 |
Очистка твердых веществ от примесей методом перекристаллизации
|
|
|
|
I. Теоретические основы
Очистка твердых веществ от примесей методом перекристаллизации является частным случаем более общей задачи по разделению твердых смесей органических соединений на отдельные компоненты (кристаллизация из расплавов - зонная плавка, кристаллизация из парообразного состояния–возгонка, перекристаллизация из растворов).
Выбор метода определяется как природой разделяемых веществ, так и степенью требуемой чистоты. Для очистки твердого органического вещества от примесей наиболее широко используется метод перекристаллизации из растворов.
В его основу положено как изменение растворимости вещества с изменением температуры, так и различие в растворимости вещества и загрязняющих примесей в выбранном растворителе.
Перекристаллизация – это растворение загрязненного вещества при нагревании в подходящем растворителе и последующее выпадение его в осадок в виде кристаллов из раствора при охлаждении, когда раствор становится перенасыщенным. Примесь должна быть либо нерастворимой при нагревании (тогда её можно отделить фильтрованием горячего раствора), либо хорошо растворяться (тогда она останется в маточном растворе и после охлаждения и выпадения в осадок чистого вещества).
Под растворимостью понимают содержание растворимого вещества в насыщенном растворе при определенной температуре и давлении. В справочной литературе растворимость выражается числом граммов растворенного вещества в 100г растворителя при определенной температуре. В аналитической химии раство-римость выражается числом молей растворенного вещества в 1л раствора. Например при 20°С растворимость сульфаниловой кислоты 1,08г, а при 100°С – 6,67г на 100г воды.
|
|
|
Если приготовить насыщенный при 100°С раствор, взяв 100г воды и 6,67г кислоты, а затем охладить до 20°С, то должно выпасть в осадок (6,67 – 1,08)=5,59г кислоты. Если кислота содержит малые количества других растворимых в воде веществ (примесей), насыщение относительно последних не будет достигнуто при указанном понижении температуры, поэтому они не выпадут в осадок вместе с крис-таллами очищаемой кислоты. Примеси, хорошо растворимые при любой темпера-туре, останутся в маточном растворе. Примеси, плохо растворяющиеся даже при температуре кипения растворителя, отфильтруются при горячем фильтровании. При повторной перекристаллизации можно получить более чистое вещество. Насыщенный раствор, остающийся после фильтрования выпавших кристаллов, называется маточным. Концентрируя маточный раствор упариванием, можно получить дополнительную порцию очищаемого вещества.
Для успешного проведения перекристаллизации решающее значение имеет правильный выбор растворителя. Выбор производится, исходя из основных требований к растворителю.
Требования к растворителю:
1. Не должен химически взаимодействовать с очищаемым веществом.
2. Должен иметь достаточно низкую температуру кипения.
3. Должен хорошо растворять очищаемый продукт при нагревании и плохо – при охлаждении.
4. Не должен растворять примеси (тогда они отделяются фильтрованием) или должен их растворять намного лучше, чем очищаемое вещество. В этом случае они не выпадают в осадок вместе с очищаемым продуктом, остаются в маточном растворе.
5. Желательно, чтобы растворитель был дешевым и безопасным в работе.
Сведения о растворимости органических соединений находят в справочной литературе. Если таких сведений нет, то подбирают растворитель на основании пробирочных опытов. При этом необходимо руководствоваться общим правилом: подобное растворяется в подобном, т.е полярное вещество имеет большую склонность растворяться в полярном растворителе (с высокой диэлектрической константой), а неполярное вещество в неполярном растворителе (с низкой диэлектрической константой).
|
|
|
Кончиком шпателя берут пробу вещества, помещают ее в пробирку и прибавляют несколько капель растворителя. Если вещество полностью растворяется уже на холоду, то данный растворитель не пригоден для целей перекристаллизации. Если вещество не растворяется, то пробирку осторожно нагревают, постепенно доведя содержимое до кипения. В случае неполного растворения вещества, добавляют еще несколько капель растворителя и опять нагревают. Если вещество растворилось полностью, то раствор охлаждают. В случае же неполного растворения проводят горячее фильтрование. Если по мере охлаждения раствора обильно выпадают кристаллы, имеющие четкую температуру плавления, то растворитель считается пригодным для перекристаллизации. Из большого опыта подбора растворителей следует, что, если в 2-5мл растворителя растворяют 0,1 – 0,5г вещества при нагревании, то он оказывается подходящим для перекристаллизации. Если не удается подобрать индивидуальный растворитель, то используют смесь растворителей, из которых один хорошо, а другой плохо растворяет очищаемое вещество. Часто применяют водные растворы спиртов, смесь бензола и предельных углеводородов, эфира и хлороформа. По разным причинам, например из-за присутствия окрашенных смолистых примесей, раствор вещества может оказаться окрашенным. В этом случае проводят дополнительную операцию по его обесцвечиванию: в горячий насыщенный раствор добавляют адсорбент и смесь кипятят в течение 5 – 10 минут. Растворы в полярных растворителях обесцвечивают активированным углем. Растворы в неполярных растворителях (в гексане, бензоле, ССI4) обесцвечивают оксидом алюминия. Если раствор полностью не обесцвечивается, то обработку с адсорбентом повторяют.
II. Учебные вопросы
1. На чем основан метод перекристаллизации?
2. Каким требованиям должен удовлетворять растворитель для целей перекристаллизации?
3. Как подбирают растворитель? Как определяют количество растворителя, необходимое для перекристаллизации?
|
|
|
4. Каковы основные этапы (стадии) перекристаллизации?
5. Как готовят горячий насыщенный раствор в легколетучих, горючих растворителях?
6. Как освобождают раствор от нерастворившихся примесей?
7. В каких случаях вносят активированный уголь в горячий насыщенный раствор? Какие меры предосторожности при этом надо соблюдать?
8. Как отделяют отработанный адсорбент – уголь от маточного раствора?
9. Как выполняют горячее фильтрование?
10. Как подготовить воронку Бюхнера для отсасывания, чтобы в колбе Бунзена образовался вакуум?
11. Как отмывают и окончательно отделяют от маточного раствора кристаллы?
12. Как следует отключить водоструйный насос после отсасывания?
13. Как высушивают кристаллы после перекристаллизации?
14. Как оценить степень чистоты перекристаллизованного продукта?
III. Задание
1. Очистить 5г загрязненного ацетанилида.
2. Очистить 5г загрязненной сульфаниловой кислоты.
IV. Меры предосторожности.
1. Активированный уголь нельзя всыпать в кипящую жидкость. Наличие воздуха в порах угля способствует резкому закипанию и выбросу жидкости из колбы.
2. Не забудьте налить воду в металлическую воронку для горячего фильтрования, в противном случае отвод воронки отвалится из-за расплавления припоя.
3. Во избежание получения термического ожога не допускается соприкосновения рук горячими металлическими поверхностями используемых приборов.
4. Резиновый шланг водоструйного насоса необходимо подсоединить к прибору при работающем насосе. После окончания фильтрования резиновый шланг нужно снять со склянки Бунзена, и лишь затем закрыть насос.
5. В целях пожарной безопасности использование приборов с открытым нагревательным элементом при приготовлении растворов в легколетучих горючих растворителях (эфир, ацетон, спирт, бензол) категорически запрещается.
V. Выполнение работы.
Реактивы: загрязненное примесями твердое вещество; растворитель – вода, активированный уголь.
Посуда: плоскодонные колбы на 100, 250, 500мл, водяной холодильник Либиха; прибор для отделения кристаллов от маточного раствора, состоящий из воронки Бюхнера и колбы Бунзена; воронка для горячего фильтрования; средства для обогрева колбы (асбестовая сетка, воронка Бабо).
Этап 1 Сборкаустановки.
1. Собирают установку в соответствии со схемой, приведенной на рис.1.
а) на необходимой высоте закрепляют кольцо с асбестовой сеткой
б) ставят на сетку плоскодонную колбу на 500мл и закрепляют ее на штативе
в) в колбу устанавливают обратный водяной холодильник и закрепляют его на штативе с помощью трехлепестковой лапки.
Включают воду и устанавливают необходимый напор воды.
|
|
|
