Overview
מקור: המעבדה של ד"ר ניל ברנדה — אוניברסיטת סיימון פרייזר
Degassing מתייחס לתהליך שבו גזים מומסים מוסרים מנוזל. נוכחות של גזים מומסים כגון חמצן או פחמן דו חמצני יכולה לעכב תגובות כימיות המשתמשות בריאגנטים רגישים, להפריע למדידות ספקטרוסקופיות, או לגרום להיווצרות בועה לא רצויה.
מספר טכניקות שונות זמינות עבור נוזלים degassing; חלקם כוללים חימום, תסיסה קולית, הסרה כימית של גזים, החלפה עם גז אינרטי על ידי מבעבע ו- freeze-משאבת הפשרה רכיבה על אופניים. רכיבה על אופניים להפשיר משאבת הקפאה היא שיטה נפוצה ויעילה עבור degassing בקנה מידה קטן, והוא יודגם כאן בפירוט רב יותר.
Principles
סילוק גזים בהפשרת משאבת הקפאה מתבצע תחת לחץ מופחת באמצעות סעפת כפולה ואקום/אינרטית גבוהה. התהליך כרוך בתחילה בהקפאת הממס באמצעות חנקן נוזלי או קרח יבש / איזופרופנול slurry. לאחר מכן מוחל ואקום ומרחב הראש מעל הממס הקפוא מפונה. הבקבוקון אטום ואז הממס מופשר, ומאפשר שחרור של מינים גזיים מומסים. תהליך הפשרת משאבת ההקפאה חוזר בדרך כלל על עצמו במשך שני מחזורים נוספים לפחות כדי להקטין את אחוז הגזים המומסים. 1,2
שיטה זו מנצלת את התלות בלחץ של מסיסות הגז בנוזל. בהתכתבות עם חוק הנרי (משוואה 1),ריכוז הגז (Caq)המומס בנוזל הוא פרופורציונלי ישירות (k) ללחץ החלקי של הגז(גזP) בשלב האדים מעל הנוזל בטמפרטורה, נפח ולחץ קבועים. 3
Caq =גז kP (משוואה 1)
הורדת הלחץ של הגז מעל הנוזל גורמת למסיסות של הגז המומס בנוזל לרדת. לכן, כדי לבסס מחדש את שיווי המשקל של שלב הגז הנוזלי, הגז המומס משתחרר מהנוזל כבועה.
בהליך הבא, טכניקת האופניים להפשיר משאבת הקפאה תודגם עם בנזן באמצעות חנקן נוזלי ומי ברז חמים כמו אמבטיות קירור וחימום חיצוניות, בהתאמה. ההתקנה הניסיונית הנדרשת לביצוע טכניקה זו מורכבת מקו שלנק כפול עם מקורות ואקום וחנקן מחוברים. קו Schlenk מצויד בקווי צינורות תואמי ואקום(איור 1)לחיבור לכלי זכוכית מתאימים, כגון אגף שלנק. 1,2
איור 1. תמונה של קו שלנק המצויד במקורות ואקום וחנקן.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Procedure
- ראשית, הניחו את הממס או הפתרון הרצויים לתוך אגף שלנק וסגרו את העצירה(איור 2a). לאטום את כל הפתחים האחרים על אגף שלנק. אזהרה: אין להשתמש ביותר מ-50% מנפח הבקבוק ולבדוק את הבקבוקון לאיתור סדקים או שברים. בקבוקון ממולא יתר על המידה או שבור עלול להתנפץ במהלך התהליך.
- חבר את הבקבוק לקו שלנק ולשמור את השסתום המתאים על קו Schlenk סגור. להקפיא את הנוזל לחלוטין על ידי טביעת הבקבוק לתוך Dewar המכיל חנקן נוזלי או תפיחת קרח יבש. (איור 2b). זהירות: לפני הקפאה, לשטוף את אגף Schlenk עם גז חנקן כדי להבטיח את הסביבה היא נקייה לחלוטין מחמצן.
- כאשר הממס קפוא, פתחו את הסטופקוק על אגף שלנק ואת השסתום בקו שלנק לוואקום(איור 2c). שומרים את הבקבוקון תחת ואקום ובתוך אמבט הקירור כ -10 דקות. אטמו את הבקבוקון על ידי סגירת העצירה(איור 2d).
- מפשירים את הממס עד שהוא נמס באמצעות אמבט מים חמים. במהלך הליך זה בועות גז מתפתחות באופן ניכר מן הממס (איורים 2e, 2f). אפשר לממס הקפוא להפשיר בעצמו לאט ולא להפריע לנוזל.
- לאחר הממס הפשיר, להחליף את אמבט מים חמים עם אמבט קירור ולהקפות את הממס.
- חזור על שלבים 3-5 עד שלא תראו עוד את התפתחות הגז כתמיסה מפשירה (איור 2g). מינימום של שלושה מחזורים מומלץ למזער את אחוז הגז המומס הנוכחי.
- לאחר השלמת שלושה מחזורים, יש לאטום את אגף שלנק תחת חנקן לפני השימוש(איור 2h). פתח את שסתום גז החנקן בקו שלנק ופתח את העצירה של הבקבוקון כדי לחשוף את הממס לאטמוספרת חנקן. ברגע שבקבוק שלנק מתמלא בחנקן, סוף סוף סגור את השסתום לבקבוקון.
- הממס הוא עכשיו degassed ומוכן לשימוש.
איור 2. פירוט תמונות של שלבי הפשרת המשאבה החופשית: (א) שלב 1, מניחים ממס בבקבוקון; (ב) שלב 2, להקפיא את הממס בקרח יבש (או לחילופין עם חנקן נוזלי); (ג) שלב 3, להציג ואקום; (ד) שלב 4, לאטום את הבקבוקון תחת ואקום; (ה), (ו), שלב 5, להפשיר את הממס ולהתבונן באבולוציה של בועות גז; (ז) שלב 7 תהליך הפשרת הקפאה חוזר (מומלץ שלושה מחזורים); (ח) שלב 8, לאטום את הממס תחת חנקן.
הסרת הגיוח של נוזלים היא הכרחית לטכניקות סינתזה כימיות רבות בכימיה אורגנית. Degassing מתייחס לתהליך שבו גזים מומסים מוסרים מנוזל. הסרת גזים חשובה במקרים שבהם מינים כימיים רגישים לתגובות לא רצויות עם חמצן. הקפאת משאבת הפשרת רכיבה על אופניים היא שיטה נפוצה המשמשת עבור degassing בקנה מידה קטן של נוזלים. הטכניקה מבוצעת תחת לחץ מופחת באמצעות קו Schlenk, או ואקום / סעפת גז אינרטי כפול. וידאו זה יתווה את העקרונות של ביצוע הפשרת משאבת הקפאה במעבדה.
הסרת גזים של משאבת הקפאה מנצלת את התלות בלחץ של מסיסות הגז בנוזל. זו הסיבה שבועות סודה נפתחות, מה שמעיד על חוק הנרי. על פי חוק הנרי, שבר השומה של גז המומס בנוזל הוא פרופורציונלי ישירות ללחץ החלקי של הגז בשלב האדים מעל הנוזל. לכן, על ידי הורדת הלחץ של הגז מעל הנוזל, המסיסות של הגז המומס פוחתת, ולאחר מכן הוא שוחרר כמו בועות.
הקפאת-משאבת הפשרת גזל כרוך תחילה הקפאת הממס באמצעות Dewar של חנקן נוזלי או קרח יבש. לאחר מכן מוחל ואקום, ומרחב הראש מעל הממס הקפוא פונה. זה מקטין את הלחץ במרחב הראש מעל הנוזל, ובכך מוריד את המסיסות של הגז המומס.
הבקבוקון אטום לאחר מכן והממס מופשר, ומאפשר שחרור של מינים גזיים מומסים למרחב הראש. לאחר מכן הנוזל חוזר על עצמו, והתהליך חוזר על עצמו פעמים רבות ככל שיידרש.
הפשרת משאבת הקפאה מתבצעת בדרך כלל עם מערך קו שלנק, שכן הוא כרוך ביישום ואקום, כמו גם בהכנסת גז אינרטי. קו שלנק מורכב מסעפת זכוכית כפולה עם מספר יציאות. וידאו של אוסף זה על קו Schlenk ילך לפרטים נוספים על מנגנון זה. כעת, לאחר שתואר יסודות טכניקת הפשרת משאבת ההקפאה, ההליך יודגם במעבדה.
ראשית, להשיג אגף שלנק נקי ויבש. בדוק את הבקבוקון עבור סדקים או שברים, אשר עלול לגרום הבקבוק להתנפץ במהלך התהליך.
אבטחו את בקבוקון שלנק עם מלחציים, והוסיפו את הממס או הפתרון הרצויים. אין להשתמש ביותר מ-50% מהנפח, שכן ממסים מסוימים מתרחבים עם הקפאה, מה שעלול לנפץ את הבקבוקון. סגור את העצירה, וודא שכל הפתחים אטומים. חבר את הזרוע הצדדית של אגף שלנק לקו שלנק עם חתיכת צינורות גמישים, ולשמור את השסתום המתאים על קו Schlenk סגור. פתח את stopcock על הבקבוקון, כמו גם את השסתום מחובר לקו ואקום כדי לפנות את הבקבוקון. לאחר ואקום נוצר, לסגור את השסתום. פתח את השסתום לקו הגז האינרט כדי למלא את הבקבוקון. לאחר מילוי בגז אינרטי, סגור את הסטופקוק על הבקבוק ולאחר מכן על הקו.
שקועים בבקבוקון לתוך דיואר המכיל חנקן נוזלי כדי להקפיא את הנוזל. כאשר הממס קפוא, פתח את הסטופקוק על אגף שלנק, ואת השסתום על קו Schlenk כדי למשוך ואקום בבקבוקון. שומרים את הבקבוקון תחת ואקום ובתוך החנקן הנוזלי דיואר כ-10 דקות.
מוציאים את הבקבוקון מהחנקן הנוזלי דיואר. לאחר מכן, לאטום על ידי סגירת stopcock.
טובלים את הבקבוק באמבט מים חמים על מנת להמיס את הממס באופן מלא. במהלך הליך זה, בועות גז יתפתחו באופן ניכר מהממס. נא לא להפריע לנוזל, ולאפשר לממס להפשיר בעצמו.
לאחר הממס הפשיר לחלוטין, להחליף את אמבט מים חמים עם חנקן נוזלי Dewar, ולהקפות את הממס.
כאשר הממס קפוא, פתח את הסטופקוק על אגף שלנק ועל קו שלנק כדי למשוך ואקום בבקבוקון. לאחר 10 דקות, לסגור את stopcock על הבקבוק ואת קו Schlenk, ולאחר מכן להסיר את החנקן הנוזלי דיואר. להפשיר את הפתרון שוב באמבט מים חמים. חזור על התהליך עד בועות גז כבר לא להתפתח מן הממס.
לאחר השלמת מחזורים אלה, לאטום את אגף שלנק תחת גז אינרטי. כדי לעשות זאת, לפתוח את השסתום לגז אינרטי על קו Schlenk, ולאחר מכן לפתוח את stopcock של הבקבוק כדי לחשוף את הממס לאטמוספירה אינרטית.
כאשר אגף שלנק מתמלא בגז, סגור את אגף שלנק ושסתומי הקו שלנק. הפתרון כעת מנוגד ומוכנים לשימוש.
טכניקות סילוק גזים חשובות ביותר עבור יישומים שבהם נוכחות של גזים מסוימים היא מסוכנת, או עלולה לזהם ניסוי.
Degassing של פתרונות לסינתזה אורגנית הוא יישום מפתח של מערכת קו Schlenk. בניסוי זה, ננו-קריסטלים קדמיום סלניד היו מסונתזים, שם חמצן מזיק לתגובה. ראשית, מבשרים מולקולריים היו מוכנים ומחוממים. התערובת הייתה מנוקה תחת ואקום, ואז הבקבוקון נשטף בארגון. התגובה הושלמה אז תחת אווירת ארגון.
ניסוי מילר-אורי הוא מחקר חלוצי המתמקד במקורות החיים. הניסוי דורש כי רק גזים באטמוספירה קדמונית נוכחים. ראשית, האטמוספירה הקדמונית נוצרה מחדש בבקבוקון תחתון עגול אטום המכיל מים כדי לדמות את האוקיינוסים. הוא היה מצויד באלקטרודות המדמה ברקים. הנוזל היה גז באמצעות קו שלנק, לפני החדרת גזים ראשוניים כגון אמוניה ומתאן.
הבקבוק הסגור המכיל את הגזים הוסר מהמערכת. לאחר מכן נערך ניצוץ כדי לדמות ברקים במרק הקדמוני. מספר חומצות אמינו ומולקולות אורגניות קטנות אחרות נוצרו.
Degassing יכול להתבצע גם באמצעות תא ואקום במקרים שבהם אוויר הסביבה לא יזהם את הפתרון. בדוגמה זו, עמודי polydimethylsiloxane עוצבו מעובש שהוכן בעבר. המנגנונים המעוצבים, המכונים התקנים מיקרופלואידיים, משמשים לשליטה עדינה בכמויות קטנות של נוזלים. כדי לעשות זאת, יחס מסה של 10:1 של בסיס PDMS וסוכן ריפוי היו מעורבים במרץ. הפתרון היה אז גז בתא ואקום כדי להסיר את כל הבועות. לאחר מכן נשפך הפולימר המנוגד על התבנית ונרפא בתנור. לאחר מכן הופרדו המכשירים מהתבנית, ושימשו לחקר תכונות מתח פני השטח של נוזלים.
הרגע צפית בהקדמה של ג'וב להפחתת ממסים בטכניקת הפשרת משאבת ההקפאה. עכשיו אתה צריך להבין טוב יותר כיצד להשתמש בטכניקה זו במערכת קו Schlenk.
תודה שצפיתם!
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Applications and Summary
הסרת גזים מומסים חשובה הן באקדמיה והן בתעשייה. לעתים קרובות הוא נדרש לשמירה על איכות המכונות ומכשירי המעבדה, להגנה על תגובות כימיות שונות, וקבלת קריאות מדויקות לכרומטוגרפיה וספסטרופוטומטריה.
תגובות המשתמשות או יוצרות ריאגנטים רגישים לאוויר, למשל, תרכובות אורגנומטליות, תיולים, פוספינים וארומטיקה עשירה באלקטרונים דורשות לעתים קרובות רמה מסוימת של סילוק לגז כדי לשמור על שלמותם לאורך כל הניסוי. התשואה או אפילו התוצאה של תגובה רגישה לאוויר יכול להשתנות אם אמצעי הזהירות המתאימים להסרת גזים מומסים לא נלקחים. חמצן מומס משפיע על מחקרים פוטוכימיים על ידי מרווה מצבים נרגשים. לדוגמה, ניתן להרוות מצבי שלישייה ארומטיים על ידי כמויות קטנות של חמצן הקיימות בתמיסה, המשפיעות על עוצמת והתפלגות הספקטרליות (איור 3).
איור 3. ספקטרום פליטת פלואורסצנטיות של הפתרונות. Tetracene (16 מיקרומטר) בנזן מנוטרל (קו כחול) ובנזן רווי חמצן (קו אדום) על עירור ב 410 ננומטר שבו עוצמת הפליטה ב 475 ננומטר מופחתת על ידי 14% בתמיסה רווי חמצן.
בתעשייה, מים הם נוזל נפוץ עבור חילופי חום. חיי צינורות המתכת, מערכות הדודים והמשאבות תלויים באיכות המים ההולכים. מים מכילים רמות שונות של חמצן ופחמן דו חמצני, יכול לגרום נזק לחומרים מתכתיים. חמצן הוא ריאגנט מחמצן, ופחמן דו חמצני הוא מאכל בשל המרתו לחומצה קרבוקסילית. אספקת מים מנוגדים למערכות הנ"ל תאריך את משך חיי הציוד.
בנוסף, לגזים הנמצאים בממסים יכולות להיות השלכות שליליות על מכשירי מעבדה כגון כרומטוגרפיה נוזלית בעלת ביצועים גבוהים (HPLC) ביחס הן לביצועים והן לפלט. רבים מהמכשירים יש מדחפי מתכת או משאבות להפיץ ממס. כאשר במגע עם ממס כי יש גז מומס, זה יכול לגרום cavitation וקורוזיה המוביל נזק או השפלה של רכיבי מתכת. יציבות הגלאי מושפעת גם מנוכחות של גזים מומסים והסרה לא מספקת של חמצן עלולה לגרום להסחפה בסיסית.
רכיבה על אופניים להפשיר משאבת הקפאה היא שיטה מהירה ויעילה יחסית המתאימה להפחתת גזל בקנה מידה קטן עד בינוני של נוזלים. תהליך זה יכול לעזור להתגבר על חלק מהנושאים שנדונו לעיל הקשורים לנוכחות גזים מומסים בממס.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
References
- Shriver, D. F., Drezdn, M. A. The Manipulation of Air Sensitive Compounds. 2nd ed. Wiley & Sons: New York, NY (1986).
- Girolami, G. S., Rauchfuss, T. B., Angelici, R. B. Synthesis and Technique in Inorganic Chemistry: A Laboratory Manual. 3rd ed. University Science Books: Sausalito, CA, (1999).
- Kotz, J., Treichel, P., Townsend, J. Chemistry and Chemical Reactivity. 8th ed. Brooks/Cole: Belmont, CA. (2012).
