ЛАБОРАТОРНАЯ БАНЯ ДЛЯ УЧЕНИЧЕСКОГО ЭКСПЕРИМЕНТА
LABORATORY BATH FOR STUDENT EXPERIMENT

Изобретение относится к лабораторной технике, а именно к конструкции лабораторной водяной бани, предназначенной для проведения фронтальных лабораторных опытов и практических работ по химии, требующих нагревания реагирующих веществ до 75-85°С, в т.ч. реакции «Серебряного зеркала» (химические свойства альдегидов, углеводов, муравьиной кислоты), синтеза сложных эфиров, омыления жиров, гидролиза крахмала и других.
Известна водяная баня для подогрева образцов исследуемых веществ, содержащая корпус, расположенную в корпусе ванну с подогреваемой водой и ряд помещенных в ванну и расположенных по окружности на держателях реакционных сосудов с образцами исследуемых веществ (патент DE 8711054). Известная водяная баня имеет сложную конструкцию, занимающую значительную площадь, и не может быть использована непосредственно на рабочем месте каждого учащегося для наблюдения за химическими процессами, происходящими внутри реакционного сосуда при нагревании.
Ближайшим аналогом к заявляемому устройству является водяная баня для подогрева образцов исследуемых веществ, содержащая корпус, ванну с подогреваемой водой и ряд помещенных в ванну реакционных пробирок с образцами исследуемых веществ (патент US 5302347). Известное устройство имеет значительные габариты и сложную конструкцию, обусловленную особенностями ее применения, требующими определенных навыков оператора, и не позволяет наблюдать непосредственно на рабочем месте каждого учащегося за химическими процессами внутри пробирки при нагревании.
Задачей настоящего изобретения является создание лабораторной бани, предназначенной для проведения лабораторных опытов, связанных с процессами нагрева исследуемых веществ, при обучении студентов и учащихся школ.
Технический результат, который достигается при использовании заявляемого изобретения, заключается в создании безопасной при применении лабораторной бани и в повышении удобства пользования ею, в значительном удешевлении конструкции, уменьшении ее габаритов и веса, что обеспечивает возможность оснащения такой лабораторной баней каждого ученического рабочего места, благодаря чему появляется возможность проведения лабораторных опытов непосредственно каждым учащимся и значительно повышается эффективность обучения.
Для достижения указанного технического результата предлагается лабораторная баня для ученического эксперимента, содержащая пустотелый корпус с днищем, емкость для жидкости или сыпучего материала, выполненную из прозрачного термостойкого материала, и узел нагрева жидкости или сыпучего материала в емкости. Узел нагрева включает держатель из теплопроводного материала с гнездом для указанной емкости на его верхней поверхности, охватывающий емкость для жидкости или сыпучего материала в ее донной части, основание, на котором установлен держатель, выполненное из теплоизоляционного материала, и нагревательный элемент, расположенный между основанием и держателем. Лабораторная баня также содержит средство для поддержания реакционного сосуда в емкости.
Основание из теплоизоляционного материала установлено на днище пустотелого корпуса посредством опорных стоек, а в боковой части (в боковых стенках) пустотелого корпуса и в его днище выполнены сквозные прорези (пазы) или отверстия.
Преимущественно пустотелый корпус выполнен в виде пластмассового стакана.
Емкость для жидкости или сыпучего материала выполнена в виде стакана из термостойкого стекла.
Средство для поддержания реакционного сосуда в емкости представляет собой укупоривающий элемент, имеющий отверстие, через которое реакционный сосуд погружается в емкость. Укупоривающий элемент может быть выполнен в виде резиновой пробки.
Держатель выполнен из алюминия.
В качестве нагревательного элемента использован плоский нагревательный элемент, соединенный через электропровод с электрической вилкой.
На наружной поверхности днища корпуса имеются опорные элементы.
Изобретение поясняется чертежами, где:
на фиг.1 изображена лабораторная баня для ученического эксперимента, вид спереди;
на фиг.2 - корпус лабораторной бани, вид спереди в разрезе;
на фиг.3 - корпус лабораторной бани, вид в плане.
Лабораторная баня содержит пустотелый корпус 1 с днищем 2. Преимущественно корпус 1 имеет форму цилиндрического стакана и выполнен из пластмассы.
Внутри корпуса 1 располагается емкость 3 для жидкости (преимущественно воды) или для сыпучего материала (например, песка), выполненная из прозрачного термостойкого материала. Преимущественно емкость 3 для жидкости или для сыпучего материала выполняется в виде цилиндрического стакана из термостойкого стекла.
Лабораторная баня содержит также средство для поддержания в емкости 3 реакционного сосуда, например пробирки 4, в котором находится исследуемое вещество 5. В качестве примера показано выполнение средства для поддержания реакционного сосуда в виде съемной резиновой пробки 6, которая закупоривает горловину емкости 3. В пробке 6 выполнено сквозное отверстие 7, через которое пробирка 4 с исследуемым веществом 5 погружается в емкость 3. Предпочтительно резиновая пробка 6 имеет коническую форму, а ось отверстия 7 совпадает с осью пробки 6.
Лабораторная баня содержит также узел нагрева жидкости или сыпучего материала в емкости 3. Узел нагрева включает металлический держатель 8, основание 9 и нагревательный элемент 10. Держатель 8 преимущественно выполняется из алюминия, как материала, обладающего высокой теплопроводностью. Держатель 8 охватывает емкость 3 в ее донной части (т.е. соприкасается с дном емкости 3 и с придонной боковой поверхностью емкости по высоте, обеспечивающей эффективный нагрев жидкости или сыпучего материала в емкости), и в связи с этим на его верхней поверхности выполнено гнездо 11, имеющее форму донной части емкости 3. Наиболее предпочтительно, чтобы держатель 8 и основание 9 имели круглую форму и располагались по одной центральной оси между собой, а также с корпусом 1 и с емкостью 3. В качестве нагревательного элемента 10 использован плоский нагревательный элемент, однако не исключается возможность использования и любого другого нагревательного элемента (например, спирали), приемлемого в предлагаемом узле нагрева.
Обеспечивается установка держателя 8 в корпусе 1 на таком уровне, при котором значительная часть емкости 3 и расположенная в емкости пробирка 4 с исследуемым веществом 5 находятся выше верхнего торца корпуса 1. Благодаря такой установке обеспечивается возможность наблюдать за процессами, происходящими в пробирке 4.
Поддерживающим элементом для держателя 8 является основание 9 из теплоизоляционного материала, на которое держатель опирается своей нижней поверхностью.
Плоский нагревательный элемент 10 расположен между держателем 8 и основанием 9. К элементу 10 подсоединен электропровод (не показан). На другом конце электропровода закреплена электрическая вилка (не показана).
Основание 9 установлено на днище 2 корпуса 1 посредством опорных стоек 12. В боковой части (в боковых стенках) пустотелого корпуса 1 выполнены сквозные отверстия (прорези) 13, а в его днище 2 выполнены сквозные отверстия (прорези) 14. На наружной поверхности днища 2 корпуса имеются опорные элементы 15. Наличие отверстий 13, 14 в боковых стенках и в днище корпуса 1, а также использование опорных стоек 12, благодаря которым узел нагрева оказывается приподнятым над днищем 2 корпуса 1, создает условия для эффективной вентиляции устройства.
Работа лабораторной бани поясняется на примере использования воды в качестве нагревающей среды.
Учащийся устанавливает лабораторную баню на ровную плоскость на опорные элементы 15. Стеклянная емкость 3 устанавливается в держатель 8 и наполняется на 1/3 объема водой. Горловину емкости 3 закрывают пробкой 6. Через отверстие в пробке 6 в емкость погружают пробирку 4. Высота погружения реакционного сосуда (в частности, пробирки 4) в емкость 3 может регулироваться за счет соответствующего выполнения средства для поддержания реакционного сосуда в емкости 3. В частности, при выполнении этого средства в виде пробки 6 пробирка 4, проходя через отверстие в пробке, погружается в емкость на любую заданную высоту и удерживается на этой высоте за счет плотного охвата ее пробкой. Включением вилки в розетку сети переменного тока напряжением 42 В подключают нагревательный элемент 10 к источнику напряжения. При этом происходит нагрев нагревательного элемента 10, и тепло от него передается на держатель 8, а соответственно, и на емкость 3 с водой. После нагрева воды до требуемой температуры (величину которой замеряют термометром) в прибор устанавливают пробирку 4 с исследуемым веществом 5 и выдерживают в течение заданного времени.
Баня предназначена для совместного использования с микролабораторией для химического эксперимента.
Предложенное техническое решение обеспечивает надежность и простоту лабораторной бани в эксплуатации, позволяет индивидуально и наглядно работать каждому учащемуся при проведении различных опытов, отдельные примеры которых приводятся ниже.
Опыт 1. Реакция серебряного зеркала.
В пробирку 4 с аммиачным раствором оксида серебра добавляют раствор формальдегида (другой альдегид, муравьиная кислота, глюкоза) и подогревают смесь на водяной бане. Вскоре на стенках пробирки начинает осаждаться металлическое серебро и образуется зеркало. Эта реакция называется реакцией серебряного зеркала. Ее используют как качественную для открытия альдегидов.
Опыт 2. Кислотный гидролиз крахмала.
Кислотный гидролиз крахмала происходит в присутствии серной кислоты. Берут раствор крахмала в основной пробирке 4 и добавляют к нему раствор серной кислоты. Подогревают смесь на водяной бане. При нагревании смеси идет гидролиз. При гидролизе крахмала образуется глюкоза. Для проверки: приготавливают вспомогательные пробирки с водой и добавляют в каждую пробирку йод для пробы на крахмал. Добавляют полученный после нагревания в основной пробирке 4 испытуемый раствор в каждую из вспомогательных пробирок с водой и йодом. Во вспомогательных пробирках появляется синее окрашивание. Это свидетельствует о том, что проба испытуемого раствора содержит крахмал. Наступает момент, когда окрашивание в очередной вспомогательной пробирке не происходит. Следовательно, гидролиз крахмала завершился. Весь крахмал превращается в глюкозу. Необходимо убедиться, что в пробирке глюкоза. Для этого добавляют в пробирку с глюкозой раствор щелочи и затем пипеткой раствор сульфата двухвалентной меди. Происходит ярко-синее окрашивание, что говорит о появлении сахарата двухвалентной меди. Проверяют, содержит ли это соединение альдегидную группу. Если да, то при нагревании образуется красный оксид одновалентной меди. Нагревают пробирку на водяной бане. Появляется красный осадок оксида одновалентной меди. Значит, в растворе присутствует глюкоза.
Опыт 3. «Омыление жиров».
В технике под омылением понимают главным образом разложение жиров при посредстве едких щелочей, в результате чего получается, с одной стороны, водный раствор мыла (т.е. соли, образованной из жирной кислоты и щелочного металла), а с другой - водный раствор глицерина. Омылением жир расщепляется на свои составные части: жирные кислоты и глицерин. Проведение опыта: в пробирку 4 помещают жир, маргарин и сливочное масло. Приливают 8-10 мл 15%-ного спиртового раствора гидроксида натрия. Смесь перемешивают и нагревают на водяной бане до кипения. Омыление ведут до тех пор, пока жидкость не станет однородной. К полученной густой жидкости добавляют насыщенный раствор хлорида натрия и кипятят раствор 1-2 минуты.