МЕТОДЫ ВЫДЕЛЕНИЯ И ОЧИСТКИ ВЕЩЕСТВ

Фильтрование и центрифугирование

В простейшем случае для отделения твердых частиц от жидкости можно слить (декантировать) жидкость с осадка. Но при этом невозможно полностью отделить жидкость, и для получения чистого осадка следует использовать фильтрование или центрифугирование.

Фильтрование. При отделении нерастворимых примесей от маточного раствора суспензию пропускают через коническую воронку с вложенным в нее смоченным бумажным фильтром, который не должен выступать за края воронки. Уровень жидкости при фильтровании должен быть ниже краев фильтра. Бумажные фильтры бывают двух видов: простые и складчатые. Складчатые фильтры применяют чаще, так как они имеют большую фильтрующую поверхность, что намного ускоряет процесс фильтрования. Простой фильтр – круглый бумажный фильтр, сложенный вчетверо. Для изготовления складчатого фильтра круглый фильтр складывают вчетверо, а затем делают сгибы «гармошкой» (рис. 2.1.)

 Рис.2.1. Последовательные действия при изготовлении простого (а)

и складчатого (б) фильтров

Часто для отделения осадка от фильтрата используют фильтрование с отсасыванием – фильтрование при уменьшенном давлении. Основными приборами в этом случае служат фарфоровая воронка Бюхнера и толстостенная колба Бунзена, которую соединяют с водоструйным насосом через предохранительную склянку Вульфа (рис. 2.2.)

Рис. 2.2. Схема прибора для фильтрования при уменьшенном давлении: 1-воронка Бюхнера; 2-осадок; 3-бумажный фильтр; 4-колба Бунзена;

5-фильтрат; 6-склянка Вульфа

На дно воронки Бюхнера кладут круглый бумажный фильтр, диаметр которого немного меньше диаметра дна воронки, но все отверстия в ней должны быть закрыты. Для плотного прилегания фильтра к воронке его смачивают водой или растворителем, присасывают ко дну, создав в колбе Бунзена пониженное давление, а затем пропускают разделяемую смесь. Водоструйный насос создает в системе необходимое разряжение порядка 8-15 мм рт.ст. (1-2 кПа). Предохранительная склянка Вульфа необходима для того, чтобы вода из водоструйного насоса случайно не попала в колбу Бунзена. После окончания фильтрования осадок промывают растворителем или водой и отжимают на фильтре при помощи плоской широкой стеклянной пробки.

При фильтровании в присутствии сильных щелочей, кислот, ангидридов и окислителей, которые разрушают обычную фильтровальную бумагу, применяют пористые стеклянные фильтры с различным диаметром пор.

Центрифугирование. Когда необходимо без потерь отделить малые количества осадка или если последний забивает поры фильтра, вместо фильтрования используют центрифугирование. Суспензию переносят в центрифужные стаканы, уравновешивают их по массе и помещают в седиментационные центрифуги со скоростью вращения 2000-3000 об/мин. После центрифугирования надосадочную жидкость сливают, осадок взмучивают с небольшим объемом растворителя и повторно центрифугируют. После окончания процесса растворитель отбрасывают, его осадки удаляют кусочками фильтровальной бумаги, а осадок подсушивают на воздухе.

Кристаллизация

Кристаллизация – процесс образования и роста кристаллов из раствора, расплава или газовой среды. Это один из важнейших методов очистки веществ от различных загрязнений, его также часто применяют для разделения смеси твердых веществ. Для кристаллизации готовят при нагревании насыщенный раствор вещества. Горячий раствор отфильтровывают от нерастворимых примесей на воронке для горячего фильтрования или применяют быстрое фильтрование при уменьшенном давлении в подогретую колбу Бунзена, а затем фильтрат медленно охлаждают. Выпавшие кристаллы отделяют от растворителя, промывают и высушивают.

При кристаллизации необходимо выполнение следующих условий:

1. растворимость вещества должна сильно зависеть от температуры (вещество должно хорошо растворяться при нагревании и значительно хуже при охлаждении);

2. растворимость очищаемого вещества в данном растворителе должна резко отличаться от растворимости примесей;

3. растворитель не должен химически взаимодействовать с очищаемым веществом;

4. кристаллизацию желательно проводить в небольшом объеме растворителя, иначе очищаемое вещество не будет полностью выделяться при охлаждении.

Смешивая в пробирках небольшое количество пробы с различными растворителями опытным путем подбирают такой растворитель, который отвечает необходимым требованиям. При этом обычно пользуются старым правилом – подобное растворяется в подобном, т.е. соединение хорошо растворимо в растворителях, которые химически и структурно подобны ему. Температура кипения растворителя должна быть ниже температуры плавления вещества на 10-15°С, иначе вещество после охлаждения будет выделяться в виде масла.

При образовании пересыщенных растворов для формирования центров кристаллизации добавляют несколько кристалликов очищенного вещества в качестве затравки. Кристаллизацию также легко вызвать трением стеклянной палочкой о стенку сосуда при сильном охлаждении смеси.

Перегонка

Перегонка основана на превращении жидкости в пар с последующей конденсацией пара в жидкость. Этим методом отделяют жидкость от растворенных в ней твердых веществ или разделяют смеси жидкостей на компоненты, используя разницу в их температурах кипения. Так, например, с помощью перегонки очищают природную воду от солей, которые в ней содержатся. В результате получается дистиллированная вода, лишенная этих солей или содержащая их лишь в крайне малых количествах.

При разгонке смеси жидкостей парообразная фаза, образующаяся над жидкостью, содержит большее количество низкокипящих компонентов, чем жидкая фаза, поэтому при конденсации пара в приемнике получают жидкость, обогащенную низкокипящей фракцией. Смеси, при перегонке которых состав пара не отличается от состава жидкости, называются нераздельнокипящими или азеотропными.

По условиям проведения работы различают три способа перегонки жидкостей:

1. при атмосферном давлении (простая или фракционная перегонка);

2. при уменьшенном давлении (перегонка в вакууме);

3. с водяным паром.

3-нисходящий холодильник Либиха; 4-аллонж; 5-приемная колба

Простая перегонка при атмосферном давлении применяется при разделении жидкостей, сильно отличающихся друг от друга по температуре кипения (разница температур кипения должна достигать 80-100°С).  При этом виде перегонки дистиллят собирают в один приемник. Простейший прибор перегонки показан на рис. 2.3.

Размеры колбы Вюрца должны быть такими, чтобы перегоняемая жидкость заполняла не более 2/3 ее объема. При соединении перегонной колбы с холодильником необходимо, чтобы конец ее газоотводной трубки выходил из пробки в холодильник на 2-3 см. Шарик термометра должен быть опущен на 0,5 см ниже отверстия газоотводной трубки. Для равномерного кипения смеси в колбу Вюрца помещают кипятильники (кусочки битого фарфора или стеклянные капилляры, запаянные с одного конца). Если температура кипения перегоняемой жидкости менее 120-150°С, применяют проточное водяное охлаждение. Если перегоняемая жидкость имеет более высокую температуру кипения, можно использовать непроточную воду (холодильник заполняется водой, а затем перекрывается ее подача) или воздушный холодильник. Перегонную колбу в зависимости от температуры кипения перегоняемого вещества можно нагревать на водяной, масляной, песчаной или воздушной бане. Скорость перегонки регулируют изменением температуры нагревания бани, причем скорость поступления дистиллята в приемную колбу не должна превышать 1-2 капель в секунду. Для обеспечения необходимой скорости перегонки температура в бане должна быть примерно на 30°С выше температуры перегонки. Пока отгоняется первый компонент смеси, температура перегонки остается постоянной. Резкое повышение температуры свидетельствует о том, что началась перегонка следующего, более высокотемпературного компонента.

Фракционной (дробной) перегонкой разделяют смеси жидкостей, которые отличаются температурой кипения на 50-80°С и не образуют азеотропные смеси. Перегонку осуществляют в приборе (рис. 2.4.), в состав которого входит дефлегматор.

Рис. 2.4. Прибор для фракционной перегонки: 1-перегонная колба;

2-дефлегматор; 3-термометр; 4-холодильник; 5-аллонж; 6-приемная колба

В дефлегматоре часть паров конденсируется вследствие охлаждения воздухом. Конденсирующиеся пары, обогащенные высококипящими компонентами смеси, стекают в перегонную колбу. Пары, проходящие через дефлегматор, обогащены летучими фракциями смеси, которые конденсируются в холодильнике и стекают в приемную колбу.

 Перегонка при уменьшенном давлении.Некоторые органические вещества нельзя перегонять при атмосферном давлении, так как они частично или полностью разлагаются при температуре кипения. Для очистки таких соединений используют перегонку при пониженном давлении (вакуумную перегонку), так как уменьшение атмосферного давления понижается температуру кипения жидкости. Приблизительно расчеты показывают, что снижение давления на 1,3 кПа вызывает понижение температуры на 0,5°С по сравнению с температурой кипения при нормальном давлении. Установка для перегонки при пониженном давлении изображена на рис. 2.5. В верхнюю часть колбы Кляйзена вставляют капилляр с резиновым шлангом и зажимом. Когда система находится под вакуумом, через капилляр пропускают воздух. При этом образуется поток очень мелких пузырьков, который соответствует спокойному кипению жидкости («кипятильнички» под вакуумом не работают).

Скорость пропускание пузырьков воздуха регулируют зажимом. Колбу Кляйзена соединяют с холодильником Либиха. Аллонж имеет отвод для соединения системы с манометром и через предохранительную склянку с водоструйным или масляным насосом. Если необходимо собрать несколько фракций, то применяют специальные более сложные аллонжи-«пауки», которые позволяют присоединять одновременно несколько приемных колб. Не сбрасывая вакуума, поворотом «паука» можно сменить приемную колбу. Перегонную колбу Кляйзена нагревают на бане. Категорически запрещается нагревать такую колбу на асбестовой сетке или открытом пламени, так как это может привести к местному перегреву и разрушению колбы. При работе под вакуумом следует соблюдать ряд правил техники безопасности:

- колбу Кляйзена заполняют после того, как прибор проверен на герметичность;

- нагревание жидкости начинают после достижения необходимого вакуума;

- перегонка жидкости проводится в защитных очках;

- во избежание взрыва нельзя перегонять вещество досуха;

- после окончания перегонки систему следует охладить, а затем медленно впустить воздух.

Рис.2.5. Прибор для перегонки при пониженном давлении:

1-колба Кляйзена или круглодонная колба с насадкой Кляйзена; 2-капилляр;

3-термометор; 4-холодильник; 5-аллонж; 6-приемная колба;

7- предохранительная склянка; 8- манометр.

Перегонка с водяным паром используется при очистки веществ, загрязненных большим количеством смолистых примесей, а также для соединений, которые кипят при высокой температуре и возможно их разложение. Эти вещества должны быть мало растворимы в воде и обладать значительной упругостью пара при температуре кипения воды. Таким методом можно перегнать высококипящий компонент, как жидкий, так и твердый, при атмосферном давлении и температуре около 100°C. Перегонка с водяным паром разделяют смеси веществ, из которых только одно может отгоняться паром

Возгонка

Возгонка (сублимация) – это процесс перехода кристаллического вещества в парообразное, минуя жидкую стадию. Сублимация подчиняется общим законам испарения. Обратный процесс – переход из газообразного в твердое, минуя жидкое, называется десублимация. Эти процессы протекают в природе. Например, десублимация водяного пара в атмосфере, сублимация льда, образование и изменение ядер комет. Не все вещества способны возгоняться, так как небольшое их перегревание может привести к быстрому термическому разложению. Поэтому сублимация не может служить универсальным методом очистки веществ. Этим способом хорошо очищать соединения, летучесть которых отличается от летучести загрязняющих агентов. Возгонка дает хороший результат пи очистке хинонов, многоядерных углеводородов, органических кислот (бензойная, салициловая и др.).

Возгонку можно проводить в фарфоровой чашке, покрытой конической воронкой (рис.2.6.(б)).

Рис.2.6. Возгонка вещества на часовых стеклах (а) и в фарфоровой чашке с воронкой (б): 1-фильтр с отверстиями; 2- воронка с ватным тампоном;

3- фарфоровая чашка; 4-часовые стекла

В фарфоровую чашку помещают возгоняемое вещество и накрывают её конической воронкой, которую закрепляют в лапке штатива. Чтобы кристаллы, образующиеся на воронке, не падали в возгоняемое вещество, между фарфоровой чашкой и воронкой прокладывают бумажный фильтр с вырезанными отверстиями. Чашку медленно и осторожно нагревают на пламенем горелки таким образом, чтоб пламя не касалось дна чашки. Воронку охлаждают фильтровальной бумагой или тканью, смоченной холодной водой. Налет на чашке появляется через 15-20 минут. По окончании возгонки и охлаждения прибор разбирают.

При сублимации небольших количеств веществ можно пользоваться часовыми стеклами (рис.2.6.(а)). 

Необходимо помнить, что возгоняемые препараты необходимо тонко измельчить, так как сублимация происходит только с поверхности вещества. При более высоких температурах скорость возгонки возрастает, но образующие мелкие кристаллы содержат значительные примеси других веществ.

Экстракция

Экстракция - это способ разделение твердых или жидких смесей, основанный на различной растворимости компонентов смеси в различных растворителях.

Экстракция жидкостей. Чаще всего вещество извлекают из водного раствора при помощи различных органических растворителей, например бензола, диэтилового, петролейного эфиров, хлороформа, этилацетат, дихлорэтана. Используемый для экстракции растворитель должен отвечать следующим требованиям:

- не смешиваться с водной фазой;

- намного лучше растворять экстрагируемое вещество, чем растворитель, из которого оно извлекается;

- легко отделяться при получении вещества;

- иметь невысокую температуру кипения;

- химически не взаимодействовать с компонентами смеси, из которой ведут экстракцию.

При подборе растворителя необходимо учесть, что его плотность должна отличаться от плотности экстрагируемого вещества.

Если извлекаемое вещество хорошо растворяется в воде, можно принять метод высаливания, при котором к раствору добавляются твердые соли (хлорид и сульфат натрия, сульфат аммония и др.) При этом меняется плотность раствора, уменьшается растворимость вещества, и экстракция облегчается.

Иногда при экстракции из водных растворов получаются стойкие эмульсии. Для их разрушения раствор насыщают неорганической солью и оставляют на некоторое время для расслаивания.

Большинство экстракций выполняют в делительной воронке (рис.2.7.).

Водный раствор смешивают в делительной воронке с растворителем (1/5-1/3 общего объёма раствора). Делительная воронка должна быть заполнена не более чем на 2/3. Воронку закрывают пробкой и осторожно взбалтывают её содержимое, поддерживая кран и пробку. Затем её краном переворачивают вверх (рис.2.7. (б)) и, осторожно открывая кран, выпускают образовавшиеся пары растворителя, после чего продолжают встряхивать. При этом необходимо помнить, что длительное или интенсивное встряхивание может привести к образованию стойкой эмульсии, которую будет трудно разрушить. После этой процедуры воронку закрепляют в штативе и оставляют на некоторое время до образования четкой границы между двумя растворителями. Нижний слой сливают через кран, а верхний - через верхнее отверстие делительной воронки. Оба слоя следует сохранить до окончания работы. В тех случаях, когда надо уточнить, какой слой является водным, от каждой фазы отбирают по несколько капель и добавляют в пробирку с водой. Для полноты извлечения веществ экстракцию часто проводят несколько раз. Порции экстрагента объединяют, сушат проходящим осушителем, а затем отгоняют растворитель.

Экстракция твердых веществ. Когда необходимо извлечь органическое вещество из твёрдой смеси, содержащей другие вещества, которые нерастворимы ни в органических растворителях, ни в воде, то предварительно измельченную смесь нагревают с соответствующим растворителем в колбе с обратным холодильником и фильтрует через воронку для горячего фильтрования. Для более полной экстракции твердых веществ часто используют метод непрерывной экстракции в экстракторе Сокслета (рис.2.8.).

Рис.2.7. Экстрагирование жидкостей в делительной воронке:

а - распределение веществ между двумя несмешивающимися растворителями:

1-верхнее отверстие с пробкой; 2-растворитель; 3- экстрагируемое вещество в другом растворителе; 4-кран;

б - положение делительной воронки при стравливании избыточного давления

Рис.2.8. Прибор Сокслета для экстрагирования твердых веществ:

       1-экстрагируемое вещество; 2- пористая гильза;

       3- трубка сифона; 4- растворитель

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ