Перекристаллизация

Из всех методов очистки солей и других твердых электролитов и органических соединений на первое место по применимости следует поставить перекристаллизацию. Это связано как простотой процесса, так и с его эффективностью (во всяком случае, при грубой очистке). Воспользовавшись повышением растворимости солей при нагревании, можно приготовить насыщенный при температуре кипения раствор, отфильтровать его от механических примесей и охладить. При этом зачастую удается получить кристаллы достаточно чистой соли. Это связано с тем, что при охлаждении раствор оказывается пересыщенным только по отношению к основному веществу, в то время как соли- примеси, присутствующие в количестве долей процента, остаются в маточном растворе.

Эффективность очистки вещества перекристаллизацией зависит также от его растворимости. При растворимости вещества, лежащей в пределах 5-30% , очистка происходит значительно полнее, чем при растворимости 75-85%. Отсюда следует, что перекристаллизация нецелесообразна при очистке очень легко растворимых веществ.

Растворимость определяется концентрацией насыщенного раствора при данной температуре. Растворимость часто выражают двумя способами - числом граммов растворенного вещества в 100 граммах насыщенного раствора или числом граммов растворяемого вещества, которое может раствориться в 100 граммах растворителя до образования насыщенного раствора.

Если приготовить насыщенный раствор при высокой температуре и охладить, то при охлаждении часть растворённого вещества выпадет в осадок, а примеси останутся в маточном растворе, так как по отношению к ним раствор не будет насыщен. Таким образом, очищаемое вещество освобождается от примесей.

Для того чтобы представить суть процесса перекристаллизации, разберём следующий пример. Допустим, что необходимо перекристаллизовать бихромат калия. Предположим, что перекристаллизацию проведем из 200 г насыщенного раствора K₂Cr₂O₇ при 60⁰С. Рассчитаем количество соли и воды для приготовления этого раствора.

По таблице растворимости находим, что растворимость K₂Cr₂O₇ в воде при 60⁰С равна 32,8%. Тогда количество соли, необходимое для приготовления 200г раствора, насыщенного при 60⁰С, находим из пропорции:

Если в 100г насыщенного раствора содержится 32,8г соли,

то в 200г насыщенного раствора содержится х г соли.

Отсюда: х = 32,8 ^. 200/100 =65,6 г K₂Cr₂O_7.

Количество воды 200 - 65,6 = 134,4 г или 134,4мл. Отвешиваем на весах 65,6 г K₂Cr₂O_7, пересыпаем в стакан и наливаем воду мензуркой или цилиндром. Перемешивая раствор, нагреваем (на водяной или песчаной бане) и фильтруем на воронке для горячего фильтрования со складчатым фильтром (почему?).

Если раствор после фильтрования ненасыщен, его переносят в фарфоровую чашку, упаривают до образования перламутровой плёнки и охлаждают (используя холодную воду или охладительную смесь) до заданной температуры. При медленном охлаждении выпадают крупные кристаллы, при быстром очень мелкие. Нужно стремиться получить кристаллы средней величины (почему?).

Выпавшее при кристаллизации вещество отделяют от маточного раствора путём фильтрования под вакуумом; тщательно отжимают стеклянной пробкой. Промывают небольшим количеством холодного растворителя. Отмытые кристаллы высыпают на фильтровальную бумагу и сушат на воздухе. Если вещество не теряет кристаллизационной воды, его можно сушить в эксикаторе. Вещества, расплывающиеся на воздухе, быстро отжимают и перекладывают в банку с притёртой пробкой.

Пусть в результате перекристаллизации и охлаждения до 10⁰С получили 55 г соли K₂Cr₂O₇ и 105 мл насыщенного при 10⁰С раствора; примем плотность раствора равной единице. По таблице находим растворимость соли в насыщенном при 10⁰С растворе и рассчитаем массу соли, оставшейся в нем:

Если в 100г насыщенного раствора содержится 7,8г соли, то в 55г насыщенного раствора содержится х г соли.

Отсюда: х = 105 ^. 7,8/100 = 8,1г. Следовательно, содержание K₂Cr₂O₇ во взятой навеске составляет 55+8,1 = 63,1 г или w ( K₂Cr₂O₇) = 63,1^. 100/ 65,6 = 96,1 %.

Количество примесей 65,6 - 63,1 = 2,5 г или в % 100 - 96,1 = 3,9%.

Если в маточном растворе остаётся большое количество вещества и если вещество дорогостоящее, маточный раствор упаривают и выделяют следующие порции вещества, как было описано ранее.

При перекристаллизации вещества, растворимость которого неизвестна, поступают следующим образом: берут небольшой объём растворителя, нагревают до заданной температуры и вносят в него соединение, которое необходимо перекристаллизовать. Раствор фильтруют, упаривают до образования плёнки. Кристаллы отделяют, проверяют на чистоту и взвешивают.

При использовании органических растворителей необходимо принимать меры, чтобы при нагревании и фильтровании раствора не произошло воспламенения.

Задание: По указанию преподавателя получите вещество и проведите перекристаллизацию при заданной температуре. Составьте план работы. Рассчитайте выход основного продукта и количество примесей.