Методы разделения и очистки веществ 
";


Мы поможем в написании ваших работ!



ЗНАЕТЕ ЛИ ВЫ?

Методы разделения и очистки веществ



Перекристаллизация

Перекристаллизация является важнейшим методом очистки твердых веществ. Этим методом можно отделять как более растворимые, так и менее растворимые примеси. Однако следует иметь в виду, что перекристаллизация как метод очистки эффективна только для отделения небольших количеств примесей, то есть является методом очистки, но не методом разделения. При содержании основного вещества менее 90-95% перекристаллизация проходит с большими потерями и не даёт высокой степени очистки. В этих случаях до перекристаллизации желательно избавиться от основной части загрязнений с помощью других методов. Необходимо также учитывать, что перекристаллизация всегда сопровождается потерей вещества, при этом потери тем больше, чем больше загрязнено вещество.

Выбор растворителя.

Правильный выбор растворителя для перекристаллизации в большинстве случаев определяет успешную очистку вещества этим методом. Даже в тех случаях, когда есть литературные данные, необходимо провести предварительные опыты в пробирках с малыми количествами веществ, поскольку растворимость грязного вещества может существенно отличаться от растворимости чистого вещества. Подходящим растворителем для перекристаллизации будет такой, который плохо растворяет вещество на холоду, хорошо растворяет при кипячении, и при охлаждении полученного раствора выпадают кристаллы очищенного вещества. При подборе растворителя обычно стремятся, в первую очередь, использовать наименее токсичные, представляющие наименьшую опасность в пожарном отношении и доступные жидкости. Если вещество перекристаллизовывается из нескольких растворителей, то следует помнить, что кристаллизация из растворов меньшей концентрации обеспечивает большую степень чистоты. В том случае, если не удается подобрать подходящий растворитель, используют смеси растворителей. Для этого берут две жидкости: одну, которая хорошо растворяет вещество, и другую, неограниченно смешивающуюся с первой и плохо растворяющую очищаемое вещество. Растворяют вещество в первом растворителе и приливают второй растворитель до выпадения осадка, затем нагревают смесь до кипения. Если осадок при нагревании растворяется, а затем при охлаждении опять выпадает, то из такой смеси можно перекристаллизовывать.

Подбор растворителя для перекристаллизации проводят путем пробирочных опытов, для которых обычно достаточно 5-10 мг вещества и нескольких капель растворителя. Соотношение вещества и растворителя в пробирочных опытах оценивают приблизительно. Подбор смеси растворителей лучше проводить на укрупненных пробах, чтобы иметь возможность оценивать количественно опти- мальный состав смеси. Удобен растворитель, 5-10 мл которого растворяют примерно 0.1-0.5 г вещества или, при необходимости, 1 л должен растворять около 200 г вещества). Нередко процесс кристаллизации протекает медленно и для появления кристаллов требуется достаточно длительное время. Для ускорения появления кристаллов применяют быстрое и сильное охлаждение раствора, внесение затравки – 1-2 кристаллика вещества. Очень эффективно растирание раствора стеклянной палочкой на стенках пробирки или колбы. Чтобы вещество не выделялось в виде масла, следует выбирать растворитель с температурой кипения на 10-15°С ниже температуры плавления перекристал- лизуемого вещества. На основе приблизительной оценки количества растворителя, необходимого для перекристаллизации всего вещества, подбирают колбу такого размера, чтобы максимальное ее заполнение растворителем не превышало 2/3 ее объема (убедитесь в чистоте колбы и отсутствии на ней трещин!). До перекристаллизации вещество надо взвесить, а также определить степень его чистоты (tпл., TCX).

Проведение перекристаллизации.

В кристаллизационную колбу вносят основное количество вещества (~90 %), приливают около 2/3 требуемого количества растворителя, осторожно нагре- вают раствор до кипения и кипятят его некоторое время, пока процесс растворения не остановится (часто растворение, особенно крупных кристаллов, идет медленно, и поэтому нельзя спешить быстро прекращать кипячение раствора). Затем приливают ещё часть оставшегося растворителя и снова кипятят раствор. После полного растворения присыпают остальное вещество (осторожно! Возможно вспенивание!) и добавляют еще растворитель до полно- го растворения (при кипячении) вещества (в конце растворитель необходимо добавлять как можно более малыми порциями). Чтобы знать объем использованного растворителя, лучше всего приливать растворитель из мерного цилиндра.

При перекристаллизации из любых растворителей, кроме воды, колба обязательно должна быть снабжена обратным холодильником (воздушным или водяным, в зависимости от летучести растворителя). Приливать растворитель к горячему раствору можно только через холодильник. При работе с легколетучими и легковоспламеняющимися жидкостями необходима повышенная осторожность: работать только под тягой, вдали от возможных источников воспламенения, нагревание производить соответствующими приборами.

Часто после растворения вещества в растворе остаются нерастворимые примеси. Отличить их от недорастворенного вещества можно как по внешнему виду, так и по прекращению уменьшения их количества при прибавлении очередных порций растворителя. Для их удаления применяют горячее фильтрование раствора, лучше с применением вакуума. При проведении этой операции необходима особая осторожность – обязательно работать под тягой! Воронку перед фильтрованием надо нагреть, так как на холодной воронке сразу же может начаться кристаллизация вещества. Фильтровать горячие растворы на воронке Бюхнера нельзя, поскольку бумажный фильтр в этом случае легко рвется! Надежнее использование пористых стеклянных фильтров. Лучше применить обогреваемую коническую воронку со складчатым фильтром.

Для уменьшения кристаллизации вещества на фильтре (при этом возможно забивание его пор) часто используют несколько большее количество растворителя, чем необходимо для простой перекристаллизации. После отделения от нерастворимых примесей колбу охлаждают водопроводной водой. Для более полного выпадения вещества используют охлаждение ледяной водой. Нередко для полного отделения осадка даже при хорошем охлаждении тре- буется длительное время (до нескольких часов).

Одна из наиболее частых причин неудач при перекристаллизации – использование излишних количеств растворителя.

По окончании кристаллизации выпавший осадок отфильтровывают, промывают небольшим количеством чистого растворителя и высушивают до постоянного веса.

Перекристаллизованный продукт взвешивают, определяют его температуру плавления и хроматографическую чистоту и сравнивают с этими характеристиками до перекристаллизации. Если в результате перекристаллизации вещество стало чище, но примеси еще присутствуют, повторяют перекристаллизацию еще раз.

Если же при перекристаллизации (первой или последующих) содержание примесей не изменяется (о чем можно судить по тем- пературе плавления и ТСХ), надо перекристаллизовать вещество из другого растворителя.

Обычно перекристаллизация из 2-3 различных растворителей позволяет очистить вещество от любых примесей.

 

Перегонка

Перегонка – один из самых древних и широко используемых методов разделения и очистки веществ. Перегонке могут подвергаться не только жидкие, но и твердые при комнатной температуре вещества. В отличие от большинства других методов, эффективность применения перегонки возрастает при увеличении абсолютного количества вещества.

Способы перегонки разделяются на две группы: простая перегонка и ректификация. При простой перегонке пары кипящей жидкости (индивидуального вещества или смеси веществ) непосредственно из колбы поступают в холодильник, превращаются там в конденсат, который собирают затем в приемнике. При ректификации между перегонной колбой и холодильником имеется ректификационная колонка, в которой поднимающиеся пары взаимодействуют со стекающей им навстречу жидкостью (флегмой), образующейся в результате частичной конденсации паров, вследствие чего попадающие в холодильник пары обогащаются легкокипящим

компонентом, а высококипящие компоненты стекают вместе с флегмой обратно в перегонную колбу.

Удовлетворительное разделение веществ простой перегонкой возможно при условии, если разница в температурах кипения разделяемых жидкостей не менее 80°С, в противном случае при простой перегонке происходит только постепенное обогащение конденсата более высококипящими компонентами. Поэтому простую перегонку применяют обычно только для очистки веществ от неорганических примесей, смол или труднолетучих примесей.

Ректификация позволяет разделять вещества уже с достаточно близкими температурами кипения. Эффективность ректификации зависит от ректификационной колонки, в первую очередь от ее конструкции и правильной эксплуатации. Практически при любых типах колонок возможность разделения жидкостей пропорциональна размерам колонок (до определенной степени), поэтому эффективная ректификация малоприменима для разделения небольших количеств веществ.

На колонках, используемых в промышленности (где ограничения по размерам не существенны), можно разделить жидкости, отличающиеся по температуре кипения менее чем на 1° С. Лабораторные колонки позволяют делить жидкости с разницей температур не менее 10° С.

В лабораторной практике для повышения эффективности разделения веществ перегонкой часто используют дефлегматоры - простейшие ректификационные колонки. Хорошие дефлегматоры должны обеспечивать как можно большую поверхность соприкосновения поднимающихся паров со стекающей навстречу флегмой.

Широкое применение нашли елочные дефлегматоры. Однако следует иметь в виду, что даже самые хорошие лабораторные дефлегматоры обладают весьма ограниченной разделяющей способностью и пригодны лишь для грубого фракционирования. С их помощью можно удовлетворительно разделять лишь вещества с разницей в температурах кипения более 30° С.

Несмотря на все свои достоинства, перегонка не является универсальным методом очистки и разделения веществ. Так, есть смеси, которые при определенном составе компонентов не могут быть разделены перегонкой (азеотропные смеси). Встречаются такие случаи, когда высококипящее вещество перегоняется с парами других, низкокипящих веществ.

Однако эти ограничения могут быть использованы при очистке веществ перегонкой. Например, за счет образования азеотропных смесей воды с бензолом, хлороформом и другими растворителями возможно удаление воды путем отгонки азеотропа (азеотропная сушка). На втором отмеченном ограничении основан такой эффективный во многих случаях метод очистки высококипящих веществ, как перегонка с водяным паром.

Очень существенным ограничением перегонки является то, что многие вещества разлагаются при нагревании, и не только до температуры кипения, но и значительно раньше. Однако, поскольку температура кипения жидкостей сильно зависит от давления, при понижении давления возможно снижение температуры кипения ниже температурного предела разложения. Перегонка при пониженном давлении называется вакуумной перегонкой.

Для жидкостей с температурой кипения до 150°С перегонку осуществляют при атмосферном давлении. Если жидкость кипит выше 150°С, рекомендуется ее перегонять при уменьшенном давлении (в вакууме). Изменение температуры кипения при уменьшении давления для различных жидкостей незначительно зависит от их природы, поэтому перегонка в вакууме позволяет только снизить температуру кипения и слабо сказывается на эффективности разделения. При оценке снижения температуры кипения при пониженном давлении можно руководствоваться эмпирическим правилом: при понижении давления вдвое температура кипения сни- жается на 15° С.

Например, вещество, кипящее с разложением при 350° С и 760 мм рт. ст., можно перегнать при 160-210° С и 10 мм рт. ст. или при 40-50° С и 0,0001 мм рт. столба. Существуют номограммы для пересчета температуры кипения при различных давлениях [3, с. 32]. Перегонкой в вакууме иногда удается предотвратить образование азеотропных смесей.

Ход любой перегонки можно охарактеризовать графиком зависимости между количеством дистиллята, собранного к определенному моменту времени, и температурой кипения в этот момент (рис. 13).

Такой график легко построить, собирая дистиллят в мерный цилиндр и регистрируя температуру кипения через равные объемы собранного дистиллята. Различные участки на этом графике соответствуют различным фракциям, которые собирают при перегонке. Так, на рис. 13 участок БВ соответствует фракции дистиллята с постоянным составом (чистое вещество или азеотроп), участки АБ и ВГ – фракциям с переменным составом.

 

tºС

 
 

 

Рис. 13. График зависимости между количеством дистиллята и температурой перегонки.

 

На практике при перегонке собирают в отдельные приемники обычно три-четыре фракции – основные и промежуточные. К основным фракциям относят такие фракции, в ходе сбора которых температура перегонки остается практически постоянной (участок БВ на рис. 13). Промежуточными считаются фракции, соответствующие участкам быстрого повышения температуры на графике перегонки (участки АБ и ВГ на рис. 13).

Следует иметь в виду, что в ходе перегонки даже чистого вещества (или фракции, содержащей только чистое вещество) температура к концу вследствие перегрева может подниматься на 1-3° С. Скорость перегонки регулируют таким образом, чтобы за 1 сек стекало не более 1-2 капель дистиллята. Однако при простой перегонке, особенно когда ведется очистка от сиропообразных примесей, скорость может быть увеличена.

При проведении перегонки любого вида всегда необходимо

предварительно определить вес исходного вещества, а по окончании перегонки определить вес и характеристики всех отдельно собранных фракций, а также записать температурные интервалы, в которых отобрана каждая фракция, и указать давление, при котором осуществлялась перегонка.

В зависимости от вида перегонки, количества вещества и его физических констант существуют разнообразные конструкции перегонных установок. Ниже будут рассмотрены основные из них, а также основные правила проведения перегонок.

 



Поделиться:


Последнее изменение этой страницы: 2019-04-30; просмотров: 341; Нарушение авторского права страницы; Мы поможем в написании вашей работы!

infopedia.su Все материалы представленные на сайте исключительно с целью ознакомления читателями и не преследуют коммерческих целей или нарушение авторских прав. Обратная связь - 44.202.183.118 (0.021 с.)