Магнитная мешалка: устройство и применение в лаборатории.

Введение

Магнитная мешалка — это лабораторное устройство, использующее вращающееся магнитное поле для быстрого вращения перемешивающего стержня (или фли), погруженного в жидкость, тем самым обеспечивая её перемешивание. Вращающееся поле может создаваться либо вращающимся магнитом, либо набором стационарных электромагнитов, расположенных под сосудом с жидкостью. Магнитные мешалки широко используются в химии и биологии для удобного перемешивания небольших объемов, а также в случаях, когда другие способы перемешивания, такие как верхние мешалки и стеклянные мешалки, не подходят.

Дизайн

Магнитный смеситель состоит из магнитного стержня, помещенного в жидкость, который обеспечивает перемешивание. Движение стержня приводится в действие другим вращающимся магнитом или сборкой электромагнитов в устройстве смесителя, расположенных под сосудом, содержащим жидкость. Смесительные стержни обычно покрыты ПТФЭ или, реже, стеклом; покрытия предназначены для обеспечения химической инертности, предотвращая загрязнение или взаимодействие с реакционной смесью. Восстановление по Бирчу (распространенное восстановление металлом) часто проводят в стеклянном сосуде, что указывает на совместимость и стеклянного смесительного стержня. Стекло может подвергаться воздействию сильных щелочей (таких как гидроксид натрия) в зависимости от температуры, времени воздействия и концентрации. Магнитные мешалки имеют форму стержня и обычно восьмиугольное или круглое сечение. Остроовальная форма также часто используется для колб с круглым дном. Существует множество специальных форм для более стабильного или эффективного перемешивания в различных условиях или для соответствия форме небольших сосудов. Многие смесительные стержни имеют поворотное кольцо вокруг центра, на котором они вращаются. Самые маленькие имеют длину всего несколько миллиметров, а самые большие – несколько сантиметров. Стержни меньшего размера (менее 10 мм) часто называют «блохами». Лабораторные нагревательные плиты часто выполняют двойную функцию, объединяя узел перемешивания и нагревательный элемент. Мощность таких нагревательных элементов может варьироваться от нескольких сотен до нескольких тысяч ватт, что позволяет одновременно нагревать и перемешивать реакционную колбу. Максимальная достижимая температура жидкости зависит от размера колбы, количества нагреваемого раствора, мощности нагревательного элемента и степени теплоизоляции системы. Магнитный материал в стержнях чаще всего представляет собой альнико или самарий-кобальт, способные выдерживать высокие температуры без потери магнитной силы, хотя для низкотемпературных применений можно использовать неодим, а также существуют ферритовые стержни. Благодаря небольшому размеру, смесительный стержень легче чистить и стерилизовать, чем другие устройства для перемешивания. Он не требует смазочных материалов, которые могут загрязнить реакционный сосуд и продукт. Извлекатель стержней – это отдельный магнит на конце длинной палочки (также покрытой химически инертным ПТФЭ), который можно использовать для извлечения смесительных стержней из сосуда. Артур Розингер из Ньюарка, штат Нью-Джерси, США, получил патент США № 2 350 534 под названием «Магнитный смеситель» 6 июня 1944 года, подав заявку 5 октября 1942 года. Патент г-на Розингера включает описание покрытого магнитного стержня, помещенного в сосуд, который приводится в движение вращающимся магнитом в основании под сосудом. Г-н Розингер также объясняет в своем патенте, что покрытие магнита пластиком или покрытие его стеклом или фарфором делает его химически инертным. Пластиковый магнит был независимо изобретен в конце 1940-х годов Эдвардом МакЛафлином из Торпедного экспериментального заведения (TEE) в Гриноке, Шотландия, который назвал его «блохой» из-за его прыгающих движений при слишком высокой скорости вращения магнита. Первый многоточечный магнитный смеситель был разработан и запатентован Сальвадором Боне из компании SBS в 1977 году. Он также ввел практику указания мощности перемешивания в «литрах воды», что сегодня является рыночным стандартом.

A magnetic stirrer consists of a magnetic bar placed within the liquid which provides the stirring action. The stir bar's motion is driven by another rotating magnet or assembly of electromagnets in the stirrer device, beneath the vessel containing the liquid. Stir bars are typically coated in PTFE, or, less often, in glass; the coatings are intended to be chemically inert, not contaminating or reacting with the reaction mixture they are in. Birch reductions (a common dissolving metal reduction) are often conducted in a glass vessel, thus indicating that a glass stir bar would likewise be compatible. Glass can be attacked by strong alkali (such as lye) depending on heat, exposure time, and concentration. Magnetic stirrers are bar shaped and usually octagonal or circular in cross section. A pointed oval shape is also common for use in round bottom flasks. A variety of special shapes exist for more stable or efficient stirring in different conditions or to conform to the shape of small vessels. Many stir bars have a pivot ring around the center on which they rotate. The smallest are only a few millimeters long and the largest several centimeters. The smaller sizes (less than about 10mm) are often referred to as "fleas". Laboratory hot plates often serve a dual purpose by incorporating both the stirring assembly and a heating element. Such heating elements may range in power from a few hundred to a few thousand watts, and allow the reaction flask to be heated and stirred at the same time. The maximum reachable fluid temperature depends on the size of the flask, the quantity of solution to be heated, the power of the heating element, and amount of insulation provided to the system. The magnetic material within bars is most commonly alnico or samarium cobalt, which can withstand high temperatures without loss of magnetic strength, although for low temperature applications neodymium can be used, and ferrite stir bars exist. Because of its small size, a stirring bar is more easily cleaned and sterilized than other stirring devices. They do not require lubricants which could contaminate the reaction vessel and the product. A stir bar retriever is a separate magnet on the end of a long stick (also coated with chemically inert PTFE) which can be used to remove stir bars from a vessel. Arthur Rosinger of Newark, New Jersey, U. S. obtained US Patent 2,350,534, titled Magnetic Stirrer on 6 June 1944, having filed an application on 5 October 1942. Mr. Rosinger's patent includes a description of a coated bar magnet placed in a vessel, which is driven by a rotating magnet in a base below the vessel. Mr. Rosinger also explains in his patent that coating the magnet in plastic or covering it with glass or porcelain makes it chemically inert. The plastic coated bar magnet was independently invented in the late 1940s by Edward McLaughlin, of the Torpedo Experimental Establishment (TEE), Greenock, Scotland, who named it the 'flea' because of the way it jumps about if the rotating magnet is driven too rapidly. The first multi point magnetic stirrer was developed and patented by Salvador Bonet of SBS Company in 1977. He also introduced the practice of noting the denomination of stirring power in "litres of water", which is a market standard today.