Реактивы, выпускаемые промышленностью или получаемые в лаборатории, могут содержать нерастворимые и растворимые примеси.
По степени чистоты, т.е. по содержанию основного вещества и допустимых примесей, реактивы имеют соответствующую классификацию (табл. 14). Она указывается на этикетках товарных реактивов.
Таблица 14. Классификация реактивов по степени чистоты
Три первые марки охватывают все реактивы общего назначения. Препараты более высокой чистоты применяются лишь для специальных работ, где иногда даже миллионные доли процента являются недопустимыми. Ими пользуются в промышленности полупроводниковых материалов, радиоэлектронике, квантовой электронике.
При работе с реактивами следует всегда помнить, что снижение примесей даже на один порядок, особенно, начиная с 10 -3 % , приводит к резкому возрастанию цены вещества. Поэтому нельзя использовать для малоответственных работ препараты высокой чистоты. С другой стороны, если требуется, чистоту реактива повышают специальными методами очистки, а контролируют чистоту соединения качественным и количественным анализом или определением его физических характеристик: температуры плавления, температуры кипения, относительной плотности, показателя преломления.
В лабораторной практике чаще всего применяют следующие методы очистки реактивов: перекристаллизацию из раствора и возгонку для твердых веществ, перегонку или ректификацию для жидкостей и сорбцию примесей в случае газов.
Кроме того, для очистки жидкостей и растворов используют осаждение или соосаждение примесей (с помощью химических реагентов или электролизом), а также экстракцию и сорбцию. Металлы очищают перекристаллизацией из расплава, в частности, зонной плавкой. Рассмотрим некоторые из перечисленных методов.
Зонная плавка. Метод очистки металла зонной плавкой, как и очистка кристаллизацией из расплава основан на большей растворимости примесей в расплаве, чем в твердой фазе М. При зонной плавке стержень очищаемого материала медленно продвигается сквозь узкую зону нагрева, расплавляясь только в ней. При этом смеси, накапливаясь в расплаве, перемещаются в конец стержня. Плавку повторяют несколько раз и затем конец стержня, где накопились примеси, обрубают.
Экстракция – это метод извлечения вещества из одной жидкой фазы в другую через границу раздела этих фаз вследствие большей растворимости извлекаемого (экстрагируемого) вещества во второй жидкости. Например, можно очистить воду от иода, извлекая его бензолом. Чтобы создать большую площадь поверхности экстрагирования и таким образом повысить скорость процесса, жидкости интенсивно перемешивают до образования эмульсии. Затем, после отстаивания до практически полного расслоения фаз, их разделяют (в делительной воронке).
Сорбция (от лат. слова «sorbeo», что значит «поглощаю») – это явление извлечения, например, газа из газовой смеси (или растворенного компонента из жидкой фазы) веществом в твердом агрегатном состоянии . Такое вещество называется сорбентом . Сорбция происходит благодаря образованию связей между атомами поглощаемого соединения и поверхностными атомами сорбента. В зависимости от типа, силы и числа этих связей, частицы (молекулы, атомы или ионы) разных веществ, удерживаются на поверхности сорбента с разной прочностью. Поэтому поглощаются им в неодинаковой степени, что позволяет разделять их смеси.
Например, можно очистить воздух от влаги и углекислого газа с помощью хлорида кальция, который практически не поглощает азот и кислород, но в значительном количестве сорбирует молекулы воды и углекислого газа.
Среди разных видов поглощения особо выделяют ионообменную сорбцию , основанную на обратимом стехиометрическом обмене ионов раствора на ионы сорбента, который в этом случае называется ионитом .
Если происходит обмен катионами, то ионит называется катионитом , если анионами – то анионитом . Когда катионами ионита выступают ионы водорода, то говорят, что катионит находится в Н-форме и является, по существу, малорастворимой полимерной многоосновной кислотой. Аналогично анионит в ОН-форме можно рассматривать как полимерное многокислотное основание.
Если через колонку с гранулами катионита в Н-форме пропускать раствор хлорида натрия, то из колонки будет выходить хлороводородная кислота соответствующей концентрации. А после прохождения образовавшейся кислоты через колонку с анионитом в ОН-форме, получается чистая вода. На этом основан метод тонкой очистки воды с помощью ионитов от растворимых в воде электролитов.
Метод очистки перекристаллизацией заключается в приготовлении насыщенного раствора данного вещества при одной температуре и выделении его кристаллов при другой, т.е. он основан на зависимости величины s от температуры. Графически эта зависимость изображена на рисунке 7.
По кривой растворимости, например, нитрата калия, находим, что из его раствора, насыщенного при 45 0 С, после охлаждения до 0 0 С выпадет в осадок около 60 г нитрата калия (в расчете на 100 г воды). Причем, если исходная соль содержала растворимые в воде примеси, то при указанном понижении температуры насыщение относительно их не наступает, поэтому они не выпадут вместе с кристаллами очищаемой соли, хотя небольшие количества примесей «захватываются» ими.
Однако повторной перекристаллизацией можно получить практически чистое вещество. Чтобы уменьшить количество примесей, сорбированных поверхностью кристаллов, промывают их после отделения от маточного раствора. (Маточным называется раствор, из которого образовался осадок.)
Метод очистки возгонкой (сублимацией) заключается в переводе соединения из твердого состояния в газообразное (без стадии плавления), и последующей кристаллизации образовавшихся паров на охлаждаемой поверхности. Этим методом можно очистить легколетучие вещества (иод, бензойную кислоту и др.) от нелетучих примесей. Для понимания физико-химической сущности возгонки рассмотрим фазовую диаграмму состояния , например, (рис. 13).
Каждая точка диаграммы отвечает определенному состоянию системы при данных р и Т, причем I – область твердого состояния вещества, II – жидкого, III – газообразного. Точка A, в которой сходятся линии, разделяющие фазы, называется тройной , т.к. в ней находятся в равновесии все 3 фазы. Для эта точка соответствует давлению насыщенного пара 90 мм рт.ст. и температуре 116 0 С.
Если перемещаться по прямой 1–4, т.е. выше точки A, то в точке 2 иод будет плавиться, а в точке 3 – кипеть.
Если же взять состояние системы, отвечающее точке 5 (т.е. ниже точки A), в которой твердая фаза имеет температуру T’, а давление насыщенного пара над нею равно p’, и нагревать твердый иод при постоянном р, то изменение состояния системы будет отражаться прямой 5–7. Причем в точке 6, когда давление насыщенных паров будет равно внешнему р, начнется процесс интенсивной возгонки . (Отрезок 6–7, как и 3–4, соответствует нагреванию паров в отсутствие других его фаз.)
Однако это все относится к равновесным состояниям. А в неравновесных условиях возгонка иода возможна, если давление его насыщенного пара будет хоть и меньше внешнего давления, но достаточно велико. При этом на начальном этапе нагревания твердого иода ниже , чем в точке A, и будет оставаться таким, если процесс вести в открытом сосуде, т.к. парам обеспечен свободныйуход из системы, что собственно и является возгонкой в неравновесных условиях.
Если же нагревать иод, например, в пробирке, закрытой ватой, то его пары, как более тяжелые, будут вытеснять воздух из сосуда (сквозь вату). Поэтому будет расти, и когда оно станет выше 90 мм рт.ст. (при T, обеспечивающей жидкое состояние ), он расплавится. Так получают жидкий иод .
Очистка вещества перегонкой или дистилляцией основана на превращении жидкости в пар с последующей его конденсацией. Этим методом отделяют жидкость от растворенных в ней нелетучих твердых примесей. Так, например, с помощью перегонки (дистилляции) очищают природную воду от содержащихся в ней солей. В результате получается т.н. дистиллированная вода.
Очистка газов . Полученные в реакциях газы обычно загрязнены парами воды и примесями других летучих веществ. Очищают газ, пропуская его через соединения, поглощающие эти примеси. В качестве поглотителя используют жидкие или твердые вещества, причем жидкие помещают в склянку Дрекселя, а твердые (в виде гранул) – в хлоркальциевую трубку или склянку Тищенко (рис. 14).
Выбор способа очистки газа зависит от физических и химических свойств не только самого газа, но и примесей. Например, углекислый газ, полученный в аппарате Кипа, содержит небольшое количество хлороводородной кислоты и пары воды, выделившиеся из раствора HCl. Этот газ пропускают сначала через промывалку с водой (для поглощения HCl), а затем через хлоркальциевую трубку (при этом сорбируются пары воды). И т.о. углекислый газ получается практически чистым.
Закрыть отверстие колбы Вюрца пробкой с термометром (2), присоединить холодильник (3), аллонж (4), последний опустить в приемник (5). На плите (6) через асбестовую сетку нагреть раствор в колбе до кипения. При какой Т он закипит? Изменяется ли температура кипения в процессе упаривания жидкости?Нагревание закончить, когда в приемнике соберется 100–120 мл жидкости. Измерить ее плотность. Есть ли в ней сульфат меди? Как это установить?
2. Очистка иода возгонкой . В стакан для возгонки поместите 0,3 г кристаллического иода и 0,1 г иодида калия (для удаления примесей Cl 2 и Br 2 , содержащихся в иоде), и перемешайте стеклянной палочкой. Круглодонной колбой с холодной водой накройте стакан и осторожно нагрейте его через асбестовую сетку (табл. 6). После прекращения выделения паров (какого цвета?) отделите кристаллы от колбы, взвесьте их и определите процент выхода иода.
3. Очистка пятиводного сульфата меди перекристаллизацией . Рассчитать количество воды и , нужное для приготовления раствора, насыщенного при 60 0 С, чтобы при последующем его охлаждении до 0 0 С выделилось 7 г кристаллогидрата, используя следующие данные:
| T 0 C | |||||||||
| S, г/100 г H 2 O | 12.9 | 14.8 | 17.2 | 20.0 | 22.8 | 25.1 | 28.1 | 34.9 | 42.4 |
Обычно пентагидрат содержит примеси хлорида калия, а также песок и кусочки угля. Поэтому для очистки отвесьте исходной соли на 10% больше рассчитанной массы. Отмерьте цилиндром нужный объем воды, вылейте в стакан на 50 мл, вскипятите воду и растворите в ней при перемешивании навеску очищаемой соли.
Убедитесь, что хлорид-ионы есть в приготовленном растворе. Для этого к 3 каплям его добавьте каплю раствора AgNO 3 и две капли азотной кислоты. Что наблюдается? Почему? Затем нагретый до кипения раствор сульфата меди отфильтруйте через складчатый фильтр, приготовленный заранее.
Помешивая фильтрат стеклянной палочкой, охладите его до комнатной температуры, а потом до 0 0 С в кристаллизаторе с водой и льдом. Выпавшие кристаллы отделите от маточного раствора фильтрованием и промойте их (зачем?) 5‑10 мл холодной дистиллированной воды. Раствор очищенной соли, маточный раствор, и промывные воды испытайте на хлорид-ионы и сделайте выводы.
Затем снимите кристаллы соли с воронки и отжимайте их между листами фильтровальной бумаги до тех пор, пока они не перестанут прилипать к сухой стеклянной палочке. Взвесьте на технохимических весах полученную соль. Оцените массу соли в процентах по отношению к исходной навеске. Чем объясняется сравнительно низкий выход продукта, очищенного методом перекристаллизации?
4. Очистка углекислого газа . Колбу Вюрца наполнить на 1/5 объема кусочками мрамора, присоединить к ней газоотводную трубку, добавить 30 мл 20%-го раствора HCl и сразу закрыть колбу пробкой. Что наблюдается? Чем может быть загрязнен получающийся при этом углекислый газ?
Пропускать выделяющийся газ в течение 10–15 мин через склянку Дрекселя с дистиллированной водой и последовательно с ней соединенную хлоркальциевую трубку, наполненную обезвоженным сульфатом меди. (Как изменяется его цвет? Почему?). Испытать содержимое промывной склянки на присутствие ионов Cl – и H + , используя раствор AgNO 3 и индикаторную бумагу соответственно. Сделать выводы.
Разделение и очистка веществ являются операциями, обычно связанными между собой. Разделение смеси на составляющие чаще всего преследует цель получения чистых, по возможности без примесей, веществ. Однако само понятие о том, какое вещество следует считать чистым, еще окончательно не установлено, так как требования к чистоте вещества меняются. В настоящее время методы получения химически чистых веществ приобрели особое значение.
Разделение и очистка веществ от примесей основываются на использовании их определенных физических, физико-химических или химических свойств.
Техника важнейших методов разделения и очистки веществ (перегонка и сублимация, экстракция, кристаллизация и перекристаллизация, высаливание) описана в соответствующих главах. Это - наиболее распространенные приемы, чаще всего используемые не только в лабораторной практике, но и в технике.
В отдельных наиболее сложных случаях используют специальные методы очистки.
Диализ может быть использован для разделения и очистки веществ, растворенных в воде или в органическом растворителе. Этим приемом чаще всего пользуются для очистки высокомолекулярных веществ, растворенных в воде, от примесей низкомолекулярных или от неорганических солей.
Для очистки методом диализа необходимы так называемые полупроницаемые перегородки, или мембраны» Особенность их заключается в том, что они имеют поры, позволяющие проходить через них веществам, размер молекул или ионов которых меньше размеров пор, и задерживать вещества, размеры молекул или ионов которых больше размеров пор мембраны. Таким образом, диализ можно рассматривать как особый случай фильтрования.
Рис. 477. Диализатор с мешалкой.
В качестве полупроницаемых перегородок или мембран могут быть использованы пленки из очень многих высокомолекулярных и высокополимерных веществ. В качестве мембран применяют пленки из желатина, из альбумина, пергамент, пленки из гидратцел-люлозы (типа целлофана), из эфпров целлюлозы (ацетат, пи грат н пр.), из многих продуктов полимеризации п конденсации. Из неорганических веществ находят применение: иеглазуроваииый фарфор, плитки из некоторых сортов обожженной глины (типа коллоидных глин, как бентонит), прессованное мелкопористое стекло, керамика и др.
Основными требованиями к мембранам являются: 1) нерастворимость в том растворителе, на котором приготовлен диализируемый раствор; 2) химическая инертность по отношению как к растворителю, так и к растворенным веществам; 3) достаточная механическая прочность.
Многие мембраны способны набухать в воде или другом растворителе, теряя при этом механическую прочность. Набухшая пленка может быть легко повреждена или разрушена. В подобных случаях пленку для диализа изготовляют на какой-нибудь прочной основе, например на ткани, инертной к растворителю (хлопчатобумажная, шелковая, из стекловолокна, из синтетического волокна и др.), или па фильтровальной бумаге. Иногда для придания мембранам механической прочности их укрепляют металлическими сетками (армирование) из соответствующего металла (бронза, платина, серебро и пр.).
Для получения различной пористости у мембран из эфиров целлюлозы или из некоторых других высокополимерных веществ в соответствующие лаки вводят различное количество воды. При высыхании лаковой пленки получается мембрана молочного цвета, имеющая заданную пористость (об этом см. гл. 9 «Фильтрование»).
Для диализа применяют приборы называемые диализаторами (рис. 477). Они могут иметь различную конструкцию. Техника работы с диализаторами очень проста. Полупроницаемая мембрана разделяет прибор обычно на две части *. В одну половину прибора наливают раствор, подлежащий диализу, а в другую половину - чистый растворитель, причем последний обычно обновляют (постоянный ток жидкости). Если чистый растворитель не менять, то концентрации проходящих через мембрану веществ с обеих сторон ее в конце концов уравновесятся и диализ практически остановится. Если же растворитель все время обновлять, то из диализируемого раствора можно практически удалить все растворимые вещества, способные проникать через мембрану.
Скорость диализа неодинакова для различных веществ и зависит от ряда условий и свойств вещества, которое очищают. Повышение температуры раствора и обновление растворителя способствуют ускорению диализа.
Во многих случаях вместо обычного диализа применяют электродиализ**. Применение электрического тока при диализе ускоряет процесс и создает ряд других преимуществ.
Осаждение малорастворимых веществ. Этим приемом широко пользуются для аналитических целей, получая осадки, содержащие только какое-нибудь одно, неорганическое или органическое, вещество. Полученный осадок может быть дополнительно очищен или промыванием («Фильтрование», или повторным переосаждением после растворения осадка, или экстрагированием соответствующими растворителями в определенных для каждого случая условиях.
Аппаратура, применяемая для проведения этого метода, зависит от свойств веществ и свойств растворителей. Часто операцию можно проводить просто в стакане или в колбе. В других же случаях собирают герметизированную аппаратуру, подобную той, которая описана в гл. 10 «Растворение». Осадки отфильтровывают, промывают и затем подвергают дальнейшей обработке (перекристаллизации, сушке и т. д.).
* Имеются диализаторы, состоящие из трех частей и двух мембраи, разделяющих их.
** РЖХим., 1957, Ni 10, 247, реф. 34670.
Отделение малора«гворимого осадка от маточного раствора можно достичь отстаиванием с последующим промыванием осадка с применением декантации или центрифугирования. Чем продолжительнее отстаивание, тем больше уплотняется слой осадка. Однако не рекомендуется давать осадкам отстаиваться слишком долго, так как со временем между осадком и маточным раствором могут возникать побочные процессы (адсорбция других ионов, комп-лексообразование с растворителем), затрудняющие последующую "обработку отделяемого осадка.
Комплексообразование является одним из приемов выделения чистых веществ , особенно неорганических. Комплексные соединения могут быть или труднорастворимыми в воде, но легкорастворимыми в органических растворителях, или наоборот. В первом случае осадки обрабатывают, как описано выше. Если же комплексное соединение легко растворяется в воде, его можно извлечь в чистом виде из водного раствора путем экстрагирования подходящим органическим растворителем или же разрушить комплекс тем или иным путем.
Приемом комплексообразования можно выделить металлы в очень чистом виде. Это особенно касается редких и рассеянных металлов, которые могут быть выделены в виде комплексов с органическими веществами.
Образование летучих соединений. Этим приемом можно пользоваться в том случае, если образуется летучее соединение только выделяемого вещества, например какого-либо металла. В том случае, если одновременно образуются летучие соединения примесей, этот прием применять не рекомендуется, так как освобождение от летучих примесей может оказаться затруднительным. Во многих случаях образование летучих галогенидов (хлористые или фтористые соединения) некоторых веществ может оказаться очень эффективным как метод очистки, особенно в сочетании с вакуум-перегонкой. Чем ниже температура возгонки или кипения интересующего нас вещества, тем легче его отделить от других и очистить фракционной перегонкой или диффузией.
Скорость диффузии газообразных веществ через полупроницаемые перегородки зависит от плотности и молекулярной массы очищаемого вещества и почти обратно пропорциональна им,
Зонная плавка. Зонную плавку можно рассматривать как частный случай экстракции расплавленным веществом, когда твердая фаза вещества находится в равновесии с его жидкой фазой. Если растворимость в жидкой фазе какой-либо примеси, содержащейся в очищаемом веществе, отличается от растворимости в твердой фазе, то очистка от этой примеси теоретически возможна *. Этот метод особенно ценен для очистки таких соединений (преимущественно органических), которые имеют низкое давление паров или разлагаются при перегонке. Для соединений, имеющих низкую теплопроводность, зону плавления можно создать, применяя высокочастотный нагрев с диэлектрическим сопротивлением. Метод зонной плавки дает возможность полностью использовать исходные вещества и позволяет получать большие монокристаллы органических веществ и некоторых металлов (например, алюминия, германия и др.).
В простейшей форме метод зонной плавки в применении к металлам состоит в медленном перемещении расплавленной зоны вдоль стержня из металла.
Метод зонной плавки может найти широкое применение для приготовления чистых органических соединений.
Очистка бензойной кислоты . Цилиндрический сосуд наполняют расплавленной бензойной кислотой. Этот цилиндр с затвердевшей кислотой медленно пропускают через обогреваемое кольцо таким образом, чтобы расплавленная зона передвигалась вверх по цилиндру. Двукратная обработка бензойной кислоты таким приемом заменяет 11 перекристаллизации из бензола.
Очистка нафталина от антрацена **. Загрязненный нафталин помещают в трубку (из стекла пирекс) длиной около 900 мм и диаметром 25 мм. Эту трубку пропускают через небольшой цилиндрический нагреватель (может быть использована трубчатая печь для микроанализа, снабженная реостатом). Печь передвигают вниз с такой скоростью, чтобы расплавленная зона длиной около 50 мм могла бы переместиться по всей длине трубки за 24 ч. После этого нагреватель возвращают в исходное положение и цикл обработки повторяют. После 8 циклов содержание антрацена в верхней половине взятого для обработки нафталина составляло 1-10-4%
* P f а п n W. S. J„ MeUIs1 4, 747 (1952). ** Ind. Chemist, 31, Кз 370, 535 (1955).
Метод зонной плавки используют для получения чистого германия, а также для очистки соединений, когда один или оба компонента смеси летучи или разлагаются при нагревании **.
В настоящее время делаются попытки применить метод зонной плавки для очистки жидкостей. Этот метод оказался применим для"очистки только предварительно замороженной жидкости. Для этого жидкость помещают в узкую и длинную стеклянную лодочку (шириной 12 мм, длиной 110 мм) и замораживают при -30° С, с помощью циркуляционного охлаждающего устройства, работающего на смеси твердой углекислоты с ацетоном. Замороженную жидкость в лодочке медленно протягивают с помощью моторчика Уоррена со скоростью 1 см/ч через несколько последовательных зонных нагревателей, расположенных на расстоянии около 1,8 см друг от друга и представляющих собой витки нихро.мовой проволоки диаметром 0,5 мм (0,5 ом/м) в пазах небольших керамических блоков. Силу тока подбирают такой, чтобы температура расплавленных узких зон в замороженной жидкости была 3--4° С. Расплавленные зоны, перемещаясь одна за другой, увлекают за собой примеси, имевшиеся в жидкости. Примеси концентрируются в конечной части бруска замороженной жидкости. Таким приемом можно очищать водные и неводные растворы и выделять растворенные или только тонко диспергированные вещества.
Аппаратурное оформление метода зонной плавки зависит от свойств взятых веществ, и рекомендовать какую-либо стандартную аппаратуру в этом случае трудно.
Хроматография и ионный обмен. Эти методы основаны на использовании явления сорбции для извлечения веществ, содержащихся в растворах.
Метод хроматографии особенно важен для концентрирования веществ, содержание которых в исходном растворе очень мало, а также для получения чистых препаратов. При помощи этого метода были получены редкоземельные и заураповые элементы высокой чистоты. Многие фармацевтические и органические препараты очищают и получают в чистом виде при помощи этого метода. Почти во всех случаях, когда поставлена задача очистки или отделения какого-либо вещества из смеси, находящейся в растворе, хроматография и ионный обмен могут оказаться надежными методами.
Для ионного обмена применяют так называемые иониты, представляющие собой неорганические или органические адсорбенты (преимущественно смолы разных марок). По своим химическим свойствам они разделяются на следующие группы: катнониты, ани-ониты и амфолиты. Катиониты обменивают катионы. Аниониты обладают способностью обменивать анионы. Амфожгты способны обменивать как катионы, так и анионы-в зависимости от рН среды и свойств вещества, которое должно быть поглощено ионитом.
Для хроматографии в ряде случаев применяют очень простую аппаратуру (рис.478).
Иониты способны к ионному обмену до полного насыщения их поглощаемым ионом. Отработанные иониты регенерируют путем промывания катионитов кислотой, анионитов-щелочами.* В элюате (жидкость, получаемая при промывании ионита) будут находиться адсорбируемые ионитом ионы.
Для разделения и фракционирования полимеров предложен способ фильтрации их растворов через гель, названный «сефадекс» (Швеция). Этот способ называют г е л ь - ф и л ь т р а ц и е й. По существу он является хроматографическим разделением высокомолекулярных веществ на колонке.
Сефадекс выпускается в виде мелких зерен, набухающих в воде. Ниже приведены типы сефадскса и для примера - молекулярные веса разделяемых полисахаридов:
При использовании других веществ границы молекулярных весов могут отклоняться от приведенных значений в ту или иную сторону. Так, для белковых веществ диапазоны молекулярных весов шире, чем в случае полисахаридов. Для использования сефадекса сконструирована хро-матографическая колонка с рубашкой; колонка выполнена из боросиликатного стекла.
Вначале сефадекс смешивают с водой, взмучивают полученную смесь, вливают в колонку и дают осесть. Затем в колонку добавляют концентрированный раствор исследуемого вещества так, чтобы не взмучивался верхний слой сефадекса. Равновесие устанавливается очень быстро, поэтому скорость вымывания по сравнению с обычными иопитами может быть большой. Фракции контролируют или спектрофотометрически (органические полимеры), или по электропроводности (растворы неорганических веществ). Метод гель-фильтрования полностью заменяет диализ и электродиализ. При его помощи можно очень тонко фракционировать полимеры, которые мало отличаются между собой по молекулярным массам.
О зонной плавке льда см. Shildknecht H., M а п п 1 A., Angew. Chem., 69, Ня 20, 634 (1957); РЖХим, 1958, Ms 11, 107, реф. 35844; П ф а и н В. Дж., Зонная плавка, Металлургиздат, 1960.
Об автоматической аппаратуре для зонной плавки малых ко-: личеств веществ см. W i I m a n W. G., Chem. a. lnd., № 45, 1825 (1961); РЖХим, 1962, реф. 9Е34.
Приборы для зонной плавки органических соединении см. Ma ire J., Moritz J. С, Kief с г R., Symposium fiber Zoncn-schmelzen und Kolonnen - kristallisiereii, Karlsruhe, S. 1, s, a, 121 (1963); РЖХим, 1965, 14Д76.
Получение органических веществ высокой чистоты путем непрерывной кристаллизации в колонках и зонной плавки описали Schildknecht H., Ma as К., Kr a us W., Chem. lug. Techn.. 34, № 10, 697 (1962); РЖХим, 1964, 6Д70.
Зоиная плавка органических веществ, Херингтон E., пер. с англ., Изд. «Мир», I9G5; РЖХим, 1965, 13Б363К.
О зонной плавке органических соединений см. Wilcox W. R., Friedenberg R„ Back N., Chem. Revs, 64, Ki 2, 186 (1964); РЖХим, 1964, 19Б359.
Установка для зонной плавки см. Абакумов Б. И., Коновалов Э. Е„ Зав. лаб., 29, Ki 12, 1506 (1963); РЖХим, 1964, 24Д93.
Установку для бестигельной зонной плавки веществ с малым поверхностным натяжением описали Шплкин А. И., Ки-лиев А. А., Зав. лаб., 29, Ki 12, 1504 (1953); РЖХим, 1964, 24Д94.
О новых методах разделения в химии см. Muss о H., Natur-wiss., 45, № 5, 97 (1958); РЖХим, 1958, № 21, 148, реф. 70711.
О хроматографических методах очистки и выделения веществ см. Хроматографический метод разделения ионов. Сборник статей, Издатинлит, 1949; Ионный обмен. Сборник статей, Издатинлит, 1951; Лннстед Р., Эльвидж Дж., В о л л и M., В и л к и н с о н Дж., Современные методы исследования в органической химии, Издатинлит, 1959.
О молекулярных ситах см. Minkoff G. I., Duffett R. Н. E., BPMag., Ks 13, 16 (1964); РЖХим, 1965, 17А28.
Изготовление, свойства и применение синтетических цеолитов (молекулярных сит) см. Espe W., Hvbl С, 9 Internal Kolloq. Techn. Hochschule Ilmenau; РЖХим, 1966, 20Б814.
Об использовании синтетического цеолита типа А для очистки рубидия от калия, цезия и натрия непрерывным протнвоточным ионообменным методом см. Горшков В. И., Федоров В. А., Толмачев A. M., ЖФХ, 40, Ki 7, 1436 (1966); РЖХим, 1966, 24 Б1268.
О методе разделения растворенных веществ, основанном на различии в скоростях диффузии см. N i е s е 1 W., Roskenblock H., Naturwis., 50, Ki 8, 328 (1963); РЖХим, 1964, 5Б612.
Кристаллизация в колонке - лабораторный метод для тонкого
Разделения кристаллизующихся веществ см. Schild-Knecht H., lossler S., Ma a s K-, Glas- u. Instr.-Techn., 7, № 6, 281, 285, 289 (1963); РЖХим, 1964, 7Д66.
Применение хроматографии, основанной на проникновении вещества в гель, к веществам с низким и высоким молекулярным весом см. M а 1 е у L. E., Am. Chem. Soc. Polymer Preprints, 5, Ki 2, 720 (1964); РЖХим, 1965, 10Б1346.
Сефадекс и гель-фильтрация см. Ing. chim., 1963, № 3, 7 (1963); РЖХим, 1965, 10Б1344
1. ЦЕЛЬ РАБОТЫ
Цель работы – ознакомление с основными приемами работы в лаборатории органической химии , лабораторными приборами и посудой, методами выделения и очистки органических веществ.
2. ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ВВЕДЕНИЕ
МЕТОДЫ ОЧИСТКИ ОРГАНИЧЕСКИХ ВЕЩЕСТВ
Фильтрование
Фильтрование проводят для отделения осадка от жидкой фазы при разделении веществ, их очистке, при промывании осадка и т. д.
Для отделения твердых частиц от жидкости в простейшем случае сливают жидкость с осадка (способ декантации), в других случаях используют фильтрование через воронку с фильтром. Эффективность фильтрования зависит от пористости фильтра, а также от перепада давления по обе стороны от фильтра. Фильтры изготавливаются чаще всего из различных сортов фильтровальной бумаги, стеклоткани, пористого стекла и фторопласта.
Для простого фильтрования используют воронку со складчатым фильтром.
Более эффективное фильтрование проводят под вакуумом , для чего обычно используют два типа фильтровальных воронок: "воронки Шотта" с пористой стеклянной пластинкой и воронки Бюхнера, снабженной хорошо подогнанным бумажным фильтром, соединенные с колбой Бунзена.
Бумажный фильтр предварительно смачивают на воронке растворителем, который затем отсасывают. После этого раствор с кристаллами переносят на бумажный фильтр. Отсасывание маточной жидкости обеспечивается водоструйным насосом, подключенным к колбе Бунзена через предохранительную склянку. Необходимая скорость фильтрования достигается регулировкой струи воды в водоструйном насосе, который создает пониженное давление в колбе Бунзена.
Для удаления остатков маточного раствора влажные кристаллы промывают несколькими порциями минимального количества растворителя при аккуратном перемешивании кристаллов. Иногда осадок на фильтре только пропитывают растворителем, и затем включают вакуум для его отсасывания.
Кристаллы на фильтре отжимают от растворителя плоской стороной стеклянной пробки, далее осадок направляют на высушивание.
Высушивание
Под высушиванием понимают процесс освобождения вещества в любом агрегатном состоянии от примесей какой-либо жидкости, чаще всего воды, как растворителя.
Высушивание жидкостей проводят, используя вещества, способные поглощать воду – осушители. При этом осушители не должны взаимодействовать с осушаемым веществом и растворителем, растворяться в них, а также вызывать окисление, полимеризацию или другие нежелательные процессы. Осушитель должен быть максимально эффективным, т. е. обеспечивать наиболее быстрое и полное удаление из системы жидких примесей.
Перечень веществ, используемых в качестве осушителей органических жидкостей, и их целевое назначение даны в таблице 1.1. Для проведения высушивания органический раствор встряхивают с небольшим количеством осушителя (до 3% от массы раствора), образующийся водный раствор осушителя сливают. Процесс повторяют до тех пор, пока кристаллы осушителя не перестанут расплываться в органическом растворе.
Высушивание твердых веществ от легколетучих примесей проводят на воздухе или при оптимальной температуре в сушильном шкафу. Для высушивания в вакууме используют вакуум-эксикаторы, обычно таким образом сушат гигроскопические соединения.
Таблица 1.1 − Вещества-осушители для органических жидкостей и растворов
Осушитель | Что можно сушить | Что нельзя сушить |
Углеводороды, их галогенопроизводные, простые и сложные эфиры, альдегиды, кетоны, нитросоединения и растворы веществ, чувствительных к различным воздействиям | ||
Углеводороды и их галогенопроизводные, простые эфиры, нитросоединения | Спирты, фенолы, альдегиды, кетоны, кислоты, амины, амиды, сложные эфиры |
|
Амины, кетоны, спирты | Вещества с кислотными свойствами |
|
Амины, простые эфиры, углеводороды | Альдегиды, кетоны, кислоты |
|
Углеводороды, простые эфиры, третичные амины | Галогенопроизводные углеводородов, спирты, кислоты (Опасность взрыва!) |
|
Н2SО4 (конц.) | Нейтральные и кислые вещества | Ненасыщенные углеводороды, спирты, кетоны, основания |
Углеводороды и их галогенопроизводные, растворы кислот | Основания, спирты, простые эфиры |
|
Молекулярные сита (алюмосиликаты Na, Ca) | Применяются для высушивания растворителей. Регенерируется нагреванием в вакууме при 150-300оС | Ненасыщенные углеводороды |
Перекристаллизация
Прибор для перекристаллизации малых количеств вещества. 1 - стаканчик с кипящим растворителем; 2 - воронка; 3 - складчатый фильтр; 4 - пробирка для отсасывания; 5 - стеклянный «гвоздик»; 6 - фильтр.
Перекристаллизация является простейшим методом разделения и очистки твердых веществ.
Метод кристаллизации состоит из следующих стадий: растворение твердого вещества в минимальном объеме кипящего растворителя (приготовление насыщенного раствора); фильтрование горячего раствора для удаления нерастворимых примесей (если они присутствуют); охлаждение раствора с образованием кристаллов; фильтрование кристаллов от маточного раствора и их высушивание.
Для успешной кристаллизации чрезвычайно важным является правильный выбор растворителя. В растворителе очищаемое вещество должно легко растворяться при нагревании и практически не растворяться на холоду, а также в нем должны хорошо растворяться примеси. Общая закономерность растворимости – "подобное растворяется в подобном " , т. е. полярные соединения более растворимы в полярных растворителях, чем в неполярных, и наоборот.
После горячего фильтрования насыщенный раствор медленно охлаждают до комнатной температуры, а затем помещают в холодильник для образования кристаллов. Часто для ускорения процесса кристаллизации потирают стеклянной палочкой с острыми краями по внутренней стенке колбы на уровне жидкости, что приводит к образованию неровностей на стеклянной поверхности, которые служат центрами роста кристаллов. После охлаждения образовавшиеся кристаллы отделяют от маточного раствора фильтрованием, промывают и сушат.
Возгонка
Прибор для возгонки: 1 -часовое стекло; 2- стакан; 3 - термометр; 4- песочная баня.
Возгонка заключается в испарении вещества при нагревании ниже его температуры плавления с последующей конденсацией паров на охлажденной поверхности. Очистка твердого вещества возгонкой возможна только в том случае, если давление его паров выше, чем давление паров примесей. Когда давление паров твердого вещества соответствует приложенному давлению, получают наилучшие результаты. Например, стильбен возгоняют при температуре 100°С и давлении 20 мм рт. ст.
Возгонку проводят в вакууме в приборе сублиматоре или при атмосферном давлении в фарфоровой чашке, закрытой сверху фильтром с многочисленными проколотыми иголкой дырочками и стеклянной воронкой. Перед сублимацией из очищаемого вещества удаляют растворители и другие летучие продукты во избежание загрязнения сублимата.
Перегонка
летучие" растворители с температурой кипения до 100°С при температуре бани 50-60°С.
Простейшая перегонка является эффективной только в том случае, если компоненты разделяемой смеси отличаются по температурам кипения не менее чем на 60°С. Во всех других случаях вещества подвергают фракционированной перегонке с использованием разного типа перегонных колонн (ректификация). Простейшей колонкой может служить полая трубка или елочный дефлегматор Вигре.
При атмосферном давлении обычно перегоняют вещества с температурами кипения от 40°С до 180°С, жидкости с температурой кипения меньше 40°С перегоняются с большими потерями. При более высокой температуре кипения возникает опасность термического разложения вещества, и его перегоняют в вакууме, поскольку при снижении давления температура кипения понижается.
Экстракция
Прибор для экстракции: 1 - делительная воронка; 2 - жидкость с большей плотностью; 3 - жидкость с меньшей плотностью; 4- пробка, 5 - лапка, 6 и 7 - приемники.
Экстракция – это способ извлечения одного или нескольких компонентов смеси или их разделение путем перевода из одной фазы в другую.
Твердофазная экстракция (экстрагирование) заключается в извлечении органических соединений из твердых тел с помощью обработки органическим растворителем – экстрагентом, в жидкофазной экстракции одна фаза является, как правило, водным раствором, другая – органическим. Экстрагент должен иметь минимальную растворимость в воде и быть селективным в отношении экстрагируемого вещества.
Обычно экстракцию проводят из водной (нейтральной, кислой, основной) фазы растворителем, не смешивающимся с водой (например, дихлорметан, хлороформ, эфиры и др.). В случае полярных продуктов (например, спирты, карбоновые кислоты, амины) водную фазу перед экстракцией насыщают хлористым натрием (высаливание).
МЕТОДЫ ИДЕНТИФИКАЦИИ ОРГАНИЧЕСКИХ СОЕДИНЕНИЙ
Определение показателя преломления жидкости
Показатель преломления вещества относится к важнейшим физическим константам и используется для идентификации веществ и проверки их чистоты. Показатель преломления определяется природой вещества и длиной волны падающего света и является постоянной величиной для данного вещества. Чаще всего показатель преломления определяется при 20°С для D линии натрия (589 нм), что и отражается обозначением nD. Для жидких органических веществ показатель преломления уменьшается с ростом температуры и обычно колеблется от 1,3 до 1,8.
При падении луча света на границу раздела двух прозрачных однородных сред часть его отражается под углом, равным углу падения a, а часть - преломляется под углом b. Согласно закону преломления отношение синуса угла падения к синусу угла преломления есть постоянная величина, называемая относительным показателем (или коэффициентом) преломления второго вещества по отношению к первому:
Для определения показателя преломления используют рефрактометры.
Дифференциал" href="/text/category/differentcial/" rel="bookmark">дифференциально-термического анализа (ДТА) иди дифференциально-сканирующей калориметрии (ДСК).
Справочная литература" href="/text/category/spravochnaya_literatura/" rel="bookmark">справочной литературе данные о растворимости указанного вещества в данном растворителе при комнатной температуре и нагревании, проводят расчет объема растворителя, необходимого для перекристаллизации 2 г загрязненного образца. Оставляют 0,1 г образца для определения температуры плавления.
2. Помещают образец в стакан, добавляют рассчитанное количество растворителя и нагревают до полного растворения твердой фазы при перемешивании. Далее стакан снимают с плитки, охлаждают содержимое до комнатной температуры на рабочем столе, а по мере необходимости – в холодильнике.
3. Выпавший осадок отделяют фильтрованием через бумажный фильтр, затем фильтр с осадком подсушивают на воздухе.
4. Собирают с фильтра кристаллы на предварительно взвешенное часовое стекло, подсушивают их в сушильном шкафу и взвешивают.
Опыт 2. Очистка вещества методом возгонки.
1. Получают у преподавателя загрязненное вещество (нафталин, бензойную кислоту), взвешивают его. Оставляют 0.1 г исходного вещества для определения температуры плавления. Находят по справочнику температуру плавления чистого вещества.
2. Небольшую фарфоровую чашку покрывают листом фильтровальной бумаги с мелкими проколами (20-30 отверстий) и плотно прижимают фильтровальную бумагу опрокинутой стеклянной воронкой, отверстие которой закрыто ватой.
3. Фарфоровую чашку с образцом помещают на электроплитку и осторожно нагревают до температуры ниже его температуры плавления на 10-20°С. Нагревание проводят до образования кристаллов на поверхности стеклянной воронки.
4. Прекращают нагревание установки, осторожно охлаждают, собирают кристаллы и их взвешивают. Определяют температуры плавления образцов до и после перекристаллизации. Сравнивают полученные данные со справочными.
ОБРАБОТКА РЕЗУЛЬТАТОВ ЭКСПЕРИМЕНТА1. В лабораторном журнале приводят теоретические сведения по данной теме.
2. Записывают ход выполнения опытов 1 и 2.
3. Выписывают справочные данные и делают необходимые вычисления.
4. Результаты помещают в таблицу 1.2.
Таблица 1.2 − Сводная таблица результатов экспериментов.
Вещество, название, химическая формула | Константы (справочные данные): плотность, Тпл | Масса загрязненного вещества, г | Масса вещества после очистки, г | Объем раствори-теля, мл | Температура возгонки или плавления, °С | ||
| техники безопасности , которые следует выполнять при работе с органическими веществами. |
Чистое вещество содержит частицы только одного вида. Примерами могут служить серебро (содержит только атомы серебра), серная кислота и оксид углерода (IV ) (содержат только молекулы соответствующих веществ). Все чистые вещества имеют постоянные физические свойства, например, температуру плавления (Т пл ) и температуру кипения (Т кип ).
Вещество не является чистым, если содержит какое-либо количество одного или нескольких других веществ – примесей .
Загрязнения понижают температуру замерзания и повышают температуру кипения чистой жидкости. Например, если в воду добавить соль, температура замерзания раствора понизится.
Смеси состоят из двух или более веществ. Почва, морская вода, воздух – все это примеры различных смесей. Многие смеси могут быть разделены на составные части – компоненты – на основании различия их физических свойств.
Традиционными методами, которые используются в лабораторной практике с целью разделения смесей на отдельные компоненты, являются:
фильтрование,
отстаивание с последующей декантацией,
разделение с помощью делительной воронки,
центрифугирование,
выпаривание,
кристаллизация,
перегонка (в том числе фракционная перегонка),
хроматография,
возгонка и другие.
Фильтрование. Для отделения жидкостей от взвешенных в ней мелких твердых частиц применяют фильтрование (рис.37) , т.е. процеживание жидкости через мелкопористые материалы – фильтры , которые пропускают жидкость и задерживают на своей поверхности твердые частицы. Жидкость, прошедшая через фильтр и освобожденная от находившихся в ней твердых примесей, называется фильтратом .
В лабораторной практике часто применяют гладкие и складчатые бумажные фильтры (рис.38) , сделанные из непроклеенной фильтровальной бумаги.
Для фильтрования горячих растворов (например, с целью перекристаллизации солей), применяют специальную воронку для горячего фильтрования (рис.39) с электрическим или водяным обогревом).
Часто применяют фильтрование под вакуумом . Фильтрование под вакуумом используют для ускорения фильтрования и более полного освобождения осадка от раствора. Для этой цели собирают прибор для фильтрования под вакуумом (рис.40) . Он состоит из колбы Бунзена, фарфоровой воронки Бюхнера, предохранительной склянки и вакуум-насоса (обычно водоструйного).
В случае фильтрования суспензии малоорастворимой соли кристаллы последней могут быть промыты дистиллированной водой на воронке Бюхнера для удаления с их поверхности исходного раствора. Для этой цели используют промывалку (рис.41) .
Декантация . Жидкости могут быть отделены от нерастворимых твердых частиц декантацией (рис.42) . Этот метод можно применять, если твердое вещество имеет большую плотность, чем жидкость. Например, если речной песок добавить в стакан с водой, то при отстаивании он осядет на дно стакана, потому что плотность песка больше, чем воды. Тогда вода может быть отделена от песка просто сливанием. Такой метод отстаивания и последующего сливания фильтрата и называется декантацией.
Центрифугирование. Д ля ускорения процесса отделения очень мелких частиц, образующих в жидкости устойчивые суспензии или эмульсии, используют метод центрифугирования . Этим методом можно разделить смеси жидких и твердых веществ, различающихся по плотности. Разделение проводится в ручных или электрических центрифугах (рис.43) .
Разделение двух несмешивающихся жидкостей, имеющих различную плотность и не образующих устойчивых эмульсий, можно осуществить с помощью делительной воронки (рис.44) . Так можно разделить, например, смесь бензола и воды. Слой бензола (плотность = 0,879 г/см 3 ) располагается над слоем воды, которая имеет большую плотность ( = 1,0 г/см 3 ). Открыв кран делительной воронки, можно аккуратно слить нижний слой и отделить одну жидкость от другой.
Выпаривание (рис.45) – этот метод предусматривает удаление растворителя, например, воды из раствора в процессе нагревания его в выпарительной фарфоровой чашке. При этом выпариваемая жидкость удаляется, а растворенное вещество остается в выпарительной чашке.
Кристаллизация – это процесс выделения кристаллов твердого вещества при охлаждении раствора, например, после его упаривания. Следует иметь в виду, что при медленном охлаждении раствора образуются крупные кристаллы. При быстром охлаждении (например, при охлаждении проточной водой) образуются мелкие кристаллы.
Перегонка - метод очистки вещества основанный на испарении жидкости при нагревании с последующей конденсацией образовавшихся паров. Очистка воды от растворенных в ней солей (или других веществ, например, красящих) перегонкой называется дистилляцией , а сама очищенная вода – дистиллированной.
Фракционная перегонка (рис.46) применяется для разделения смесей жидкостей с различными температурами кипения. Жидкость с меньшей температурой кипения закипает быстрее и раньше проходит через фракционную колонку (или дефлегматор ). Когда эта жидкость достигает верха фракционной колонки, то попадает в холодильник , охлаждается водой и через алонж собирается в приемник (колбу или пробирку).
Фракционной перегонкой можно разделить, например, смесь этанола и воды. Температура кипения этанола 78 0 С, а воды 100 0 С. Этанол испаряется легче и первым попадает через холодильник в приемник.
Возгонка – метод применяется для очистки веществ, способных при нагревании переходить из твердого состояния в газообразное, минуя жидкое состояние. Далее пары очищаемого вещества конденсируются, а примеси, не способные возгоняться, отделяются.
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ
ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ
ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ
ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ
«Башкирский государственный педагогический
университет им.М. Акмуллы»
(ФГБОУ ВПО БГПУ им.М. Акмуллы)
План-конспект урока на тему:
« Методы очистки веществ»
Выполнил: Маркова Е.
Проверил: к.х.н. Рашидова С.Т.
Методы очистки веществ
Теоретическая часть
Методы очистки и разделения веществ основаны на использовании их различий в химических и физических свойствах. Примерами подобных способов разделения являются перекристаллизация, возгонка и поглощение.
Перекристаллизация - метод очистки, основанный на использовании зависимости растворимости веществ от температуры. Обычно перекристаллизация сводится к растворению вещества в подходящем растворителе при одной температуре и последующем выделении кристаллического осадка при другой температуре, когда раствор становится пересыщенным. Пересыщение одного раствора солей можно достигнуть также путем добавления различных добавок, например, спирта.
Возгонка или сублимация - непосредственное превращение твердого вещества в пар (обычно - при нагревании) минуя жидкое состояние. В дальнейшем пар может быть сконденсирован в кристаллы на охлаждаемой поверхности. Возгонка всегда происходит при температуре ниже температуры плавления вещества. Способностью к возгонке обычно обладают твердые вещества с молекулярной структурой (йод, нафталин, нашатырь, бензойная кислота). Очистка методом возгонки становится возможной в том случае, когда примеси не возгоняются.
Перегонка или дистилляция - метод очистки, основанный на превращении жидкости в пар с последующей конденсацией пара в жидкость. Метод обычно используют для отделения жидкости от растворенных в ней твердых веществ или других нелетучих примесей. Этим методом невозможно разделить компоненты с близкими способностями к парообразованию.
Вода, полученная в результате перегонки, называется дистиллированной.
Метод перекристаллизации основан на различной зависимости растворимости вещества и загрязняющих его примесей от температуры. Перекристаллизацию проводят следующим образом: при повышенной температуре (60 °С) готовят насыщенный раствор очищаемого вещества, полученный раствор фильтруют через воронку для горячего фильтрования для удаления нерастворимых примесей, затем раствор охлаждают. При понижении температуры растворимость вещества понижается и основная часть очищаемого вещества выпадает в осадок. Примеси остаются в растворе, поскольку полученный раствор относительно их остается ненасыщенным. Полученные кристаллы отфильтровывают. Метод позволяет очищать вещества, растворимые в воде, например: хлорид натрия, хлорид аммония, дихромат калия, сульфат меди и др.
Метод сублимации (возгонки) используется для очистки твердых веществ, способных при нагревании переходить из твердой фазы непосредственно в газовую, минуя жидкую фазу. Образующийся газ конденсируется в охлаждаемой части прибора. Возгонку проводят при температуре близкой к температуре плавления вещества. Возможна очистка только от примесей, не способных возгоняться. Метод позволяет очищать вещества, способные возгоняться, например: йод, сера, хлорид аммония и др.
Экспериментальная часть
Опыт 2.1. Очистка йода возгонкой
1. На технохимических весах взвесили 0,3 г кристаллического йода и 0,1 г йодида калия, поместили их в термостойкий стакан для возгонки.
2. Стакан накрыли круглодонной колбой с холодной водой.
3. Стакан осторожно нагревали на электроплите под тягой. Наблюдали возникновение фиолетовых паров и оседание йода на стенках круглодонной колбы.
4. После завершения возгонки нагрев прекратили, кристаллы йода осторожно перенесли на предварительно взвешенную бумагу.
5. Определили массу йода, полученного при возгонке. Она оказалась равной 0,23 г.
6. Определили практический выход йода при очистке по формуле:
Провели очистку йода методом возгонки. Практический выход очищенного йода составил
Опыт 2.2. Очистка воды перегонкой
Рисунок 1. Прибор для перегонки
1. Собрали установку для перегонки воды, схема которой приведена на рисунке 1
Цифрами обозначены:
1 - колба Вюрца с очищаемой водой;
2 - термометр;
3 - холодильник Либиха;
4 - приемник для перегнанной жид-
5 - холодная вода из водопровода;
6 - слив охлаждающей воды
2. Нагревали воду в колбе Вюрца до кипения.
3. Отбросили первые порции дистиллированной воды.
4. Собрали 20 мл дистиллированной воды в коническую колбу.
5. Провели выпаривание на стекле дистиллированной воды и обычной водопроводной воды. Обнаружили, что при выпаривании водопроводной воды остается сухой остаток (белый налет), указывающий на наличие примесей в ней. При выпаривании дистиллированной воды никакого остатка не образуется.
Провели очистку воды методом дистилляции. Обнаружили, что в дистиллированной воде отсутствуют примеси нелетучих веществ.
Опыт 2.3. Очистка углекислого газа
Для получения углекислого газа использовали аппарат Киппа, снаряженный кусками мрамора и 20%-ной соляной кислотой. Образование CO2 происходит по реакции:
CaCO3(тв.) + 2HCl(вод.) CaCl2(вод.) + CO2(газ) + H2O
В качестве примесей к основному продукту могут выступать пары воды и хлороводород.
1. Получаемый в аппарате Киппа газ пропускали через воду в пробирке в течение 2 минут.
2. Проверили наличие хлорид-ионы в полученном растворе с использованием раствора азотнокислого серебра. Наблюдали возникновение помутнения, указывающее на образование AgCl. Данный результат подтверждает присутствие HCl в газообразных продуктах реакции.
3. Получаемый в аппарате газ пропускали через хлоркальциевую трубку, заполненную безводным сульфатом меди (II). Наблюдали возникновение синего окрашивания твердого вещества, указывающего на наличие паров воды в газообразных продуктах реакции.
4. Собрали установку по получению чистого углекислого газа согласно схеме, приведенной на рисунке 2.
5. Экспериментально подтвердили отсутствие примесей HCl и H2O в получаемом углекислом газе.
Опыт 2.4 Очистка твердых веществ.
Задача лабораторной работы: получить m г чистого дихромата калия методом перекристаллизации. Значение m указывается преподавателем каждому учащемуся. Перед выполнением лабораторной работы необходимо выполнить предварительные расчеты.
Предварительные расчеты (пример при m = 10 г):
1. Используя справочную литературу, по таблице растворимости солей при различных температурах определяем растворимость дихромата калия при 20 °С и при 60 °С. Растворимость при 20 °С составляет 11,1 г соли в 100 г раствора, при 60 °С – 31,2 г в 100 г раствора.
2. Вычислим количество соли, которое можно получить при охлаждении до 20 °С 100 г раствора, насыщенного при 60 °С: при 60 °С в насыщенном растворе содержится 31,2 г соли и 68,8 г воды (100 – 31,2), при охлаждении этого раствора до 20 °С количество воды останется неизменным – 68,8 г, а 31,2 г соли распределятся между раствором, насыщенным при 20 °С, и осадком. Определим количество соли, которое останется в растворе. При 20 °С насыщенный раствор массой 100 г содержит 11,1 г соли и 88,9 г воды. Составим пропорцию:
11,1 г соли растворятся в 88,9 г воды,
m г соли растворяется в 68,8 г воды, тогда
(г);
следовательно, в растворе останется:
m (соли) р-р = m (соли) исх. - m (соли) осадок = 31,2 - 8,6 = 22,6 (г).
Таким образом, при охлаждении до 20 °С 100 г раствора, насыщенного при 60 °С, содержащего 31,2 г соли и 68,8 г воды, образуется 22,6 г осадка (чистой соли).
3. Вычислим количество соли и воды, необходимых для получения 10 г чистой соли. Составим пропорции:
если взять 31,2 г соли, образуется 22,6 г осадка,
если взять m 1 г соли, образуется 10 г осадка, тогда
(г);
если взять 68,8 г воды, образуется 22,6 г осадка,
если взять m 2 г воды, образуется 10 г осадка, тогда
(г).
Вычислим объем воды. Плотность воды равна 1 г/мл, следовательно:
(мл).
Таким образом, для получения 10 г чистой соли необходимо взять 13,8 г дихромата калия и 30,4 мл воды. К массе соли добавим 10 %, учитывая массу содержащихся примесей:
m (соли) = 13,8 + 0,1 · 13,8 = 15,2 (г).
Порядок выполнения работы
1. Наливаем в стакан отмеренное мерным цилиндром рассчитанное количество воды.
2. Взвешиваем на весах рассчитанное количество соли.
3. Растираем соль в фарфоровой ступке.
4. Помещаем растертую соль в стакан с водой и нагреваем раствор почти до кипения на электрической плитке с асбестовой сеткой, перемешивая стеклянной палочкой.
5. Полученный раствор отфильтровываем через складчатый фильтр, используя воронку для горячего фильтрования для удаления нерастворимых примесей.
6. Охлаждаем полученный раствор до 20 °С.
7. Выпавшие кристаллы отфильтровываем через предварительно взвешенный фильтр.
8. Несколько кристалликов полученной соли растворяем в 2 мл дистиллированной воды и добавляем 1–2 капли раствора нитрата серебра для определения наличия хлоридов.
9. Несколько кристалликов полученной соли растворяем в 2 мл дистиллированной воды и добавляем 1–2 капли раствора хлорида бария для определения наличия сульфатов.
10. Если образуются осадки хлорида серебра и/или сульфата бария, то проводим повторную перекристаллизацию, предварительно рассчитав количество воды, необходимое для приготовления насыщенного при 60 °С раствора, содержащего полученную массу соли.
11. Перекристаллизованный чистый дихромат калия на фильтре помещаем в фарфоровую чашку и высушиваем в сушильном шкафу при 60 °С до постоянной массы (взвешивание проводим каждые 15–20 минут, если после 2 взвешиваний масса не изменилась, то соль высушена).
12. Определяем массу полученной соли, отняв из массы соли с фильтром массу фильтра.
13. Рассчитываем практический выход:
Выход должен составлять не менее 80 %.
