Охлаждающая ванна или ледяная баня в лабораторной химической практике представляет собой жидкую смесь, которая используется для поддержания низких температур, обычно от 13 °C до −196 °C. Эти низкие температуры используются для сбора жидкостей после перегонки , для удаления растворителей с помощью роторного испарителя или для проведения химической реакции при температуре ниже комнатной (см. Кинетический контроль ).
Охлаждающие ванны обычно бывают двух типов: (a) холодная жидкость (в частности, жидкий азот , вода или даже воздух ), но чаще всего этот термин относится к (b) смеси из 3 компонентов: (1) охлаждающего агента (например, сухого льда или льда ); (2) жидкого «носителя» (например, жидкой воды, этиленгликоля , ацетона и т. д.), который передает тепло между ванной и сосудом; (3) добавки для снижения температуры плавления системы твердое тело/жидкость.
Знакомый пример этого — использование смеси льда и каменной соли для замораживания мороженого. Добавление соли снижает температуру замерзания воды, снижая минимальную температуру, достижимую только с помощью льда.
Смешивание растворителей создает охлаждающие ванны с переменными точками замерзания. Температуру между примерно −78 °C и −17 °C можно поддерживать, помещая охлаждающую жидкость в смесь этиленгликоля и этанола , [1] в то время как смеси метанола и воды охватывают температурный диапазон от −128 °C до 0 °C. [2] [3] Сухой лед сублимируется при −78 °C, в то время как жидкий азот используется для более холодных ванн.
По мере того, как вода или этиленгликоль вымораживаются из смеси, концентрация этанола/метанола увеличивается. Это приводит к новой, более низкой точке замерзания. С сухим льдом эти ванны никогда не замерзнут, так как чистый метанол и этанол замерзают ниже −78 °C (−98 °C и −114 °C соответственно).
По сравнению с традиционными охлаждающими ваннами, смеси растворителей адаптируются для широкого диапазона температур. Кроме того, необходимые растворители дешевле и менее токсичны, чем те, которые используются в традиционных ваннах. [1]
Ванна со льдом и водой будет поддерживать температуру 0 °C, поскольку точка плавления воды равна 0 °C. Однако добавление соли, такой как хлорид натрия, понизит температуру за счет свойства понижения точки замерзания . Хотя точную температуру трудно контролировать, весовое соотношение соли и льда влияет на температуру:
Поскольку сухой лед будет сублимироваться при −78 °C, такая смесь, как ацетон/сухой лед, будет поддерживать −78 °C. Кроме того, раствор не замерзнет, поскольку ацетону требуется температура около −93 °C, чтобы начать замерзать.
Американское химическое общество отмечает [ необходима ссылка ] , что идеальные органические растворители для использования в охлаждающей ванне имеют следующие характеристики:
В некоторых случаях простая замена может дать почти идентичные результаты, одновременно снижая риски. Например, использование сухого льда в 2-пропаноле вместо ацетона дает почти идентичную температуру, но позволяет избежать летучести ацетона (см. § Дополнительная информация ниже).