Сушка при нагревании и обычном атмосферном давлении

Наибольшее распространение получила сушка при нагревании и обычном атмосферном давлении. Различают следующие способы сушки при нагревании: 1) на открытом воздухе; 2) в сушильных шкафах.

Выбор способа сушки зависит от свойств вещества и от условий.

При сушке на открытом воздухе высушиваемое вещество помещают на сковороду или в фарфоровую чашку и подогревают на какой-либо бане (песочной, масляной, водяной) или же на электроплитке. При этом вещество перемешивают стеклянной палочкой или лопаткой, не давая образовываться корочке. Таким путем можно высушивать многие вещества, преимущественно неорганические, выдерживающие нагревание.

Недостатком этого способа сушки является то, что при нем почти нельзя регулировать температуру сушки и поэтому возможны перегревы, сопровождающиеся иногда расплавлением высушиваемого вещества.

Удобнее сушить вещество в сушильных шкафах. В лабораториях можно встретить несколько типов сушильных шкафов для высушивания при обычном атмосферном давлении: с электрическим, газовым или другим обогревом. Они бывают асбестированные или металлические (чаще всего - медные).

Не рекомендуется сушить в электрическом сушильном шкафу вещества, пропитанные органическими растворителями, особенно огнеопасными и легко воспламеняющимися, так как при этом возможен взрыв.

Продолжительность сушки зависит от количества высушиваемого вещества, толщины его слоя, температуры сушки и влажности вещества.

Правила сушки

1. Вещество, подлежащее сушке, должно быть предварительно отжато от избытка воды.

2. Слой вещества при сушке как на воздухе, так и при нагревании не должен превышать 10 мм.

3. Высушиваемый слой время от времени нужно перемешивать и снова разравнивать.

4. При сушке в простых сушильных шкафах следует избегать перегрева. В большинстве случаев температура сушки не должна превышать 105–110 °С.

5. Твердые вещества, содержащие органические растворители, высушивать в сушильном шкафу с электрическим обогревом опасно.

6. При использовании в качестве высушивающего средства концентрированной серной кислоты наливать ее в поглотительные склянки нужно столько, чтобы не происходил переброс жидкости.

 

Методы очистки органических соединений

Кристаллизация

Кристаллизация – один из важнейших методов очистки твердых веществ. По сравнению с другими методами она наиболее универсальная, относительно малотрудоемкая, при правильном проведении обеспечивает высокую степень очистки, хотя и связана иногда со значительными потерями очищаемого продукта.

Кристаллизация основана на различной растворимости очищаемого вещества в горячем и холодном растворителе.

Выбор растворителя

Успех перекристаллизации определяется прежде всего правильным выбором растворителя. Он должен хорошо растворять очищаемое соединение при нагревании и плохо – на холоду. Примеси либо вообще не должны растворяться (в этом случае их удаляют фильтрованием горячего раствора), либо должны обладать высокой растворимостью даже на холоду. Разумеется, пригодным можно считать лишь химически инертный по отношению к очищаемому веществу растворитель, он должен способствовать образованию устойчивых кристаллов и легко удаляться с поверхности кристаллов при отмывании и высушивании.

При выборе растворителя часто можно руководствоваться правилом «подобное растворяется в подобном», т. е. полярные соединения более растворимы в полярных растворителях, чем в неполярных, и наоборот. Обычно большинство органических соединений, за исключением небольшого их числа, содержащих группы ОН, СО₂Н или SO₃H, нерастворимы в воде, поэтому вода редко бывает хорошим растворителем для кристаллизации. Неполярные соединения, например углеводороды или алкилгалогениды, почти нерастворимы в воде, но легко растворяются в неполярных растворителях типа петролейного эфира или тоуола. Так, например, фенолы, карбоновые кислоты, низшие спирты и другие вещества, содержащие гидроксильную группу, легко растворяются в воде; высшие сложные эфиры - в низших, высшие спирты - в низших спиртах и т. д. Однако это правило верно только для веществ простого строения, для сложных соединений оно не всегда соблюдается. Окончательный выбор растворителя можно произвести лишь опытным путем в пробирках с малыми количествами вещества, подвергаемого очистке. При этом отмечают растворимость вещества при нагревании и на холоду, кристаллическую форму выделяющегося осадка, его чистоту           и т. п.

Если отсутствуют литературные данные, то выбор растворителя, а также определение необходимого его количества проводится с помощью пробирочных опытов. Небольшую навеску очищаемого соединения растворяют в минимальном количестве исследуемого кипящего растворителя, затем приблизительно оценивают полноту выделения кристаллов при охлаждении.

Нередко растворитель обладает настолько высокой растворяющей способностью по отношению к очищаемому веществу, что не может быть использован для его перекристаллизации. В этих случаях для перекристаллизации применяют смеси, состоящие из двух, а иногда и трех растворителей. Чтобы добиться необходимого снижения растворимости, к этому растворителю добавляют второй, неограниченно с ним смешивающийся и плохо растворяющий очищаемое соединение. Оптимальную пропорцию обычно подбирают опытным путем. Растворители, применяемые совместно, должны смешиваться друг с другом во всех отношениях. В большинстве случаев применяют следующие смеси: спирт - вода; спирт - бензол; спирт - ледяная уксусная кислота; ацетон - вода; эфир - ацетон - бензол; хлороформ - петролейный эфир и др.

В качестве растворителей при кристаллизации применяют воду, этиловый и метиловый спирты, бензол, толуол, ацетон, этиловый эфир, ледяную уксусную кислоту, хлороформ, уксусно-этиловый эфир и др. Легколетучие растворители, как, например, эфир, сероуглерод, неудобны в употреблении, так как они слишком легко улетучиваются с поверхности раствора или кристаллов.

Применяя легковоспламеняющиеся растворители (эфир, спирт, ацетон и др.), растворение следует вести очень осторожно в колбе с обратным водяным холодильником. Находящиеся поблизости электронагревательные приборы с открытым обогревом должны быть выключены.

Проведение кристаллизации

Растворение в органических растворителях подлежащих кристаллизации (перекристаллизации) веществ производят в колбе, снабженной обратным холодильником (рис. 4). В колбу загружают растворяемое соединение, приливают к нему растворитель в количестве, приблизительно необходимом для получения насыщенного раствора при кипении, затем вставляют в горло колбы обратный холодильник, подают в его рубашку охлаждающую воду, и только после этого начинают обогрев колбы на водяной бане, если растворители имеют Т_кип до 80 °С, или на электрической плитке в случае более высококипящих растворителей. Во избежание перегрева жидкости и толчков при кипячении раствора, в колбу перед нагреванием вносят «кипелки». При необходимости (например, если растворение происходит очень медленно и продукт слеживается на дне колбы) через холодильник пропускают вал мешалки, вращаемый электромотором. Перемешивать содержимое колбы необходимо только до тех пор, пока растворитель не закипит. Если первоначального количества растворителя не хватает для полного растворения вещества, растворитель небольшими порциями приливают с помощью воронки прямо через обратный холодильник.

Рисунок 4 – Прибор для кристаллизации:

1 – плитка; 2 – круглодонная колба;

3 – обратный водяной холодильник;

4 – коническая воронка

Горячее фильтрование насыщенного раствора в органическом растворителе - ответственная операция, для выполнения которой необходим некоторый опыт и предельная аккуратность. Следует помнить, что горячий органический растворитель представляет повышенную опасность в пожарном отношении. Поэтому фильтрование необходимо проводить в вытяжном шкафу, предварительно выключив искрящее электрооборудование. В то же время операцию следует проводить быстро, чтобы избежать кристаллизации продукта на фильтре за счет охлаждения раствора или испарения части растворителя. Наиболее удобны для этой цели воронки для горячего фильтрования (см. рис. 2, разд. 2.3.1). Во время фильтрования воронку прикрывают сверху часовым стеклом. Иногда, чтобы облегчить процесс горячего фильтрования, приходится предварительно разбавлять раствор некоторым избытком горячего растворителя, делая его таким образом ненасыщенным. После фильтрования избыток растворителя упаривают при нагревании, снова получая насыщенный, но уже профильтрованный раствор.

Иногда твердое неочищенное вещество содержит окрашенные примеси смолистых продуктов; такие загрязнения трудно отделяются перекристаллизацией. В подобных случаях для обесцвечивания раствора добавляют активированный уголь. Во избежание адсорбции основного продукта не следует брать слишком много угля. Обычно его добавляют 1-2% от количества очищаемого вещества. Перед внесением активированного угля нужно несколько охладить раствор, так как уголь выделяет много воздуха, а это может привести к сильному вспениванию и выбросу жидкости. Затем смесь кипятят 5-10 мин с обратным холодильником и фильтруют еще горячий раствор. Если полученный горячий насыщенный раствор содержит какие-либо механические примеси или муть, его отфильтровывают как можно быстрее через складчатый фильтр, смоченный растворителем на воронке для горячего фильтрования.