Лабораторная работа № 2

Методы очистки

Веществ и проверка чистоты веществ

Классификация химических реактивов и методов очистки веществ

В неорганической химии важной проблемой является выделение соединений в индивидуальном состоянии. Условно эту проблему можно разделить на две: отделение основной массы индивидуального вещества от побочных продуктов, т.е. разделение смесей, и глубокая очистка препарата от ультрамалых количеств примесей. Вещество считается достаточно чистым, если оно не содержит таких примесей и в таких количествах, которые препятствуют его использованию. Важным условием очистки является контроль за содержанием примесей в полученном продукте.

Наличие примесей в веществе неизбежно. Как бы ни был совершенен метод очистки вещества, он позволяет лишь уменьшить содержание примесей, но не извлечь их полностью. Химические реактивы принято подразделять по степени чистоты на несколько классификаций, характеристики которых приведены в таблице 1.

Таблица 1.

Классификация химических реактивов

Классификация реактива	Символ	Содержание основного вещества, %	Содержание отдельных примесей, %
Чистый	ч.	Не менее 98	0,010,5
Чистый для анализа	ч.д.а.	Не менее 99	До 0,1
Химически чистый	х.ч.	Выше 99	1 . 10-3 1 . 10-5
Особо чистый	ос.ч.	Близко к 100	1 . 10-5 1 . 10-10

Для веществ, применяемых в некоторых специальных целях, вводят и другие характеристики качества. Например, в фармации употребляется квалификация “для фармацевтических целей”. Свойства веществ изменяются в зависимости от содержания в них примесей. Выбор метода очистки вещества определяется его свойствами и свойствами содержащихся в нем примесей. Обширное практическое применение находят такие методы очистки веществ, как кристаллизация из растворов (перекристаллизация), ректификация и дистилляция (перегонка), электролиз, сорбция, зонная перекристаллизация, транспортные реакции и др.

Кристаллизация из раствора, или перекристаллизация

Метод кристаллизации основан на известной зависимости растворимости от температуры и индивидуальности этой зависимости для химических соединений. Кристаллизацию, или перекристаллизацию (в случае, если этот процесс проводится многократно) можно проводить из расплава и из раствора. Методом перекристаллизации из раствора чистое вещество может быть получено как в фазе раствора, так и в фазе кристалла. В последнем классическом методе примесь остается в растворе, а малорастворимые вещества образуют кристаллы. При малой растворимости (S - 5-25%) одна операция кристаллизации может дать 300-1000-кратную очистку; при средней растворимости (S - 40-60%) - 100-150-кратную очистку; очень хорошо растворимые вещества плохо очищаются кристаллизацией. В этом случае необходима дополнительная операция концентрирования маточного раствора. Большое количество операций затрудняет широкое использование этого метода очистки (растворение кристаллов, кристаллизация, отделение кристаллов от маточника, промывание получившихся кристаллов, упаривание маточных растворов).

Опыт 1. Перекристаллизация хлорида калия, загрязненного хлоридом железа (III).

В данной работе проводят очистку хлорида калия от примеси FeCl₃ методом перекристаллизации (некоторое количество FeCl₃ специально добавлено к хлориду калия). Содержание FeCl₃ легко определить по интенсивности окраски, возникающей при действии на анализируемый препарат раствора KNCS:

Fe³⁺ + 3NCS^-  Fe(NCS)₃

Образующаяся соль Fe(NCS)₃ имеет кроваво-красную окраску. Интенсивность окраски полученного раствора определяют визуально сравнением с окраской образца с известным содержанием Fe³⁺ (для этого используют ряд растворов, в которых содержание Fe³⁺ увеличивается в определенных значениях, образуя стандартную шкалу).

Хлорид калия удобно очищать перекристаллизацией, поскольку при нагревании его растворимость в воде (S) значительно возрастает.

t, oC	0	10	20	30	50	70	90	100
S, г на 100 г воды	28,5	32,0	34,7	37,4	42,8	48,3	53,8	56,6

Постройте по этим данным график зависимости растворимости KCl от температуры.

Для отделения кристаллов KCl от маточного раствора проводят фильтрование под вакуумом. Установка (рис. 1) состоит из колбы Бунзена, воронки Бюхнера, промежуточной емкости и водоструйного насоса. Колба Бунзена – толстостенная коническая колба с отводной трубкой. Воронка Бюхнера – фарфоровая или стеклянная воронка с плоским сетчатым дном, на которое кладут бумажный фильтр.

В водоструйном насосе сильная струя воды вытекает из узкой трубки, вставленной с небольшим зазором в другую, более широкую. В зазоре струя воды захватывает воздух и уносит его в водосток и в системе, создается разрежение. Хорошо работающий водоструйный насос позволяет создать в системе остаточное давление, равное давлению насыщенного пара Н₂О при температуре воды в водопроводе (2^.10³ Па).

Рис.1. Установка для фильтрования под вакуумом.

Фильтр кладут на воронку Бюхнера, обжимают рукой, при этом на бумаге отпечатывается круг радиусом на 0,5 см меньшим отпечатка и вырезают его. Фильтр должен совершенно свободно ложиться на дно воронки Бюхнера, не касаясь ее краев, но в то же время закрывать все отверстия.

Перед фильтрованием фильтр смачивают водой или фильтруемым раствором, плотно прижимают стеклянной палочкой к дну воронки и включают насос. Если воздух проходит через фильтр с шипением, то фильтр плотно закрывает отверстия дна воронки и можно начинать фильтрование.

Выполнение работы.

В лабораторном журнале записывают данные, получаемые в процессе работы в следующую таблицу:

№ п/п	Определяемая величина	Результат
1	Содержание FeCl3 в исходном образце хлорида калия
2	Масса пустого стакана
3	Масса стакана с загрязненной пробой хлорида калия
4	Масса загрязненного хлорида калия
5	Объем воды, взятой для перекристаллизации хлорида калия
6	Масса пустой чашки
7	Масса чашки с очищенным хлоридом калия
8	Масса очищенного хлорида калия
9	Выход очищенного хлорида калия
10	Содержание FeCl3 в очищенной пробе хлорида калия

В предварительно взвешенный химический стакан емкостью 100 мл насыпают 20 г загрязненного хлорида калия и взвешивают. По разности находят массу пробы хлорида калия.

Пользуясь приведенными выше данными по растворимости KCl в воде, рассчитывают объем воды, необходимый для получения насыщенного раствора KCl при 100^оС. Отмеряют требуемый объем воды мерным цилиндром и наливают ее в стакан с навеской KCl.

Смесь нагревают до кипения, помешивая стеклянной палочкой, при этом вся соль должна раствориться (температура кипения раствора KCl превышает 100^оС). Как только весь хлорид калия растворится, нагревание прекращают. Полученный раствор хлорида калия оставляют для охлаждения до комнатной температуры.

Выделившиеся из раствора кристаллы KCl отфильтровывают на воронке Бюхнера, переносят их в предварительно взвешенную фарфоровую чашку, сушат в сушильном шкафу при 100^оС, охлаждают до комнатной температуры и взвешивают.

Чтобы снять осадок с воронки Бюхнера, ее перевертывают на лист фильтровальной бумаги, лежащей на стекле. При осторожном постукивании по воронке осадок падает на бумагу.

По данным о растворимости KCl рассчитывают, сколько должно было выделиться KCl из раствора при охлаждении его до комнатной температуры. Относительно этого количества рассчитывают выход (в процентах) очищенного хлорида калия.

Затем определяют содержание FeCl₃ в неочищенной и очищенной пробах хлорида калия. Для этого отвешивают по 1 г неочищенной и очищенной соли и химически чистого хлорида калия, не содержащего Fe³⁺. Навески переносят в три конические колбы и добавляют в каждую колбу пипеткой 20 мл раствора KNCS (с = 0,1 моль/л). В растворе загрязненного препарата KCl появляется интенсивная красная окраска, в растворе очищенной соли – слабая окраска, а в растворе с химически чистым KCl окраска не возникает.

Из бюретки в колбу с химически чистым KCl добавляют по каплям раствор FeCl₃ (с = 0,05 моль/л) до тех пор, пока окраска не станет такой же, как раствора с очищенным KCl. Отмечают объем добавленного раствора FeCl₃. Далее добавляют к той же пробе еще раствор FeCl₃ до тех пор, пока окраска не станет такой же, как раствора с неочищенным KCl. Снова отмечают объем добавленного раствора FeCl₃. По объемам добавленного раствора FeCl₃ рассчитывают содержание FeCl₃ в неочищенном и очищенном образцах хлорида калия.

Сделать вывод о проделанном опыте.

Опыт 2. Перекристаллизация тетрабората натрия, загрязненного хлоридом натрия.

В этой работе проводят очистку тетрабората натрия от примеси хлорида натрия. Содержание NaCl контролируют по количеству осадка (визуально), образующегося при действии на образец подкисленным раствором нитрата серебра:

Ag⁺ + Cl^- → AgCl _

Построить графики зависимости растворимости тетрабората натрия и хлорида натрия от температуры по данным справочника.

Отвесить на весах 12 г смеси тетрабората натрия с хлоридом натрия, перенести их в стакан и растворить при нагревании в 50 мл дистиллированной воды. Полученный раствор профильтровать через складчатый фильтр горячим, для чего время от времени ставить стакан на асбестированную сетку и подогревать. Горячий фильтрат охладить током холодной воды, потереть внутренние стенки стакана стеклянной палочкой до образования осадка.

Выпавшие кристаллы тетрабората натрия отделить от раствора на воронке Бюхнера, промыть небольшим (5-7 мл) количеством дистиллированной воды. Испытать несколько полученных кристаллов на содержание хлорида натрия. Сравнить с пробой исходного образца. Сделать вывод.