Проведение кристаллизации

Чтобы перекристаллизовать какое-либо вещество, его растворяют в подходящем растворителе, нагретом до ки­пения, стараясь получить концентрированный или даже насыщенный при данной температуре раствор. Если раствор содержит какие-либо механические примеси или муть, его отфильтровывают через воронку для горячего филь­трования (см, выше), причем приемником может служить кристаллизатор, фарфоровая чашка, коническая колба или стакан. Если же полученный раствор совершенно прозрачен и не содержит механических примесей, филь­трование излишне и даже вредно, так как оно неизбежно связано с потерей некоторого количества кристаллизуе­мого вещества.

При перекристаллизации стараются получить вещест­во в кристаллах некоторого среднего размера (не очень крупных и не очень мелких). Крупные кристаллы обычно содержат включения маточного раствора с находящимися в нем примесями, в результате чего перекристаллизован­ное вещество оказывается загрязненным. Наоборот, очень мелкие кристаллы, будучи свободными от этих включений, образуют густую кашицу; между отдельными кристаллами последней очень прочно удерживается маточный раствор, отмыть который полностью без большой потери вещества не удается. Кроме того, установить кристаллическую структуру очень мелких кристаллов затруднительно (да­же под микроскопом), а это лишает исследователя воз­можности использовать один из важных критериев чисто­ты вещества – его кристаллическую структуру и одно­родность образованных кристаллов. В общем можно ре­комендовать получать кристаллы таких размеров, чтобы структура их была ясно видна при увеличении в 50 – 100 раз. Величина отдельных кристаллов, выделяющихся при перекристаллизации, зависит от скорости охлажде­ния раствора. Если раствор охлаждается медленно, то образующиеся кристаллы постепенно растут и могут до­стигнуть иногда очень больших размеров и, наоборот, при быстром охлаждении образуются мелкие кристаллы.

Для быстрого охлаждения раствора при кристаллиза­ции кристаллизатор (или другой приемник) помещают в холодную воду, снег или лед. Если при быстром охлажде­нии кристаллы все же не выделяются, образование их можно вызвать, потерев стеклянной палочкой изнутри о стенку сосуда или же внеся самое незначительное коли­чество вещества в охлажденный раствор. В последнем случае бывает достаточно кристаллика величиной с пы­линку.

Если при кристаллизации образовались очень мелкие кристаллы, их снова растворяют при нагревании и сосуд, в котором проводилось растворение, сразу же обертывают полотенцем, накрывают часовым стеклом (выпуклой сто­роной наружу) в оставляют стоять в полном покое.

Выпавшее при кристаллизации вещество отделяют от маточного раствора путем фильтрования под вакуумом; тщательно отжимают на воронке плоской стороной стек­лянной пробки и промывают небольшим количеством чи­стого холодного растворителя. Маточный раствор упари­вают, до половины и снова выделяют новую порцию ве­щества, как это было описано выше.

Отфильтрованные кристаллы высыпают на фильтро­вальную бумагу, равномерно распределяют по ней, сверху закрывают другим листом фильтровальной бумаги и су­шат на воздухе. Если вещество не теряет кристаллиза­ционной воды (перекристаллизация из воды), то его можно сушить в эксикаторе. Вещества, расплывающиеся на воздухе, быстро отжимают на пористой глиняной тарелке и перекладывают в банку с притертой пробкой.

Когда перекристаллизацию ведут не из воды, а из какого-нибудь органического растворителя, например спирта или бензола, необходимо принимать меры, чтобы при нагревании и фильтровании раствора не возник пожар.

Трудной задачей при кристаллизации является опре­деление нужного объема растворителя. Как уже указы­валось, желательно получить наиболее концентрирован­ный горячий раствор. Если растворимость кристаллизуе­мого вещества при различных температурах известна, задача упрощается, так как потребное количество раство­рителя можно подсчитать. Если же, что является более частым случаем, растворимость вещества неизвестна, по­ступают следующим образом.

К колбе соответствующего размера подбирают пробку, в которую вставляют стеклянную трубку длиной не менее 75 см. Эта трубка служит холодильником.

Взвесив кристаллизуемое вещество, высыпают при­мерно половину его в колбу с холодильной трубкой. Оп­ределенное количество (по объему) растворителя прили­вают небольшими порциями в колбу и после прибавления каждой порции содержимое колбы нагревают до кипения (как опиасано ниже). Так поступают до тех пор, пока все находящееся в колбе вещество не перейдет при нагрева­нии в раствор. При этом не нужно забывать, что кристаллизуемое вещество может содержать примеси, не раство­римые в данном растворителе. Поэтому, когда основная масса вещества растворится, оценивают на глаз, какая часть его осталась нерастворенной. Зная объем взятого растворителя, добавляют в колбу количество его, пропор­циональное остающемуся нерастворенному осадку. Если последний при этом не перейдет в раствор, можно считать его посторонней примесью, которая должна быть отделе­на при последующем фильтровании. Если же при прибав­лении растворителя весь осадок перейдет в раствор, не­большими порциями добавляют в колбу оставшееся ве­щество до тех пор, пока при нагревании не будет оставать­ся небольшой нерастворяющийся остаток. Этот остаток растворяют при нагревании, добавляя снова соответст­вующее количество растворителя. Можно считать, что приготовленный таким путем горячий раствор насыщен­ный. Тогда взвешивают оставшееся вещество, измеряют объем оставшегося растворителя и по разности масс и объемов находят количество растворителя, требующееся для растворения всего взятого вещества. Всыпают остав­шееся количество последнего в колбу, прибавляют соот­ветствующее количество растворителя и растворяют при кипячении.

Нужно обратить внимание на способ нагревания кол­бы при растворении. Закрыв колбу пробкой с холодиль­ной трубкой, нагревают колбу на водяной или другой ба­не (в зависимости от температуры кипения растворителя), горелку гасят до начала кипения растворителя. Нагре­вание продолжают еще в течение нескольких минут, после чего смотрят (как указано выше), достаточно ли взято растворителя. Так поступают при каждом новом нагрева­нии. Когда в колбу введено все количество вещества и взят нужный объем растворителя, горячий раствор в случае необходимости быстро фильтруют через воронку для го­рячего фильтрования (горелка погашена) в кристаллиза­тор или стакан.

При охлаждении раствора и выпадении кристаллов их отфильтровывают, отжимают или сушат.

Для более тщательной очистки перекристаллизацию приходится проводить несколько раз. Следует заметить, что с каждой новой перекристаллизацией количество ве­щества будет уменьшаться, так как потери при кристал­лизации неизбежны, как бы тщательно она ни велась.

После фильтрования горячего раствора фильтр следует промыть небольшим количеством чистого нагретого рас­творителя. Таким образом удается уменьшить потери кристаллизуемого вещества.

 

Сублимация или возгонка

 

Некоторые твердые неорганические и органические вещества обладают способностью при нагревании испа­ряться, не плавясь. При охлаждении паров таких ве­ществ они переходят из газообразного в твердое состоя­ние, минуя жидкую фазу. Этим свойством пользуются для очистки веществ. Сама операция называется воз­гонкой, или сублимацией.

Сублимацию, как и перегонку, можно проводить при обычном давлении или при уменьшении давления (ва­куум-сублимация). Ниже рассматриваются случаи суб­лимации только при обычном давлении.

Из веществ, которые можно очистить сублимацией, следует назвать: иод, серу, окиси мышьяка, хлористый аммоний и др.

В лабораториях чаще всего приходится возгонять иод. Устройство для возгонки небольших количеств вещества очень простое. Это — тонкостенный стакан, поставлен­ный на песочную баню так, чтобы дно его было погружено в песок на 1—2 см. Стакан сверху накрывают часовым стеклом, причем выпуклая сторона его должна быть обра­щена внутрь стакана (рис. 431). При осторожном нагревании иод возгоняется и на часовом стекле собираются игольчатые кристаллы.

 

Рпс. 431. Простейшее устройство    Рис. 432. Прибор для
для возгонки:                                          возгонки.

1 — часовое стекло; 2 — стакан;  

  3 — тер­мометр; 4 — песочная баня.

Технический иод перед возгонкой следует смешать с KI и СаО. Обычно на б частей продажного иода следует брать 1 часть KI и 2 части СаО, затем смесь растирают и субли­мируют.

Иногда, для улучшения охлаждения, на часовое стек­ло наливают холодную воду или кладут небольшие ку­сочки льда.

Значительно удобнее работать с аппаратом, устроен­ным по типу холодильников, т. е. с постоянным током холодной воды. Один из аппаратов такого типа изобра­жен на рис. 432.

Одну трубку прибора присоединяют к водопроводному крану, а другая трубка служит для отвода воды; на нее следует надеть резиновую трубку и отвести ее к раковине или водосливу. Ток воды устанавливают не очень силь­ный.

Обычно иод для надежности возгоняют дважды. После вторичной возгонки препарат получается очень чистым, если его не загрязнить при снимании кристаллов со стек­ла. Кристаллы иода снимать при помощи металлического

шпателя или ножа нельзя, так как иод взаимодействует с большинством металлов. Возогнанный иод с часово­го стекла или с аппарата для воз­гонки следует счищать стеклянной лопаточкой.

Аналогичным образом можно возо-гнать и другие вещества, упомянутые выше.

Очень удобный прибор для возгон­ки иода изображен на рис. 433. Нагре­вание в нем проводят при помощи элек­трической лампы накаливания мощно­стью около 100 вт. Эту лампу 2 вста­вляют в трубку 1 из асбоцемента или фарфора. В открытый конец трубки вставляют тонкостенный химический стакан 3, на дно которого помещают нужное количество иода, подлежаще­го очистке. Стакан закрывают специ­альной колбой-холодильником 4. Хо­лодная вода поступает в левую трубку колбы и выходит через правую.

При необходимости возогнать большое количество ка­кого-либо вещества аппаратуру соответствующим образом изменяют. Обычно в пособиях по препаративной химии приводится описание аппаратов для каждого отдельного случая.

 

Рис. 443. Прибор для возгонки иода:

1 – трубка из фарфора; 2 – лампа;

3 – стакан; 4 – колба-холодильник

 

 

Лабораторная работа № 1 Методы очистки веществ

 

Приборы и реактивы: технохимические весы, асбестовая сетка, горелка, складчатый фильтр, воронка Бюхнера, сушильный шкаф, эксикатор, штатив, аппарат Киппа, промывалка, хлоркальциевая трубка, термометр, отводная трубка, колба Вюрца, холодильник, аллонж, колба-приемник, стакан без носика, колба имеющую внизу отросток, колба, часовое стекло, 2 стеклянные палочки, 4 стакана, воронку, 3 фарфоровые чашки. Дихромат калия, концентрированную хлороводородную кислоту, раствор нитрата бария, хлорида натрия технический, кристаллический йод, мрамор, сульфат меди.