Лабораторное стекло. Часть 1.⁠⁠

Приветствую!

Лишь очень малая толика стеклянной лабораторной посуды.

Так-то я планировал запилить восьмую часть "Сколько стоит лабу построить?", потихоньку писал текст, искал картинки. Но Пикабу, видать, решил, что я слишком долго пилю пост, и в очередной раз жмякнув кнопку "Добавить пост" я вместо своего недоделанного поста увидел...нихрена! Бэкапить всё это дело я, естественно, не догадался. Ну и хрен с ним. Тем более что в процессе написания я явственно ощутил недостаточную свою компетентность в заявленной теме.

Поэтому поговорим о том, что мне близко и понятно, как ничто другое - о химической посуде. В основном о том, которое применяется в органическом синтезе. Говорить будем долго, несколько постов. Сегодня речь пойдет о том, как и из каких материалов делают химическую посуду для лабораторий.

Начнем мы, разумеется, со стекла - пока что это самый популярный материал для изготовления посуды. Почему стекло? Стекло держит высокие температуры (500-600 С), переживает большинство агрессивных химикатов (кроме фторидов и крепких щелочей). Ну и оно прозрачное, что тоже немаловажно.

Стекло используется в основном боросиликатное, Boro 3.3, оно же Pyrex Glass. В загрузке шихты для такого стекла содержится 13% оксида бора, отсюда и название. Температура размягчения боросиликата - 550 С, температура плавления - 850 С, что выше, чем у обычного "бутылочного" стекла.

Маркировка, показывающая, что это боросиликатное стекло.

Боросиликат любим химиками за термо- и химостойкость, прочность, за способность пропускать мягкий ультрафиолет (хотя тут такое дело, это когда благо, а когда и нет). Но главное - низкий температурный коэффициент расширения. Дело в том, что когда стекло нагревается неравномерно, расширяется оно тоже неравномерно. И в итоге может треснуть - попробуйте налить крутого кипятка в холодный стакан! А в химии очень часто приходится что-то греть, и зачастую - неравномерно. Мерное стекло, кстати, тоже любят делать из боросиликата - объем меньше ползет от температуры.

Импортное стекло иногда промаркировано "boro", "boro 3.3" или "pyrex", но это необязательно. Отечественное стекло иногда имеет маркировки "ТС" и "ХС". О составе как таковом они не говорят ничего, это испытательные категории. Но вообще, советского боросиликатного стекла было не так уж много. В основном это было стекло из ЧССР (Simax) и ГДР (Jena Glass).

Химической посуде из боросиликатного стекла несть числа. Для примера - каталог немецкого производителя химпосуды Isolab содержит 480 страниц, и половина из них посвящена лабораторному стеклу. Посуду из боросиликата выпускают два десятка именитых брендов и сотни китайских нонаме заводов. Даже во встающей с колен работает как минимум 3 крупных завода, производящих химическое стекло.

Базовые изделия - палки, трубки, шлифы, фланцы, резба, заготовки для колб - делается на станках. Остальное - ручками. Если интересует процесс - жмякаем сюда. Химический стеклодув в цивилизованном мире - уважаемый и весьма оплачиваемый специалист. Чтобы вы понимали: в Германии, где я некоторое время работал, в институте была своя стеклодувная мастерская из трех человек, и старший стеклодув, человек без высшего образования, получал в месяц 9К евро гросс (до вычета налогов). Для сравнения, молодой постдок (кандидат наук) получал 5К гросс, а директор института, профессор с туевой хучей регалий, один из самых авторитетных ученых в области - 12К евро гросс. И при этом директор боялся, что стеклодува переманят в другой институт, так-то. У нас, к сожалению, стеклодувы в институтах получают смешные деньги, и живут в основном на леваке...

Когда боросиликат не канает, например, из-за высоких температур - в дело вступает кварцевое стекло (Fused quarz). Шихты как таковой для этого стекла нет, ведь это просто плавленный диоксид кремния. Раньше лучшее кварцевое стекло получали плавкой кварца, отсюда и название. Кварцевое стекло по-настоящему хардкорно - размягчается при 1100 С, плавится выше 1500 С! Очень низкий температурный коэффициент расширения, пропускает УФ в широком диапазоне.

Правда, есть и проблемы, которые сильно ограничивают использование кварца в химии. Он очень хрупкий и требует очень высоких температур для работы. На кварце практически невозможно сформовать резьбу или шлиф, кварц практически не поддается машинной вальцовке - любые более-менее сложные формы - только ручками. Поэтому стеклодувам, работающим с кварцем, приходится очень, очень несладко, это и определяет высокую стоимость стекла.

Всякую мелочь - баночки, бутылочки, пипетки и прочую шелупонь делать из боросиликатного стекла слишком расточительно. Поэтому обычно на них идет обычное стекло, которое химики называют "бутылочным", или soda-lime glass. Lime, если что, это не фрукт, а известь. Негашеная. Собственно, она, вместе с карбонатом натрия, входит в состав шихты для этого стекла. Сильно греть посуду из такого стекла не стоит, но для хранения или простеньких реакций без нагревания - вполне годится. Есть ещё различные специальные стекла, такие, как молибденовое, но в химии это экзотика.

Разные составы стекла плохо паяются между собой, на месте спая возникает напряжение, обусловленное разницей в температурных коэффициентах расширения. Более того, если при проварке стеклянной массы осталась какая-то неоднородность состава - там также возникнет напряжение. Для того, чтобы их найти, используют полярископы.

Стеклянная трубка под полярископом.

При любой пайке стекла в нем возникают локальные напряжения. К счастью, их можно снять, отпустив стекло в печи. Изделия нагревают до температуры начала размягчения (550 С для боросиликата) и медленно, в течение 10-20 часов, охлаждают. Я даже слышал от старших коллег рекомендации периодически проводить "профилактический" отпуск наиболее ценного стекла, чтобы снизить риск его поломки. В условиях советского дефицита это действительно было оправдано.

Пластиковая посуда. Далеко не вся.

Кому нравится мыть посуду, поднимите руки! Что, никому не нравится? Вот и химикам тоже не нравится, тем более что загрязнения в лаборатории бывают куда более злобные и гадкие, чем на кухне. Поэтому всё больше и больше в химии используется пластиковой посуды. Эта тенденция пришла к нам из медицины и биологии, где требования к чистоте посуды часто исключают возможность многоразового использования. У химиков не вся пластиковая посуда одноразовая. Есть условно-одноразовые расходники, а есть вполне себе многоразовые аналоги стеклянной посуды - стаканы, воронки, колбы.

Из чего же делать посуду для химиков? В отличие от биологов и медиков, химики часто работают с агрессивными химикатами, поэтому нужен максимально химостойкий пластик. Первым приходит в голову, конечно же, фторопласт (тефлон), но у него есть но, причем не одно. Он дорогой, тяжелый, непрозрачный (совсем), плохо льется и формуется - настолько плохо, что зачастую проще изготовить деталь фрезеровкой, чем формовкой. Несмотря на это, из тефлона делают ограниченный набор посуды, а также различные покрытия, уплотнители и магистрали.

Но намного интереснее делать посуду из полиэтилена, а ещё лучше - из полипропилена. Этот полимер лишь немногим менее химостоек, чем тефлон - ему плохеет только от сильных окислителей вроде брома, да и то довольно медленно. Полипропилен очень дешев, легок, прост в формовке и литье. Полипропилен более-менее прозрачен. Да, он мутноват, но через него можно хоть что-то рассмотреть. Да, он мягче фторопласта, но это одновременно и минус, и плюс - из него можно делать пипетки, промывные бутылки и прочую жмякабельную утварь. Полипропиленовая посуда дешевле стеклянной, плюс она не бьется, что делает её отличным вариантом для кривых студенческих ручек. Но есть и минусы, ограничивающие область применения полипропилена. Во-первых, он очень хреново проводит тепло, при этом выше 120 С начинает размягчаться, а дальше - плавиться. То есть греть в пропиленовой посуде особо не погреешь. Ну и он совершенно не держит вакуум или избыточное давление.

Лабораторный фарфор и керамика. Стоимость агатовой ступки (голубая) может доходить до нескольких тысяч долларов!

Можно вспомнить также про лабораторную керамику. Используется она главным образом там, где надо сильно греть. В первую очередь для этого используют фарфор, но бывают изделия из корунда, и даже агата! Минусы - тяжелая, кондовая, кривая, пористая, легко колется. Плюсы - она спокойно живет там, где волки срать боятся даже кварц начинает течь. А если говорить об агате - он обладает огромной стойкостью к истиранию.

Автоклавы всех форм и размеров (нет).

Из металла собственно посуды производят мало - всё больше вспомогательную механику типа штативов, зажимов, лапок (да, да, у химиков лапки...) и мешалок. Но есть одна область, где без металлической посуды никак - химия высоких и сверхнизких давлений. Всё, что ниже миллипаскаля или выше 3 мегапаскалей - только сталь, только хардкор! Вот автоклавы, например. Металлы в целом ребята не очень химостойкие, поэтому в лабе уважают только химстойкую нержу и титан. Ну и ещё золото с платиной, но где их не уважают?

Итак, сегодня я настрочил нехилое такое полотно, но успел только рассказать о материалах. Чуете, чем пахнет? Я думаю, серия будет довольно длинной...

На сегодня всё!