Перекристаллизация.
В химии перекристаллизация - это метод, используемый для очистки химических веществ. Растворяя примеси и соединение в соответствующем растворителе, из раствора можно удалить либо нужное соединение, либо примеси, оставив все остальное. Она названа так из-за кристаллов, которые часто образуются, когда соединение выпадает в осадок. В качестве альтернативы перекристаллизация может означать естественный рост более крупных кристаллов льда за счет более мелких.
Метод очистки основан на принципе, согласно которому растворимость большинства твердых веществ увеличивается с повышением температуры. Это означает, что с повышением температуры увеличивается количество растворимого вещества, которое может быть растворено в растворителе.
Примеси растворяются (примеси также должны быть растворимы в растворителе), чтобы получить высококонцентрированный раствор при высокой температуре. Раствор охлаждают. Снижение температуры приводит к уменьшению растворимости примесей в растворе и очищаемом веществе. Примесное вещество кристаллизуется раньше примесей - в предположении, что примесного вещества было больше, чем примесей. Чистое вещество кристаллизуется в более чистой форме, потому что примеси еще не кристаллизуются, поэтому примеси остаются в растворе. Для отделения более чистых кристаллов на этом этапе необходимо использовать процесс фильтрации. Процедуру можно повторить. Кривые растворимости можно использовать для прогнозирования результатов процедуры перекристаллизации.
Перекристаллизация работает лучше всего, когда.
Метод очистки основан на принципе, согласно которому растворимость большинства твердых веществ увеличивается с повышением температуры. Это означает, что с повышением температуры увеличивается количество растворимого вещества, которое может быть растворено в растворителе.
Примеси растворяются (примеси также должны быть растворимы в растворителе), чтобы получить высококонцентрированный раствор при высокой температуре. Раствор охлаждают. Снижение температуры приводит к уменьшению растворимости примесей в растворе и очищаемом веществе. Примесное вещество кристаллизуется раньше примесей - в предположении, что примесного вещества было больше, чем примесей. Чистое вещество кристаллизуется в более чистой форме, потому что примеси еще не кристаллизуются, поэтому примеси остаются в растворе. Для отделения более чистых кристаллов на этом этапе необходимо использовать процесс фильтрации. Процедуру можно повторить. Кривые растворимости можно использовать для прогнозирования результатов процедуры перекристаллизации.
Перекристаллизация работает лучше всего, когда.
- Количество примесей невелико.
- Кривая растворимости нужного растворителя быстро повышается с температурой.
Кристаллизация в одном растворителе, пример с пояснениями.
Кристаллизация, изображенная в этом разделе, показывает очистку примерно 1 г образца старого NBS - бромсукцинимида (NBS), который был найден в бутылке с реактивом в виде оранжевого порошка. В качестве растворителя в кристаллизации используется вода, которая не вызывает проблем с воспламенением, поэтому используется горячая плита.Если для кристаллизации используются легковоспламеняющиеся органические растворители, рекомендуется, а в некоторых случаях и необходимо (при использовании диэтилового эфира, ацетона или низкокипящего петролейного эфира), использовать паровую баню. Приведенная ниже процедура должна использоваться как руководство к действию, а некоторые ключевые различия между использованием воды и органических растворителей будут рассмотрены в следующем разделе.
Подготовьте установку:
- Перенесите нечистое твердое вещество для кристаллизации в колбу Эрленмейера подходящего размера (рис. 2 a). Если твердое вещество гранулированное, сначала измельчите его с помощью стеклянной палочки для перемешивания.
- Не рекомендуется проводить кристаллизацию в стакане. Узкое горлышко колбы Эрленмейера облегчает перемешивание и сводит к минимуму испарение в процессе, так как пары растворителя конденсируются на стенках колбы (они "рефлюксируют" на стенках колбы). Узкое горлышко Эрленмейера также позволяет легче закрывать колбу на стадии охлаждения или даже закупоривать ее при длительной кристаллизации. Круглодонная колба также не идеальна для кристаллизации, поскольку ее форма затрудняет извлечение твердого вещества в конце процесса.
- Важно, чтобы колба не была слишком полной или слишком пустой во время кристаллизации. Если колба будет заполнена горячим растворителем более чем наполовину, будет трудно предотвратить ее перекипание. Если колба будет заполнена растворителем на высоту менее 1 см, раствор будет остывать слишком быстро. Обычно растворителя требуется в 10-50 раз больше, чем образца, поэтому рекомендуется использовать колбу, в которой образец только покрывает дно тонким слоем.
- Поместите немного растворителя в мензурку или колбу Эрленмейера вместе с несколькими кипящими камнями на источник тепла и доведите до слабого кипения. Используйте мензурку, если растворитель будет наливаться, и колбу Эрленмейера, если растворитель будет набираться пипеткой. Если на более позднем этапе процедуры предполагается горячее фильтрование, подготовьте также кольцевой зажим, содержащий воронку с рифленой фильтровальной бумагой (рис. 2 b).
Добавьте минимальное количество горячего растворителя.
- Когда растворитель закипит, возьмитесь за стакан горячей рукой (рис. 2 d), хлопчатобумажными перчатками или держателем для бумажного полотенца, сделанным путем сворачивания листа бумажного полотенца в длинный прямоугольник (рис. 2 c). Сбоку от источника тепла в колбу, содержащую нечистое твердое вещество, налейте небольшую порцию кипящего растворителя, чтобы покрыть дно колбы. Если кристаллизация проводится в небольших масштабах (в колбе Эрленмейера объемом 50 мл или меньше), может быть проще использовать пипетку для переноса порций растворителя в колбу.
- Обычно перед добавлением растворителя сухое твердое вещество не помещают на источник тепла, иначе оно может разложиться. Когда твердое вещество растворится в небольшом количестве растворителя, его можно поместить на источник тепла.
- Поместите колбу с нечистым твердым веществом и растворителем на источник тепла. Используя какой-либо способ предотвращения ударов (кипящие камни, если вы планируете "горячее фильтрование", кипящую палочку), доведите раствор до слабого кипения (рис.3 a).
- Добавляйте растворитель порциями (рис. 3 b), помешивая для облегчения растворения, пока твердое вещество просто не растворится (рис. 3 d). Для 100 мг-1 г соединения добавляйте порции по 0,5-2 мл за раз. Обратите внимание, что для полного растворения твердого вещества может потребоваться время, так как растворение имеет кинетический аспект. Каждому добавлению следует дать полностью дойти до кипения, прежде чем добавлять еще растворитель, и между добавлениями должно пройти некоторое время. Отсутствие времени на растворение и, как следствие, добавление слишком большого количества растворителя - основной источник ошибок при кристаллизации.
Нередко в процессе нагревания можно увидеть капельки жидкости (рис. 4). Это происходит, когда материал "вымасливается" или плавится раньше, чем растворяется. Если это произошло, то капельки жидкости - это и есть кристаллизуемое соединение, поэтому продолжайте добавлять растворитель порциями, пока капельки жидкости полностью не растворятся. - Внимательно наблюдайте за раствором, чтобы определить, изменяется ли размер твердых кусочков (или капель жидкости) при добавлении растворителя: если нет, то это может быть нерастворимая примесь. Добавление избытка растворителя в попытке растворить нерастворимые примеси негативно скажется на извлечении. Если присутствуют нерастворимые твердые примеси, раствор следует отфильтровать (на этом этапе можно применить горячую фильтрацию). Цветные примеси также могут быть удалены на этом этапе с помощью древесного угля.
Дайте раствору медленно остыть.
- Когда твердое вещество только растворится, отсоедините колбу от источника тепла с помощью защитного приспособления для горячих рук, бумажного полотенца или перчатки и отставьте ее в сторону для охлаждения. Удалите палочку для кипячения или стержень для перемешивания, если он использовался для защиты от ударов (при использовании палочки кипящие камни можно будет извлечь из твердого вещества позже).
- Чтобы обеспечить медленное охлаждение, поставьте колбу на поверхность, плохо проводящую тепло, например на сложенное бумажное полотенце. Накройте горлышко колбы Эрленмейера часовым стеклом, чтобы сохранить тепло и растворитель (рис. 5 a). Дайте раствору медленно дойти до комнатной температуры.
- По мере охлаждения раствора должны образоваться твердые кристаллы (рис. 5 b). Если раствор теплый на ощупь или мутный, но кристаллы не образуются, используйте стеклянную палочку для перемешивания, чтобы поцарапать стекло и начать кристаллизацию.
- После начала кристаллизации кристаллы должны медленно расти по мере снижения температуры. Идеальная кристаллизация занимает от 5 до 20 минут, в зависимости от масштаба. Полная кристаллизация менее чем за 5 минут - это слишком быстро.
- Когда раствор достигнет комнатной температуры, поместите колбу в ледяную баню (суспензию лед-вода) на 10-20 минут, чтобы еще больше снизить растворимость соединения и максимально ускорить образование кристаллов (рис. 5 d). Также поместите часть растворителя в ледяную баню, чтобы позже использовать его для промывки во время фильтрации с отсасыванием.
- Используйте отсасывающую фильтрацию для извлечения твердого вещества из смеси.
Кристаллизация в смешанном растворителе, пример с пояснениями.
Кристаллизация, изображенная в этом разделе, показывает очистку примерно 1 г образца транс-коричной кислоты. Транс-коричная кислота растворима в метаноле и нерастворима в воде, и в этой кристаллизации используется смешанный растворитель из метанола и воды, что дает 74%-ное восстановление.
Предполагается, что экспериментаторы, выполняющие эту методику, ранее проводили или читали о кристаллизации в одном растворителе.
- Определите два смешивающихся растворителя, которые можно использовать для кристаллизации (рис. 7 а): искомое соединение должно быть растворимо в одном растворителе (так называемый "растворимый растворитель") и нерастворимо в другом растворителе (так называемый "нерастворимый растворитель").
- Перенесите нечистое твердое вещество, подлежащее кристаллизации, в колбу Эрленмейера соответствующего размера (рис. 7 b).
- Поместите в колбу немного "растворимого растворителя" (рис. 7 в), добавьте кипящую палочку (или кипящие камни, если хотите) и нагрейте на паровой бане (рис. 7 г). При использовании смешанных растворителей метанол/вода или этанол/вода можно с осторожностью использовать горячую плиту.
- Добавляйте "растворимый растворитель" порциями, пока твердое вещество не растворится (рис. 8 a). Не забудьте оставить время между добавлениями и дайте каждому добавлению полностью закипеть, прежде чем добавлять еще.
- Добавляйте "нерастворимый растворитель" порциями, при нагревании, пока раствор не станет мутным (рис. 8 в).
- Добавьте "растворимый растворитель" по каплям при нагревании, пока раствор снова не станет прозрачным (рис.8 d).
- Снимите колбу с источника тепла, удалите палочку для кипячения и поставьте колбу на сложенное в несколько раз бумажное полотенце. Накройте горлышко колбы Эрленмейера часовым стеклом и дайте раствору медленно остыть до комнатной температуры (рис. 9 a).
- По мере охлаждения раствора должны образоваться твердые кристаллы (рис. 9 b). При необходимости используйте стеклянную палочку для перемешивания, чтобы поцарапать колбу и инициировать кристаллизацию. Поместите кристаллы в водяную баню со льдом на 10-20 минут и соберите твердое вещество путем фильтрации с отсасыванием.
Горячая фильтрация.
Горячая фильтрация обычно используется при некоторых видах кристаллизации, когда твердое вещество содержит примеси, нерастворимые в растворителе для кристаллизации. Она также необходима при кристаллизации, когда уголь используется для удаления сильно окрашенных примесей из твердого вещества, так как уголь настолько мелок, что его невозможно удалить декантацией.
Горячее фильтрование проводится путем проливания нескольких мл растворителя через воронку с рифленой фильтровальной бумагой. Рифленая фильтровальная бумага имеет множество углублений и большую площадь поверхности, что обеспечивает быструю фильтрацию. Воронку нагревают, а фильтруемую смесь доводят до кипения. Затем кипящую смесь порциями проливают через фильтровальную бумагу (рис. 10 b и d).
Горячее фильтрование проводится путем проливания нескольких мл растворителя через воронку с рифленой фильтровальной бумагой. Рифленая фильтровальная бумага имеет множество углублений и большую площадь поверхности, что обеспечивает быструю фильтрацию. Воронку нагревают, а фильтруемую смесь доводят до кипения. Затем кипящую смесь порциями проливают через фильтровальную бумагу (рис. 10 b и d).
Лучше всего использовать кольцевой зажим для фиксации воронки для фильтрования, хотя воронку можно просто поместить в колбу. Если не использовать кольцевой зажим, рекомендуется поместить между колбой и воронкой согнутую скрепку, чтобы вытесняемый воздух выходил из нижней части колбы по мере стекания жидкости (рис. 10 c и d). Без кольцевого зажима установка более склонна к опрокидыванию, поэтому использование кольцевого зажима значительно безопаснее.
Горячая фильтрация используется для фильтрования растворов, которые кристаллизуются при охлаждении. Поэтому важно, чтобы воронка во время фильтрования оставалась горячей за счет контакта с горячими парами растворителя, иначе на фильтровальной бумаге или в ножке воронки могут преждевременно образоваться кристаллы (рис. 11).
Горячая фильтрация используется для фильтрования растворов, которые кристаллизуются при охлаждении. Поэтому важно, чтобы воронка во время фильтрования оставалась горячей за счет контакта с горячими парами растворителя, иначе на фильтровальной бумаге или в ножке воронки могут преждевременно образоваться кристаллы (рис. 11).
Кристаллизация на фильтровальной бумаге может засорить установку и привести к потере урожая (так как фильтровальная бумага впоследствии будет выброшена). Кристаллизация на стебле препятствует фильтрации и может стать пробкой на дне воронки. Преимущество горячей фильтрации заключается в том, что кипящий растворитель в колбе фильтра помогает растворить кристаллы, которые преждевременно образуются в ножке воронки. При горячем фильтровании рекомендуется использовать воронку с короткой ножкой (рис. 12 a) или без ножки (рис. 12 c), если таковая имеется, вместо воронки с длинной ножкой (рис. 12 b), поскольку в воронке с короткой или отсутствующей ножкой меньше вероятность кристаллизации материала.
Поскольку важно, чтобы раствор быстро фильтровался, не успев остыть в воронке, вместо сложенной вчетверо фильтровальной бумаги, которую иногда используют при гравитационном фильтровании (рис. 13 а), обычно применяют "рифленую фильтровальную бумагу" (рис. 13 б и в). Благодаря большему количеству сгибов рифленой фильтровальной бумаги увеличивается площадь поверхности и ускоряется процесс фильтрации. Кроме того, сгибы создают пространство между фильтровальной бумагой и стеклянной воронкой, позволяя вытесненному воздуху легче выходить из колбы по мере стекания жидкости.
Пошаговые процедуры.
Горячая фильтрация часто используется при кристаллизации, и эту процедуру следует вводить после этапа растворения, но перед тем, как отложить раствор для медленного охлаждения.
Подготовьте установку для фильтрации
- Возьмите воронку без ножки или с короткой ножкой (рис. 14 a) и вставьте ее в кольцевой зажим, прикрепленный к кольцевой подставке или решетке (или возьмите согнутую скрепку для бумаги, как показано на рис. 14 b).
- Сверните фильтровальную бумагу подходящего для вашей воронки размера в форме гармошки (инструкции приведены на рис. 15, а полученная гармошка - на рис. 14 a). Когда бумага помещается в воронку, она не должна быть короче верха воронки, иначе раствор может проскользнуть мимо фильтровальной бумаги при наливании.
- Поместив чистую колбу Эрленмейера нужного для кристаллизации размера под воронку и на источник тепла, налейте в нее несколько мл горячего растворителя (рис. 14 d).
a) Если вы используете кольцевой зажим, отрегулируйте его так, чтобы между горлышком колбы Эрленмейера и дном воронки оставался небольшой зазор: это позволит вытеснить воздух при перетекании жидкости в колбу. Если зазор слишком велик, горячие пары будут выходить, не нагревая воронку.
б) Если вы не используете кольцевой зажим, поместите между колбой и воронкой согнутую скрепку (рис. 14 б). - Дайте растворителю закипеть и нагрейте всю установку. Если вы используете древесный уголь, выполните эту процедуру сейчас.
Фильтруйте раствор порциями.
- Когда колба для фильтрования совсем горячая, а фильтруемый раствор кипит, налейте кипящую смесь в воронку для фильтрования порциями. По мере наливания касайтесь колбой фильтровальной бумаги в воронке (рис. 16 a).
- Внимание: колба может быть очень горячей, и горячие пары могут ошпарить руку при наливании (наливайте вбок, чтобы рука не находилась над воронкой). Если колба слишком горячая, чтобы держать ее руками, воспользуйтесь "держателем для бумажных полотенец" (рис. 16 a):
a) Сложите отрезок бумажного полотенца в несколько раз так, чтобы получилась полоска шириной примерно в один дюйм. При желании скрепите полоску с помощью нескольких кусочков скотча.
б) Когда вы держите колбу, держатель бумажного полотенца должен находиться ниже края колбы. Таким образом, жидкость не будет стекать на бумажное полотенце при наливании (полотенце остается сухим на рис. 16 а), но мокрым при слишком широком полотенце на рис. 16 в).
- Когда фильтруемая смесь не наливается, верните колбу к источнику тепла (рис. 17 а).
- Когда смесь будет полностью отфильтрована, поставьте пустую колбу на стол (внимание: не нагревайте пустую колбу, иначе она может треснуть). Осмотрите воронку: если на фильтровальной бумаге видны кристаллы (как на рис. 17 b), промойте ее несколькими мл кипящего растворителя, чтобы они растворились. На рис. 17 c промывка не требуется.
- Осмотрите фильтрат (жидкость, прошедшую через фильтровальную бумагу). Если использовался древесный уголь, а фильтрат серый или в нем видны мелкие черные частицы, значит, уголь прошел через фильтровальную бумагу либо через отверстие, либо при использовании фильтра с неправильным размером ячеек. Если у одноклассников в растворах нет серого цвета, скорее всего, дело в отверстии. Повторите этап горячей фильтрации с новой фильтровальной бумагой и колбой.
Last edited by a moderator:
