Rekrystalizacja.
W chemii rekrystalizacja jest techniką stosowaną do oczyszczania substancji chemicznych. Poprzez rozpuszczenie zarówno zanieczyszczeń, jak i związku w odpowiednim rozpuszczalniku, pożądany związek lub zanieczyszczenia mogą zostać usunięte z roztworu, pozostawiając pozostałe. Nazwa pochodzi od kryształów, które często powstają po wytrąceniu się związku. Alternatywnie, rekrystalizacja może odnosić się do naturalnego wzrostu większych kryształów lodu kosztem mniejszych.
Metoda oczyszczania opiera się na zasadzie, że rozpuszczalność większości ciał stałych wzrasta wraz ze wzrostem temperatury. Oznacza to, że wraz ze wzrostem temperatury wzrasta ilość substancji rozpuszczonej, którą można rozpuścić w rozpuszczalniku.
Zanieczyszczony związek jest rozpuszczany (zanieczyszczenia muszą być również rozpuszczalne w rozpuszczalniku), aby przygotować wysoce stężony roztwór w wysokiej temperaturze. Roztwór jest schładzany. Obniżenie temperatury powoduje zmniejszenie rozpuszczalności zanieczyszczeń w roztworze i oczyszczanej substancji. Substancja nieczysta krystalizuje wtedy przed zanieczyszczeniami - zakładając, że substancji nieczystej było więcej niż zanieczyszczeń. Zanieczyszczona substancja krystalizuje w czystszej postaci, ponieważ zanieczyszczenia jeszcze nie krystalizują, pozostawiając zanieczyszczenia w roztworze. W tym momencie należy zastosować proces filtracji, aby oddzielić czystsze kryształy. Procedurę można powtórzyć. Krzywe rozpuszczalności mogą być wykorzystane do przewidywania wyniku procedury rekrystalizacji.
Rekrystalizacja działa najlepiej, gdy
Metoda oczyszczania opiera się na zasadzie, że rozpuszczalność większości ciał stałych wzrasta wraz ze wzrostem temperatury. Oznacza to, że wraz ze wzrostem temperatury wzrasta ilość substancji rozpuszczonej, którą można rozpuścić w rozpuszczalniku.
Zanieczyszczony związek jest rozpuszczany (zanieczyszczenia muszą być również rozpuszczalne w rozpuszczalniku), aby przygotować wysoce stężony roztwór w wysokiej temperaturze. Roztwór jest schładzany. Obniżenie temperatury powoduje zmniejszenie rozpuszczalności zanieczyszczeń w roztworze i oczyszczanej substancji. Substancja nieczysta krystalizuje wtedy przed zanieczyszczeniami - zakładając, że substancji nieczystej było więcej niż zanieczyszczeń. Zanieczyszczona substancja krystalizuje w czystszej postaci, ponieważ zanieczyszczenia jeszcze nie krystalizują, pozostawiając zanieczyszczenia w roztworze. W tym momencie należy zastosować proces filtracji, aby oddzielić czystsze kryształy. Procedurę można powtórzyć. Krzywe rozpuszczalności mogą być wykorzystane do przewidywania wyniku procedury rekrystalizacji.
Rekrystalizacja działa najlepiej, gdy
- Ilość zanieczyszczeń jest niewielka.
- Krzywa rozpuszczalności pożądanej substancji rozpuszczonej szybko rośnie wraz z temperaturą.
Krystalizacja pojedynczego rozpuszczalnika, przykład z objaśnieniami.
Krystalizacja przedstawiona w tej sekcji pokazuje oczyszczanie około 1g próbki starego NBS - bromobursztynoimidu (NBS), który został znaleziony w butelce z odczynnikiem jako pomarańczowy proszek. Do krystalizacji użyto wody jako rozpuszczalnika, który nie jest łatwopalny, a więc zastosowano płytę grzejną.Jeśli krystalizacja ma być przeprowadzona przy użyciu łatwopalnych rozpuszczalników organicznych, zaleca się stosowanie łaźni parowej, a w niektórych sytuacjach jest to konieczne (w przypadku stosowania eteru dietylowego, acetonu lub niskowrzącego eteru naftowego). Poniższa procedura powinna być stosowana jako wytyczne dla procesu, a niektóre kluczowe różnice między użyciem wody i rozpuszczalników organicznych zostaną omówione w przyszłej sekcji.
Przygotowanie konfiguracji:
- Przenieś zanieczyszczone ciało stałe do krystalizacji do kolby Erlenmeyera o odpowiedniej wielkości (rys. 2 a). Jeśli ciało stałe jest ziarniste, należy je najpierw sproszkować za pomocą szklanego mieszadła.
- Nie zaleca się przeprowadzania krystalizacji w zlewce. Wąskie ujście kolby Erlenmeyera pozwala na łatwiejsze wirowanie i minimalizuje parowanie podczas procesu, ponieważ opary rozpuszczalnika zamiast tego skraplają się na ściankach kolby ("refluksują" po bokach kolby). Wąskie ujście kolby Erlenmeyera pozwala również na łatwiejsze przykrycie kolby podczas etapu chłodzenia, a nawet potencjalne zakorkowanie w przypadku długich krystalizacji. Kolba okrągłodenna również nie jest idealna do krystalizacji, ponieważ kształt kolby utrudnia odzyskanie ciała stałego pod koniec procesu.
- Ważne jest, aby kolba nie była zbyt pełna lub zbyt pusta podczas krystalizacji. Jeśli kolba będzie wypełniona do połowy gorącym rozpuszczalnikiem, trudno będzie zapobiec jej wygotowaniu. Jeśli kolba zawiera rozpuszczalnik do wysokości mniejszej niż 1 cm, roztwór ostygnie zbyt szybko. Zwykle używa się od 10 do 50 razy więcej rozpuszczalnika niż próbki, a przybliżoną wskazówką jest użycie kolby, w której próbka po prostu pokrywa dno cienką warstwą.
- Umieść trochę rozpuszczalnika w zlewce lub kolbie Erlenmeyera wraz z kilkoma wrzącymi kamieniami na źródle ciepła i doprowadź do delikatnego wrzenia. Użyj zlewki, jeśli rozpuszczalnik będzie wylewany i kolby Erlenmeyera, jeśli rozpuszczalnik będzie pipetowany. Jeśli w dalszej części procedury przewidywany jest etap filtracji na gorąco, należy również przygotować zacisk pierścieniowy zawierający lejek z karbowaną bibułą filtracyjną (Rys. 2 b).
Dodaj minimalną ilość gorącego rozpuszczalnika.
- Gdy rozpuszczalnik zacznie wrzeć, chwyć zlewkę za pomocą ochraniacza na gorące dłonie (rys. 2 d), bawełnianych rękawiczek lub uchwytu na ręcznik papierowy wykonanego przez zwinięcie arkusza ręcznika papierowego w długi prostokąt (rys. 2 c). Z boku źródła ciepła wlej niewielką porcję wrzącego rozpuszczalnika do kolby zawierającej zanieczyszczone ciało stałe, aby pokryć dno kolby. Jeśli krystalizacja jest przeprowadzana na małą skalę (przy użyciu kolby Erlenmeyera o pojemności 50 ml lub mniejszej), łatwiejsze może być użycie pipety do przeniesienia porcji rozpuszczalnika do kolby.
- Zwykle nie umieszcza się suchego ciała stałego na źródle ciepła przed dodaniem rozpuszczalnika, w przeciwnym razie ciało stałe może ulec rozkładowi. Gdy ciało stałe zostanie rozproszone w niewielkiej ilości rozpuszczalnika, można je umieścić na źródle ciepła.
- Umieść kolbę zawierającą nieczyste ciało stałe i rozpuszczalnik na źródle ciepła. Użyj jakiejś metody, aby zapobiec uderzeniom (wrzące kamienie, jeśli planujesz "filtrowanie na gorąco", wrzący patyczek) i doprowadź roztwór do delikatnego wrzenia (rys. 3 a).
- Dodawaj rozpuszczalnik porcjami (Rys.3 b), wirując, aby wspomóc rozpuszczanie, aż ciało stałe po prostu się rozpuści (Rys.3 d). Dla 100 mg-1 g związku, dodawać porcje 0,5-2 ml na raz. Należy pamiętać, że całkowite rozpuszczenie ciała stałego może zająć trochę czasu, ponieważ rozpuszczanie ma aspekt kinetyczny. Każdy dodatek powinien być pozostawiony do całkowitego zagotowania przed dodaniem większej ilości rozpuszczalnika, a pomiędzy kolejnymi dodatkami powinno upłynąć trochę czasu. Brak czasu na rozpuszczenie i w konsekwencji dodanie zbyt dużej ilości rozpuszczalnika jest głównym źródłem błędów w krystalizacji.
Nierzadko podczas procesu ogrzewania widoczne są kropelki cieczy (rys. 4). Dzieje się tak, gdy materiał "naoliwia się" lub topi, zanim się rozpuści. Jeśli tak się stanie, kropelki cieczy są teraz związkiem, który krystalizujesz, więc kontynuuj dodawanie rozpuszczalnika w porcjach, aż kropelki cieczy również całkowicie się rozpuszczą. - Uważnie obserwuj roztwór, aby ocenić, czy rozmiar kawałków ciała stałego (lub kropelek cieczy) zmienia się wraz z dodatkowym rozpuszczalnikiem: jeśli tak się nie dzieje, mogą to być nierozpuszczalne zanieczyszczenia. Dodanie nadmiaru rozpuszczalnika w celu rozpuszczenia nierozpuszczalnych zanieczyszczeń negatywnie wpłynie na odzysk. Jeśli obecne są nierozpuszczalne zanieczyszczenia stałe, roztwór należy przefiltrować (w tym momencie należy wstawić etap filtracji na gorąco). Kolorowe zanieczyszczenia można również usunąć na tym etapie za pomocą węgla drzewnego.
Pozostawić roztwór do powolnego ostygnięcia.
- Gdy ciało stałe jest już rozpuszczone, zdejmij kolbę ze źródła ciepła za pomocą ochraniacza na gorące dłonie, uchwytu na ręcznik papierowy lub rękawicy i odstaw ją na bok do ostygnięcia. Usunąć patyczek do gotowania lub mieszadełko, jeśli były używane do ochrony przed uderzeniami (wrzące kamienie mogą zostać wyjęte z ciała stałego w późniejszym czasie, jeśli były używane).
- Aby ułatwić powolne chłodzenie, umieść kolbę na powierzchni, która nie przewodzi dobrze ciepła, takiej jak złożony ręcznik papierowy. Przykryć wylot kolby Erlenmeyera szkiełkiem zegarkowym, aby zatrzymać ciepło i rozpuszczalnik (rys. 5 a). Poczekaj, aż roztwór powoli osiągnie temperaturę pokojową.
- Gdy roztwór ostygnie, powinny utworzyć się stałe kryształy (rys. 5 b). Jeśli roztwór jest tylko ciepły w dotyku lub mętny i nie utworzyły się kryształy, użyj szklanego mieszadła, aby zarysować szkło i zainicjować krystalizację.
- Po rozpoczęciu krystalizacji kryształy powinny powoli rosnąć wraz ze spadkiem temperatury. Idealna krystalizacja trwa od 5 do 20 minut, w zależności od skali. Pełna krystalizacja w czasie krótszym niż 5 minut jest zbyt szybka.
- Gdy roztwór osiągnie temperaturę pokojową, umieść kolbę w łaźni lodowej (zawiesina lodu i wody) na 10-20 minut, aby jeszcze bardziej obniżyć rozpuszczalność związku i zmaksymalizować tworzenie się kryształów (rys. 5 d). Umieść również część rozpuszczalnika w łaźni lodowej, aby użyć go później do płukania podczas filtracji ssącej.
- Użyj filtracji ss ącej, aby odzyskać ciało stałe z mieszaniny.
Krystalizacjamieszanego rozpuszczalnika, przykład z objaśnieniami.
Krystalizacja przedstawiona w tej sekcji pokazuje oczyszczanie około 1 g próbki kwasu trans-cynamonowego. Kwas trans-cynamonowy jest rozpuszczalny w metanolu i nierozpuszczalny w wodzie, a ta krystalizacja wykorzystuje mieszany rozpuszczalnik metanolu i wody, aby uzyskać 74% odzysku.
Zakłada się, że eksperymentator wykonujący tę technikę przeprowadził wcześniej krystalizację jednorozpuszczalnikową lub czytał o niej.
- Określ dwa mieszające się rozpuszczalniki, które można wykorzystać do krystalizacji (rys. 7 a): pożądany związek powinien być rozpuszczalny w jednym rozpuszczalniku (zwanym "rozpuszczalnikiemrozpuszczalnym") i nierozpuszczalny w drugim rozpuszczalniku (zwanym "rozpuszczalnikiem nierozpuszczalnym").
- Przenieś zanieczyszczoną substancję stałą, która ma zostać skrystalizowana, do kolby Erlenmeyera o odpowiednim rozmiarze (rys. 7 b).
- Umieść trochę "rozpuszczalnego rozpuszczalnika" w kolbie (Rys.7 c), dodaj wrzący patyczek (lub wrzące kamienie, jeśli wolisz), a następnie podgrzej na łaźni parowej (Rys.7 d). Płyta grzewcza może być używana ostrożnie, jeśli używane są mieszane rozpuszczalniki metanol/woda lub etanol/woda.
Rys.
a) Kwas trans-cynamonowy jest nierozpuszczalny w wodzie i rozpuszczalny w metanolu, b) Dodanie ciała stałego do kolby, c) Dodanie metanolu poza źródłem ciepła, d) Dodanie wystarczającej ilości metanolu do rozpuszczenia ciała stałego.- Dodawaj więcej "rozpuszczalnego rozpuszczalnika" w porcjach, aż ciało stałe się rozpuści (rys. 8 a). Upewnij się, że pomiędzy dodawaniem kolejnych porcji upłynęło trochę czasu, a przed dodaniem kolejnej porcji odczekaj, aż każda porcja całkowicie się zagotuje.
- Dodawaj "nierozpuszczalny rozpuszczalnik" porcjami, podgrzewając, aż roztwór stanie się mętny (rys. 8 c).
- Dodawaj "rozpuszczalny rozpuszczalnik" kroplami, podgrzewając, aż roztwór ponownie się wyklaruje (rys. 8 d).
Rys.
a) Dodanie wystarczającej ilości rozpuszczalnego rozpuszczalnika (metanolu) w celu rozpuszczenia ciała stałego, b) Dodanie nierozpuszczalnego rozpuszczalnika (wody) kroplami, c) Utrzymujące się zmętnienie po dodaniu wystarczającej ilości nierozpuszczalnego rozpuszczalnika, d) Dodanie rozpuszczalnego rozpuszczalnika w celu wyklarowania.- Zdejmij kolbę ze źródła ciepła, usuń patyczek do gotowania i umieść kolbę na kilkakrotnie złożonym ręczniku papierowym. Przykryć wylot kolby Erlenmeyera szkiełkiem zegarkowym i pozostawić roztwór do powolnego ochłodzenia do temperatury pokojowej (Rys. 9 a).
- Gdy roztwór ostygnie, powinny utworzyć się stałe kryształy (rys. 9 b). Użyj szklanego mieszadła, aby zarysować kolbę i zainicjować krystalizację, jeśli to konieczne. Umieść kryształy w łaźni wodnej z lodem na 10-20 minut i zbierz ciało stałe przez filtrację ssącą.
Filtracja nagorąco.
Filtracja na gorąco jest zwykle stosowana w niektórych krystalizacjach, gdy ciało stałe zawiera zanieczyszczenia nierozpuszczalne w rozpuszczalniku krystalizacyjnym. Jest ona również niezbędna w krystalizacji, gdy węgiel drzewny jest używany do usuwania silnie zabarwionych zanieczyszczeń z ciała stałego, ponieważ węgiel drzewny jest tak drobny, że nie można go usunąć przez dekantację.
Filtracja na gorąco polega na przelaniu kilku ml rozpuszczalnika przez lejek zawierający "karbowaną bibułę filtracyjną". Karbowana bibuła filtracyjna ma wiele wgłębień i dużą powierzchnię, co pozwala na szybką filtrację. Lejek rozgrzewa się, podczas gdy mieszanina, która ma zostać przefiltrowana, jest doprowadzana do wrzenia. Wrząca mieszanina jest następnie przelewana porcjami przez bibułę filtracyjną (rys. 10 b i d).
Filtracja na gorąco polega na przelaniu kilku ml rozpuszczalnika przez lejek zawierający "karbowaną bibułę filtracyjną". Karbowana bibuła filtracyjna ma wiele wgłębień i dużą powierzchnię, co pozwala na szybką filtrację. Lejek rozgrzewa się, podczas gdy mieszanina, która ma zostać przefiltrowana, jest doprowadzana do wrzenia. Wrząca mieszanina jest następnie przelewana porcjami przez bibułę filtracyjną (rys. 10 b i d).
Rys.
a) Przelewanie rozpuszczalnika przez lejek na gorąco (uwaga: w tej sytuacji używana jest płyta grzewcza, ponieważ rozpuszczalnikiem jest woda), b) Filtrowanie roztworu zawierającego nierozpuszczalne zanieczyszczenia, c i d) Warianty z użyciem spinacza do papieru zamiast zacisku pierścieniowego do przytrzymywania lejka.Najlepiej jest użyć zacisku pierścieniowego do zabezpieczenia lejka filtracyjnego, chociaż lejek można również po prostu umieścić na kolbie. Jeśli nie używasz zacisku pierścieniowego, zaleca się umieszczenie wygiętego spinacza do papieru między kolbą a lejkiem, aby umożliwić wyparcie powietrza z dolnej kolby podczas spuszczania cieczy (rys. 10 c i d). Bez zacisku pierścieniowego konfiguracja jest bardziej podatna na przechylenie, dlatego użycie zacisku pierścieniowego jest znacznie bezpieczniejsze.
Filtracja na gorąco jest używana do filtrowania roztworów, które krystalizują się po ostygnięciu. Dlatego ważne jest , aby lejek był gorący podczas filtracji poprzez kontakt z gorącymi oparami rozpuszczalnika, w przeciwnym razie kryształy mogą przedwcześnie utworzyć się na bibule filtracyjnej lub w trzonie lejka (ryc. 11).
Filtracja na gorąco jest używana do filtrowania roztworów, które krystalizują się po ostygnięciu. Dlatego ważne jest , aby lejek był gorący podczas filtracji poprzez kontakt z gorącymi oparami rozpuszczalnika, w przeciwnym razie kryształy mogą przedwcześnie utworzyć się na bibule filtracyjnej lub w trzonie lejka (ryc. 11).
temperaturze
a) Krystalizacja nastąpiła w trzonie lejka, b) Na bibule filtracyjnej widoczne jest ścinanie, reprezentujące ciało stałe, które nieco skrystalizowało na bibule filtracyjnej, c) Na bibule filtracyjnej utworzyły się oczywiste kryształy.Krystalizacja na bibule filtracyjnej może zatkać urządzenie i spowodować utratę wydajności (ponieważ bibuła filtracyjna zostanie później wyrzucona). Krystalizacja w łodydze utrudnia filtrację i może działać jak korek na dnie lejka. Zaletą filtracji na gorąco jest to, że wrzący rozpuszczalnik w kolbie filtracyjnej pomaga rozpuścić kryształy, które przedwcześnie tworzą się w trzonie lejka. W przypadku filtracji na gorąco zaleca się użycie lejka z krótkim trzonkiem (rys. 12 a) lub lejka bez trzonka (rys. 12 c), jeśli jest dostępny, zamiast lejka z długim trzonkiem (rys. 12 b), ponieważ materiał jest mniej podatny na krystalizację w krótkim trzonku lub bez niego.
Ponieważ ważne jest, aby roztwór przefiltrował się szybko, zanim zdąży ostygnąć w lejku, powszechnie stosuje się "karbowaną bibułę filtracyjną" (Rys. 13 b i c) zamiast składanej na ćwiartki bibuły filtracyjnej używanej czasami do filtracji grawitacyjnej (Rys. 13 a). Większa liczba zagięć na karbowanej bibule filtracyjnej przekłada się na zwiększoną powierzchnię i szybszą filtrację. Fałdy tworzą również przestrzeń między bibułą filtracyjną a szklanym lejkiem, umożliwiając łatwiejsze wydostawanie się wypartego powietrza z kolby podczas spuszczania cieczy.
Procedury krok po kroku.
Filtracja na gorąco jest często stosowana z krystalizacją, a procedura ta powinna być wprowadzona po etapie rozpuszczania, ale przed odstawieniem roztworu do powolnego schłodzenia.
Przygotowanie zestawu do filtracji
- Uzyskaj lejek bez łodygi lub z krótką łodygą (rys. 14 a) i włóż go do zacisku pierścieniowego, przymocowanego do stojaka pierścieniowego lub kratownicy (lub alternatywnie uzyskaj wygięty spinacz do papieru w celu pokazanym na rys. 14 b).
- Zwiń bibułę filtracyjną o rozmiarze odpowiednim dla lejka w kształt akordeonu (instrukcje znajdują się na rys. 15, a powstały akordeon na rys. 14 a). Po umieszczeniu w lejku bibuła nie powinna być krótsza niż górna część lejka, w przeciwnym razie roztwór może prześlizgnąć się przez bibułę filtracyjną podczas nalewania.
- Umieść czystą kolbę Erlenmeyera o rozmiarze odpowiednim do krystalizacji pod lejkiem i na źródle ciepła, wlej kilka ml gorącego rozpuszczalnika do lejka (rys. 14 d).
a) Jeśli używasz zacisku pierścieniowego, wyreguluj zacisk tak, aby między ujściem kolby Erlenmeyera a dnem lejka była niewielka szczelina: pozwala to na wyparcie powietrza, gdy ciecz wpływa do kolby. Jeśli szczelina jest zbyt duża, gorące opary wydostaną się bez podgrzewania lejka.
b) Jeśli nie używasz zacisku pierścieniowego, umieść wygięty spinacz biurowy między kolbą a lejkiem (Rys. 14 b). - Pozwól rozpuszczalnikowi zagotować się i rozgrzej cały zestaw. Jeśli używasz węgla drzewnego, przeprowadź tę procedurę teraz.
Rys.
a) Filtrowanie na gorąco, b) Trzymanie gorącej kolby za pomocą uchwytu na ręcznik papierowy, c) Ciecz zwilżająca zbyt szeroki uchwyt na ręcznik papierowy.Filtrowanie roztworu w porcjach.
- Gdy kolba filtracyjna jest dość gorąca, a filtrowany roztwór wrze, wlewaj wrzącą mieszaninę do lejka filtracyjnego porcjami. Podczas nalewania dotykaj kolbą do bibuły filtracyjnej w lejku (Rys. 16 a).
- Uwaga dotycząca bezpieczeństwa: kolba może być dość gorąca, a gorące opary mogą poparzyć dłoń podczas nalewania (nalewaj bokiem, tak aby dłoń nie znajdowała się nad lejkiem). Jeśli kolba jest zbyt gorąca, aby trzymać ją rękami, użyj "uchwytu na ręcznik papierowy", aby przytrzymać kolbę (Rys. 16 a):
a) Złóż kilkakrotnie część ręcznika papierowego tak, aby powstały pasek miał około jednego cala szerokości. W razie potrzeby zabezpiecz pasek za pomocą kilku kawałków taśmy.
b) Podczas trzymania kolby uchwyt na ręcznik papierowy powinien znajdować się poniżej krawędzi kolby. W ten sposób ciecz nie będzie ściekać w kierunku ręcznika papierowego podczas nalewania (ręcznik pozostaje suchy na rys. 16 a), ale mokry w przypadku zbyt szerokiego ręcznika na rys. 16 c).
- Nie wlewając mieszaniny do filtrowania, umieść kolbę z powrotem na źródle ciepła (Rys. 17 a).
- Gdy mieszanina zostanie całkowicie przefiltrowana, odstaw pustą kolbę na blat stołu (uwaga dotycząca bezpieczeństwa: nie podgrzewaj pustej kolby, ponieważ może pęknąć). Sprawdzić lejek: jeśli na bibule filtracyjnej widoczne są kryształy (jak na Rys. 17 b), przepłukać kilkoma ml wrzącego rozpuszczalnika, aby je rozpuścić. Na Rys. 17 c płukanie nie jest konieczne.
- Sprawdź filtrat (ciecz, która przeszła przez bibułę filtracyjną). Jeśli użyto węgla drzewnego, a filtrat jest szary lub widać drobne czarne cząstki, oznacza to, że węgiel drzewny przeszedł przez bibułę filtracyjną albo przez otwór, albo przez użycie niewłaściwego rozmiaru oczek filtra. Jeśli koledzy z klasy nie mają szarego koloru w swoich roztworach, prawdopodobnie była to dziura. Powtórz etap filtracji na gorąco z nową bibułą filtracyjną i kolbą.
Last edited by a moderator:
