcaklık buysa, adım 3.3'e geçin.
- Katkı maddeleri içeren bir banyo için, önce Dewar'a tercih edilen organik bir çözücü ekleyin (doğru sıcaklık için doğru çözücüyü bulmak için Tablo 3'e bakın), ardından çözücüye yavaşça sıvı N2 ekleyin.
- İstenen sıcaklığa ulaşıldığından emin olmak için banyoya bir soğuk sıcaklık termometresi yerleştirin. Diğer banyoların aksine, bir Dewar'ın içindeki sıvı N2 banyosu sıcaklığını saatlerce korur.
- Daha fazla N2 gerekip gerekmediğini görmek için banyoyu uygun aralıklarla (birkaç saat) kontrol edin.
Güvenlik veya istenen ürünü elde etmek için bazı kimyasal reaksiyonların oda sıcaklığının altında yapılması gerekir.
Bir soğutma banyosu, bir sistemin reaksiyon süresince belirli bir sıcaklık aralığında tutulmasına izin verir. Bu, reaksiyon şişesinin banyoya yerleştirilmesi, reaktiflerle doğrudan temas etmeden reaksiyonun soğutulmasıyla elde edilir.
Banyo tipik olarak, istenen sıcaklığa ulaşmak için gerekli kriyojenik bileşenleri içeren bir Dewar şişesi gibi iyi yalıtılmış bir kaptır. Bunun gibi basit kurulumlarda, sıcaklık sabit değildir ve banyo prosedür boyunca izlenmeli ve ayarlanmalıdır.
Bu video, oda sıcaklığının altındaki reaksiyonları gerçekleştirmek için düzenli olarak kullanılan farklı soğutma banyolarını keşfedecektir.
Kimyasal bir reaksiyon sırasında, yeni bağların oluşması için ilgili türlerin çarpışması gerekir. Sıcaklığın yükseltilmesi sistemin iç enerjisini arttırır ve bu türlerin daha hızlı hareket etmesine neden olur, bu da daha sık çarpışacakları anlamına gelir. Sonuç olarak, reaksiyonlar daha yüksek sıcaklıklarda daha hızlı ilerler.
Bununla birlikte, bazı durumlarda, reaksiyon hızının düşmesine rağmen, reaksiyonların düşük sıcaklıklarda gerçekleştirilmesi arzu edilir. Örneğin, bazı reaksiyonlar çok kuvvetlidir ve dökülmeyi ve basınç oluşumunu önlemek için soğutulmalıdır. Yüksek derecede ekzotermik reaksiyonlar da hızlı bir şekilde kaynayabilir ve soğutulmazsa dışarı fışkırarak bir güvenlik tehlikesi oluşturabilir.
Soğutma, ekonomik bir fayda sağlamak için kullanılabilir. Örneğin, bir çözücünün kaynamasını veya bir reaktifin ayrışmasını önlemek hem zamandan hem de kaynaklardan tasarruf sağlar.
Soğutma, rekabet eden yollara sahip bir reaksiyon tarafından hangi ürünün elde edildiğini kontrol etmek için de sıklıkla kullanılır. Bu reaksiyonlarda, daha düşük aktivasyon enerjisine sahip yol daha düşük sıcaklıklarda üretilirken, daha yüksek aktivasyon enerjisine sahip yol daha yüksek sıcaklıklarda tercih edilir.
Artık reaksiyonları oda sıcaklığının altında çalıştırmanın önemini anladığınıza göre, çeşitli soğutma banyolarının nasıl hazırlanacağına bir göz atalım.
Buzlu su banyolarının kurulumu kolaydır ve her öğretim kimya laboratuvarında mevcuttur. Buzlu suyun kendisinin sıcaklığı 0 ? C, belirli tuzların eklenmesiyle bir erime noktası çöküntüsü elde edilebilir.
Bu, buzlu su banyolarının -40 °C sıcaklığa ulaşmasını sağlar. Nihai sıcaklık, tuz katkı maddesinin konsantrasyonu artırılarak veya azaltılarak ayarlanabilir.
Bir buzlu su banyosu kurmak için, metin protokolünde bulunan buz banyosu tablosunda belirtildiği gibi uygun miktarlarda buz ve tuz katkı maddesini tartarak başlayın.
Sonra, tuzu buza ekleyin. Kabın içine az miktarda deiyonize su dökün. Bir karıştırma çubuğu kullanarak banyoyu iyice karıştırın.
Artık banyo kurulduğuna göre, istenen sıcaklığa ulaşıldığından emin olmak için bir termometre ile kontrol edin. Yoksa, gerektiği kadar daha fazla tuz ekleyin. Doğru sıcaklığa ulaşıldığında, reaksiyon kabını buz banyosuna yerleştirin.
Buzlu su banyoları sıcaklıklarını uzun süre korumaz ve her 20-30 dakikada bir ayarlanması gerekir. Hedef sıcaklığı korumak için sıvı suyu çıkarmak ve daha fazla buz ve tuz eklemek gerekebilir.
-78 ° C'ye kadar olan sıcaklıklar için ? C, kuru buz banyoları kullanılır. Kuru buz katı karbon dioksittir, bu nedenle ondan bir reaksiyon kabına verimli ısı transferi bir çözücü gerektirir. Çünkü kuru buz -78 ° C'de süblimleşir C, bu sıcaklığa ulaşılacaksa kullanılması gereken donma noktasının altında olan bir çözücü. Daha sıcak kuru buz banyoları oluşturmak için daha yüksek donma noktalarına sahip çözücüler kullanılabilir. Kuru buz banyosu hazırlamak için kriyojenik koruma eldivenleri ve koruyucu gözlükler takarak başlayın. Kuru buzun çıplak tene temas etmesine asla izin vermeyin.
1 için mi? L banyosunda, bir kuru buz bloğunun yaklaşık 1 / 3'ünü elde edin ve kabın içine daha küçük parçalara ayırın.
Daha sonra, bir cam çubukla karıştırırken seçilen organik çözücüyü kuru buza yavaşça ekleyin. Karbondioksit gazı geliştikçe kuvvetli bir köpürme olacaktır.
Yavaşça çözücü eklemeye devam edin ve kuru buzun çoğu çözülene ve homojen bir bulamaç oluşturana kadar karıştırın. Bu, reaksiyon şişesine ısı transferinin mümkün olduğunca homojen olmasını sağlar.
Soğuk sıcaklık termometresi veya termokupl kullanarak banyonun istenen sıcaklığa ulaştığından emin olun, ardından reaksiyon kabını banyoya yerleştirin.
Banyoyu düzenli aralıklarla izleyin ve banyo sıcaklığında bir artış fark edildiğinde kuru buz parçaları ekleyin.
Son olarak, istenen banyo sıcaklığı kuru buzun sağlayabileceğinin altına düştüğünde, sıvı nitrojen kullanılır. Sıvı nitrojenin erime noktası -196 ° C'dir. C ve çözücülere yalnızca daha sıcak banyolar oluştururken ihtiyaç duyulur.
Sıvı nitrojenin son derece düşük sıcaklıkları nedeniyle, bir Dewar kabul edilebilir tek kaptır.
Sıvı nitrojen soğutma banyosu hazırlamak için koruyucu gözlük ve kriyojenik koruma eldivenleri takarak başlayın. Donmalara ve kalıcı göz hasarına neden olabileceğinden sıvı nitrojenle çalışırken dikkatli olun.
Katkı maddeleri içeren bir banyo için, metinde bulunan sıvı nitrojen tablosunda gösterildiği gibi istenen sıcaklık için uygun organik çözücüyü belirleyin. Çözücüyü Dewar'a ekleyin, ardından sıvı nitrojeni yavaşça ekleyin.
İstenen sıcaklığa ulaşıldığından emin olmak için banyoya bir soğuk sıcaklık termometresi veya termokupl yerleştirin. Ardından, reaksiyon kabını banyoya yerleştirin.
Katkı maddesi içermeyen bir banyo için, -196 kadar düşük bir sıcaklık elde etmek için Dewar'a uygun miktarda nitrojen eklemeniz yeterlidir. C.
Ek nitrojen gerekip gerekmediğini görmek için banyoyu düzenli aralıklarla izleyin.
Çeşitli bilimsel araştırmacılar arasında birçok farklı reaksiyon türü, oda sıcaklığının altında çalışmak için soğutma banyoları kullanır.
Mekanik laboratuvar işlemleri, çok ekzotermik reaksiyonlar gibi, istenmeyen ısı da yaratabilir.
Bu örnekte, dökme baryum bakır tetrasilikat hem katı hal hem de eriyik akı sentezi yoluyla hazırlandı. Daha sonra, bu katmanlı malzemeler sonikasyon teknikleri kullanılarak pul pul döküldü.
Sonikasyon, parçacıkları çalkalamak için ses dalgalarını kullanır. Bununla birlikte, yüksek enerjili bir proses olduğu için bir numunede aşırı ısı oluşturabilir.
Bu nedenle, bir saatlik sonikasyon işlemi sırasında numuneyi soğutmak için bir buzlu su banyosu kullanıldı. Bu aşırı ısınmanın önlenmesi, ürün veriminin bütünlüğünü ve tutarlılığını sağlamıştır.
Bu örnekte, diiyodometillityumun diiyodometanın protondan arındırılmasıyla sentezlenmesini sağlamak için bir kuru buz banyosu kullanıldı.
Reaktifler, bir karıştırma çubuğu içeren yuvarlak tabanlı bir şişeye eklendi. Daha sonra yuvarlak tabanlı matara bir Dewar'a yerleştirildi. Dewar'a kuru buz ve aseton eklendi ve ışığa maruz kalmayı en aza indirmek için tüm cihaz kaplandı. Düşük sistem enerjisinin korunması, ürünün stabilitesi için çok önemliydi.
Kuru buz ve sıvı nitrojen banyoları, numuneleri yoğunlaştırmak için sıklıkla soğuk tuzaklar olarak kullanılır. Özellikle, bu soğuk tuzaklar, ekipmanın kirlenmesini önlerken havaya duyarlı bileşiklerin güvenli bir şekilde taşınmasına yardımcı olabilir. Bu örnekte, daha sonra kütle spektrometrik analizi için hazırlık yapmak üzere uçucu ve oksidasyona duyarlı bir numuneyi yoğunlaştırmak için bir sıvı nitrojen soğuk tuzak kullanılmıştır.
Sistem, olası kirleticileri gidermek için önce temizlendi ve ısıtıldı. Kilitlenebilir test tüpü daha sonra numunenin Schlenk hattı boyunca yoğuşmasına izin vermek için sıvı nitrojene daldırıldı. Numune daha sonra kütle spektrometresi yoluyla analiz için çıkarıldı.
JoVE'nin oda sıcaklığının altında reaksiyon gerçekleştirmeye başlama sürecini az önce izlediniz. Artık buzlu su, kuru buz ve sıvı nitrojen soğutma banyolarını ve bunların kimyasal olarak neden önemli olduğunu anlamalısınız.
İzlediğiniz için teşekkürler!
View the full transcript and gain access to JoVE Science Education videos
Q1: Why do some chemical reactions need to be performed below room temperature?
Reactions are cooled for several reasons: to prevent vigorous or highly exothermic reactions from boiling over and creating safety hazards, to control which product forms when competing reaction pathways exist, and to preserve reagents or solvents from decomposition. Lower temperatures favor pathways with lower activation energy, allowing chemists to obtain desired products while maintaining safety.
Q2: How does temperature affect the rate of a chemical reaction?
Raising temperature increases molecular movement and collision frequency between reactant species, causing reactions to proceed faster. The rule of thumb states that increasing temperature by 10 K approximately doubles the reaction rate. However, despite this acceleration, chemists sometimes deliberately cool reactions to control selectivity, prevent decomposition, or manage exothermic heat release.
Q3: What is an ice-water bath and how is it prepared?
An ice-water bath is the simplest cooling method, reaching 0°C naturally or -40°C with salt additives that depress the freezing point. Prepare it by mixing weighed ice and salt with deionized water, then stir thoroughly. Check the temperature with a thermometer and adjust salt concentration as needed. These baths require monitoring every 20-30 minutes and must be refreshed with ice and salt to maintain temperature.
Q4: What are dry-ice baths used for and how do you set one up?
Dry-ice baths reach temperatures down to -78°C and are used when ice-water baths are insufficient. Prepare by wearing cryogenic protection gloves and safety goggles, then slowly add an organic solvent to dry-ice pieces while stirring with a glass rod. Continue until a homogenous slurry forms, ensuring uniform heat transfer. Monitor regularly and add dry-ice chunks when temperature rises.
Q5: When is liquid nitrogen used as a cooling bath and what precautions are necessary?
Liquid nitrogen cooling baths reach -196°C and are used when lower temperatures than dry-ice provides are required. A Dewar flask is the only acceptable vessel due to extreme cold. Wear safety goggles and cryogenic protection gloves at all times, as liquid nitrogen causes frostbite and permanent eye damage. Add solvent for warmer baths or use nitrogen alone for maximum cooling.
Q6: How do cooling baths prevent direct contact between reagents and cooling agents?
Cooling baths work by placing the reaction flask inside an insulated vessel such as a Dewar flask containing cryogenic components. The reagents never touch the cooling bath directly; instead, heat transfers through the flask walls. For effective temperature transfer, solvents are often mixed with cryogenic components, and additives like salts lower the freezing point of the mixture to achieve desired temperatures.
Q7: What are practical applications of cooling baths in laboratory chemistry?
Cooling baths are used in diverse applications including sonication processes that generate excess heat, synthesis of air-sensitive compounds requiring low system energy, and cold traps for condensing volatile samples. For example, ice-water baths cool samples during high-energy sonication, while dry-ice and liquid nitrogen baths condense oxidation-sensitive compounds for analysis via mass spectrometry or preparation for growing crystals for x-ray diffraction analysis.