Sichere Beheizung von Laborapparaturen

Welche Heizquelle würden Sie bei den folgenden Laboroperationen verwenden?

• Umkristallisieren von Naphthalin in Ethanol.
• Vakuumdestillation von Benzaldehyd.
• Nitrierung aromatischer Verbindungen mit Salpetersäure.
• Absolutieren von Toluol durch Kochen über Natrium.
• Rückflusskochen von Reaktionslösungen, bei denen harzige Niederschläge entstehen.

Ist das egal? Keineswegs!

Was sind die Probleme?

• Im Falle eines Kolbenbruchs darf es nicht zu heftigen Reaktionen oder Bränden kommen. Dazu gehört es zum Beispiel, dass eine ev. verwendete Badflüssigkeit nicht heftig mit der Reaktionsmischung reagiert.
• Zur Vermeidung von Kolbenbrüchen sind thermische Spannungen des beheizten Kolbens möglichst zu minimieren.
• Kocht etwas über oder ist früher schon mal etwas übergekocht, dann hat die Heizquelle in der Regel etwas abbekommen. Das kann zu wenig erwünschten Stromflussrichtungen führen.
• Bei nicht mit Wasser mischbaren Bädern führt der Zutritt von Wasser - z.B. durch einen abgerissenen Kühlwasserschlauch - bei höheren Temperaturen zu einem heftigen Verspritzen der Badflüssigkeit.
• Die Beheizung muss so schonend sein, dass die Reaktionsmischung nicht verdorben wird.

Problemlösungen

Pilzheizhauben oder Bad?

Pilzheizhauben sind aus folgenden Gründen beliebt:

• Der Reaktionskolben bleibt außen sauber. Man muss also hinterher keine Badflüssigkeit abputzen.
• Hebebühnen können selbst dann noch verwendet werden, wenn sie schon etwas ausgeleiert, also so kipplig sind, dass Behälter mit Badflüssigkeiten schon gefährlich darauf schwanken würden.
• Es gibt keine Badflüssigkeit, die verdrecken kann, verschüttet werden kann oder die sich infolge einer Überhitzung entzündet.

Nachteil der Pilzheizhaube

• Der Wärmefluss unterliegt keiner Temperaturkontrolle! Jedes Bad hat bei einer bestimmten Leistung eine bestimmte Temperatur. Nicht so die Heizhaube. Wie heiß es wird, hängt allein von der Wärmeableitung ab. Unterbindet man diese, so kann man das Glas mit dem Heizpilz bis zum Erweichen erhitzen! Abbildung 1 zeigt einen Kolben, der im evakuierten Zustand im Heizpilz aufgeheizt wurde. Man erkennt deutlich, dass das weich gewordene Glas durch das Vakuum nach innen gezogen worden ist.

Abbildung1

Auch wenn die Bedingungen weniger drastisch sind, kann der Wärmefluss gehemmt, vor allem örtlich unterschiedlich sein und so Spannungen im Kolben verursachen. Abbildung 2 zeigt dies für 2 verschiedene Fälle.

Abbildung 2

In der Apparatur 1 behindert ein lokal an der Kolbenwand haftender Niederschlag den Wärmefluss. In der Apparatur 2 enthält der Kolben nur am Boden kühlende Flüssigkeit, wärend die ungekühlten Seitenwände stark aufgeheizt werden. Um das zu verhindern, sind bei manchen Pilzheizhauben die Heizflächen horizontal in verschiedene, per Stufenschalte separat schaltbare Heizzonen eingeteilt. Zum Laboralltag gehört es aber, dass die beigepackte Betriebsanleitung im allgemeinen schnell verlorengeht. Nutzern von Heizpilzen ist deshalb meist nicht klar, welche Zone(n) bei welcher Schaltstufe aufgeheizt wird (werden).

Weitere Nachteile der Pilzheizhaube

• Da sich die beheizte Fläche des Kolbens schlecht oder gar nicht regulieren lässt, Kommt es bei Reaktionen häufig zum ausbeutemindernden Anbrennen von Substanz an der Kolbenwand. Es ist z.B. so gut wie unmöglich, Umkristallisationen unter Verwendung eines Heizpilzes durchzuführen, da sich an den überhitzten Kolbenwänden die umzukristallisierende Substanz niederschlägt.
• Standard-Pilzheizhauben sind extrem anfällig gegen Fehlerströme, die entstehen, wenn Substanz in das Heizgewebe eindringt. "Sprazzeln" oder sogar Durchbrennen sind die Folge. Zwar kann man Heizpilze in der Regel auswaschen - nur muss es erst einmal jemand feststellen, dass dies angezeigt ist. Für etwas mehr Geld kann man Sicherheits-Heizpilze kaufen, bei denen das Heizsystem wasserdicht ist, um dadurch die Kurzschluss- und die Isolationsfehler-Gefahr zu mindern.
• Ein Heizpilz, in den Chemikalien hineingelangt sind, emittiert danach bei Betrieb meist entsprechende Dämpfe.

Durch die Verwendung von Heizpilzen bedingte Kolbensprünge sind kein theoretisches Hirngespinst sondern können im Labor - leider - immer wieder beobachtet werden. In der vom BUK (vormals BAGUV) herausgegebenen Broschüre für Studenten "Sicheres Arbeiten in chemischen Laboratorien" heißt es zu diesem Problem unter Ziff. 4.3:

"Direktes Beheizen im Luftbad ist mit Pilzheizhauben möglich, jedoch nur zu empfehlen, wenn eine gleichmäßige Temperaturverteilung gewährleistet ist, z.B. durch Rühren."

Sind Bäder denn nun besser?

Bäder vermeiden die genannten Nachteile von Heizpilzen weitgehend:

• Durch den vollflächigen Kontakt ist der Wärmefluss günstig, dh. heißt die Heizbadtemperatur muss nur unwesentlich höher sein als die im Inneren des Kolbens benötigte Temperatur.
• Die Heiztemperatur - gemeint ist die Temperatur an der Außenwand des Kolbens - ist regel- und limitierbar.
• Die beheizte Kolbenfläche ergibt sich eindeutig aus der Eintauchtiefe in das Bad und kann variabel gestaltet werden.
• Bäder können - und sollen - so groß dimensioniert werden, dass im Falle eines Kolbenbruchs der gesamte Reaktionsinhalt vom Bad aufgenommen werden kann. Im Havariefall wird also die Reaktionsmischung sicher aufgefangen. Ein Kontakt mit spannungsführenden Teilen ist dann nicht möglich.

Was kann man gegen die Nachteile der Bäder unternehmen?

• Gealterte Bäder oder wacklige Hebebühnen kann man nur frühzeitig ersetzen. Es ist nicht gesagt, dass dies ein Kostennachteil ist, denn auch der durchgebrannte Heizpilz ist immer hin - endgültig.
• Als Behältnisse für die Bäder gibt es im Handel Aluminiumtöpfe (Fa. Heidolph), die sich passgenau auf einen Magnetrührer stellen lassen, ohne dass ein Verrutschen möglich ist. Seitliche Henkel ermöglichen ein sicheres Anfassen, ohne sich dabei zu verbrennen.
• Flammpunkte der Badflüssigkeiten sind in der Regel leicht recherchierbar. Für die Badflüssigkeiten sind Einsatzbereiche zu definieren, bei denen eine Überhitzung ausgeschlossen ist. Polyethylenglycol hat z.B. einen Flammpunkt von ca. 250 °C, ist also nach den Richtlinien für Laboratorien bis 230 °C verwendbar. Für die meisten Reaktionen ist das mehr als ausreichend.
  • Wer es bei einer in der Hitze dampfendenden Heizbadflüssigkeit mit der Angst zu tun bekommt, kann davon leicht eine kleine Probe entnehmen und sie in einer Bunsenflamme zu zünden versuchen. Polyethylenglycol ist ein wenig hygroskopisch. Was da qualmt, ist meist nur abdestillierendes Wasser.
• Paraffin- und sonstige Ölbäder entsprechen nicht mehr dem Stand der Technik. Die "von früher" noch erinnerlichen Probleme mit in Brand geratenen Paraffinbädern oder schlimmen Verbrühungen durch umherspritzende Badflüssigkeit, nachdem Wasser in das heiße Bad getropft ist, gehören der Vergangenheit an. Heutzutage sind wassermischbare Bäder Standard, bei denen auch weit oberhalb von 100 °C bei Wasserzutritt nichts verspritzt. Dies entspricht den Bestimmungen der Richtlinien für Laboratorien (4.6.6). Was beim Hineinspritzen von Wasser in ein wassermischbares Bad passiert (oder besser gesagt: "nicht passiert"), können Sie der Abbildung 3 entnehmen.
  
  Abbildung 3: PEG-Bad, 150 °C, Aufsieden durch eingespritztes Wasser

  Eine gut geeignete Badflüssigkeit ist Polyethylenglycol, welches je nach Polymerisationsgrad bei Raumtemperatur fest oder flüssig ist. Festes PEG hat Vorteile in einem Praktikum, da wenigstens bei den kalten Bädern nichts verschüttet werden kann.

• Wassermischbare Badflüssigkeiten haben darüber hinaus den weiteren Vorteil, dass benetzte Kolben leicht durch Abspülen mit Wasser zu reinigen sind.

Nicht immer ist jedoch die Verwendung wassermischbarer Heizbadflüssigkeiten möglich, z.B. wenn der Kolbeninhalt im Falle eines Kolbenbruchs gefähliche Reaktionen mit der Badflüssigkeit eingehen kann. Wird dann z.B. auf Silicon ausgewichen, so sind Massnahmen zu treffen, die ein Eindringen von Wasser in das heiße Bad verhindern. (z.B. Sichern von Kühlwasserschläuchen mit Schellen)

Beispiele für Reaktionen, bei denen Polyethylenglycol als Heizbadflüssigkeit nicht geeignet ist:

• Umsetzungen mit Salpeter- oder Nitriersäure
  (Denken Sie an Nitroglycerinbildung, wenn Nitriersäure mit Glycerin umgesetzt wird!)

  Bessere Alternative: Bis 100 °C Badtemperatur nimmt man am besten ein Wasserbad, welches austretende Säure sofort vorteilhaft verdünnt.

• Umsetzungen oder Absolutierungen mit Alkalimetallen oder Hydriden.
  Die Reaktion ist stark abhängig von der Art des Reagenz und von der Betriebstemperatur. Natrium reagiert z.B. mit PEG bei Raumtemperatur nur sehr träge, bei 140 °C dagegen sehr lebhaft! Ist man sich nicht sicher, hilft ausprobieren in einem kleinen Handversuch. Beachten Sie, dass PEG wegen seiner hygroskopischen Eigenschaft sich mit Wasser anreichern und die Reaktion deshalb möglicherweise heftiger werden kann.

Quintessenz

• Reaktionsapparaturen aus Glas werden am gefahrlosesten in Bädern erwärmt. Sofern möglich, sind wassermischbare Badflüssigkeiten vorzuziehen.
• Eine universell geeignete Heizquelle gibt es nicht. Vielmehr muss man für jeden Einzelfall entscheiden, welche Heizquelle am sichersten ist. Praktisch wird man aber in den meisten Fällen dem PEG-Bad den Vorzug geben können.
• Ob bei der gewünschten Betriebstemperatur Reaktionen zwischen Reaktionsmischung und Badflüssigkeit möglich sind, muss man nicht "abschätzen", sondern kann das in kleinen Handversuchen experimentell überprüfen.
• Nicht immer ist die Entscheidung, welche Heizquelle am sichersten ist, eindeutig, sondern vielmehr das Ergebnis einer Risikoabwägung.