Дистилляция и ректификация

Очистка веществ дистилляцией основана на том, что при испарении смеси жидкостей пар получается обычно иного состава - происходит его обогащение легкокипящим компонентом смеси. Поэтому из многих смесей можно удалить легко кипящие примеси или, наоборот, перегнать основное вещество, оставив трудно кипящие примеси в перегонном аппарате. Часто приходится сталкиваться с системами, при перегонке которых все компоненты отгоняются в неизменном соотношении (азеотропные смеси). В этом случае разделения не происходит и очистка перегонкой невозможна. В качестве примеров азеотропных смесей можно привести водные растворы НСl (20,24% HCl) и этилового спирта (95,57% С₂Н₅ОН).

Для получения чистых веществ (особенно при глубокой очистке) вместо простой дистилляции предпочитают использовать ректификацию, т. е. процесс, при котором происходит автоматическое сочетание процессов дистилляции и конденсации. В ректификационной колонне пар встречается с различными фракциями конденсата, при этом часть менее летучего компонента конденсируется из пара в жидкость, а часть более летучего компонента переходит из жидкости в пар. Проходя через множество полок ("тарелок") ректификационной колонны, пар успевает настолько обогатиться более летучим компонентом, что на выходе из колонны практически содержит только этот компонент (или азеотропную смесь).

Ректификация используется для очистки не только жидких препаратов. Общеизвестно применение ректификации для разделения сжиженных газов (кислород, азот, инертные газы и т. д.).

Для разделения на составные части растворов жидкостей или твердых тел в жидкости чаще всего пользуются перегонкой (дистилляцией). В основе этого способа лежит различная летучесть составных частей при кипячении раствора. К перегонке прибегают также для определения температуры кипения жидкости. Перегонку ведут или при обыкновенном давлении, или в разреженном пространстве. Перегонку в прежнее время очень часто производили в ретортах стеклянных, глиняных или металлических. Реторты нагревали на очаге, а пары сгущали в баллоне-приемнике, охлаждаемом водой. В последнее время применение реторт для перегонки стало крайне ограничено. Неудобство их заключается, главным образом, в том, что в приемник могут легко попадать брызги кипящей жидкости. Кроме того, они не предоставляют достаточно места для термометра; наконец, теперь существуют для этой цели более простые и дешевые приспособления. Реторты поэтому применяют теперь лишь в исключительных случаях.

В настоящее время перегонка обыкновенно ведется в баллоне с припаянной сбоку трубкой. Перегонка при помощи разного рода бань идет равномернее, но часто медленнее, чем на голом огне; вообще, выбор того и другого способа нагревания зависит от многих обстоятельств.

Перегонку веществ легко воспламеняющихся, например, эфира, сероуглерода и т. п., нужно вести с большими предосторожностями, приемник хорошо охлаждать, закрывать, ставить подальше от огня и пр. При перегонке часто жидкость, вследствие перегревания, кипит неправильно, толчками, так что может переброситься в приемник. Чтобы избежать этого, в баллон бросают заранее какое-либо пористое тело, напр. пемзу или тонкие капиллярные трубки, иногда тальк, платину и пр. В этих условиях парообразование идет правильно и вся поверхность жидкости покрывается мелкими пузырьками.

Возгонка, сублимация.

Многие твердые тела уже при нагревании ниже температуры плавления улетучиваются и садятся на холодных стенках, как говорят, сублимируются. Одни улетучиваются легче, другие труднее; этим и пользуются для разделения их; вещества кристаллические могут дать при этом прекрасно образованные кристаллы.

Другой прием для разделения рассматриваемых смесей основан на употреблении растворителей. Здесь можно различить два случая: растворитель извлекает какие-либо одни вещества, не трогая других, или в раствор переходят все и затем разделяются соответственными приемами. В первом случае прежде всего стараются, чтобы взятое вещество было, по возможности, лучше измельчено, чтобы не был затруднен доступ растворителю. Обработка растворителем ведется, как при растворении. Количество растворителя находится в зависимости от натуры вещества, степени измельчения, температуры и пр., но оно по возможности должно быть мало, чтобы раствор получился крепче. Удобно заставлять растворитель фильтроваться через слой извлекаемого вещества, напр. его помещают в трубку с оттянутым концом и приливают растворитель. Если он летуч, то все это делается в закрытом пространстве. Нагревание значительно облегчает извлечение (экстрагирование). Существует множество приборов, где экстрагирование ведется одним и тем же количеством растворителя, который отгоняется при самой операции. Очень удобен прибор Сокслета.

Другой способ разделения состоит в кристаллизации из растворов.

Сущность его заключается в следующем: вещество растворяют, раствор затем охлаждают или медленно испаряют, тогда выделяются вещества менее растворимые или (при одинаковой растворимости) те, которые находятся в большем количестве. Кристаллизация ведется до известного предела; жидкость потом удаляется с кристаллов, они вновь растворяются и раствор вновь подвергают кристаллизации и т. д.

С каждой кристаллизацией кристаллы все более и более становятся однородными по составу, если, понятно, была взята смесь, способная к разделению кристаллизацией. В качестве растворителя выбираются такие жидкости, в которых растворимость выделяемых солей с температурой сильно изменяется. По большей части применяется вода, спирт, эфир, бензол, ацетон, хлороформ и пр. или их смеси. Для растворения берут как можно меньше жидкости и при нагревании получают насыщенный или близкий к насыщению раствор. Нерастворимый остаток отфильтровывают, употребляя воронку с нагреванием. Кристаллизация производится в стакане или в кристаллизаторах.

Когда хотят получить большие и хорошо образованные кристаллы, насыщенный при нагревании раствор оставляют спокойно и по возможности медленно охладиться; но такие кристаллы постоянно заключают в себе следы растворителя. Чтобы получить мелкие кристаллы, раствор охлаждают при помешивании. Если вещество образует пересыщенные растворы, то вызывают кристаллизацию, бросив в раствор кристаллик выделяемого вещества. В некоторых случаях кристаллизация производится при выпаривании, напр. когда вещество почти одинаково растворимо при нагревании и обыкн. темп. Кристаллы отделяются от маточного раствора указанным уже выше образом. Маточный раствор подвергается дальнейшей кристаллизации или нет, смотря по обстоятельствам. В редких случаях, получив смесь кристаллов, их разделяют пинцетом под лупой или на основания их удельного веса, бросая их, напр., в такую жидкость, в которой одни тонут, а другие нет.

Обезвоживание органических реактивов.

Самым распространённым обезвоживающим средством для органических жидкостей, содержащих небольшое количество воды, является прокалённый хлористый кальций, но им нельзя сушить спирты и амины.

Абсолютирование спирта.

Для получения безводного (абсолютного) спирта можно применять взбалтывание с прокаленным медным купоросом, обработку негашеной известью с последующей дистилляцией, обработку металлическим натрием, а ещё лучше - кальцием.

Для освобождения эфира от воды настаивают его с прокалённым СаCl₂, далее с металлическим Na (до прекращения выделения пузырьков Н₂), и затем отгоняют. Необходимый для обезвож-я абсолютный спирт готовится следующим образом: измельченный медный купорос прокаливают в тигле до тех пор, пока он от потери воды не примет вида белого порошка, который и всыпают в склянку со спиртом. Безводный медный купорос отнимает от спирта воду, причем делается снова синим.

Этим путём можно кроме того испытывать доброкачественность абсолютного алкоголя: прокалённый белый купорос не должен в нём синеть. При обезвож-и эфира поступают так же, как и при обезвож-и спирта. Обезвоживание начинают сразу с 100°-ного спирта в тех случаях (здесь он же является и фиксатором), когда нужная для окраски субстанция, например гликоген, растворяется в водных фиксаторах.

Возможности получения абсолютно чистых веществ.

Прежде всего следует подчеркнуть, что в практическом смысле чистота вещества понятие относительное, зависящее от назначения вещества. Так, в быту называют чистой обычную воду и уж, во всяком случае, относят к этой категории дистиллированную воду, поскольку в многочисленных случаях ее использования такая вода ведет себя как химический индивидуум. На самом деле дистиллированная вода далеко не является чистым веществом, она содержит растворенные газы, пылинки и в небольших количествах соли и кремниевую кислоту, извлеченные из стекла. Такая вода не только не может служить эталоном чистоты, но даже не может быть использована во многих ответственных работах (определение электропроводности, получение полупроводниковых материалов и т. д.).

Часто дается определение чистого вещества как физически и химически однородного материала, обладающего определенным комплексом постоянных свойств и не изменяющегося при дальнейшей очистки его самыми совершенными средствами. Однако такое определение далеко не безупречно, и оценка чистоты в сильной степени зависит от уровня развития техники. Содержание примесей в препаратах особой чистоты измеряется миллионными и миллиардными долями процента и с точки зрения практического использования такие препараты можно считать вполне чистыми. В самом деле: что значит примесь 3·10^-8%? Это значит, что один атом примеси приходится на 30 миллиардов атомов вещества.

Любая работа с веществами столь высокой чистоты требует исключительной аккуратности и самых тщательных предосторожностей против возможного загрязнения препарата. Малейший недосмотр приводит к резкому понижению чистоты препарата. Если, например, растереть препарат в агатовой ступке, содержание Cu увеличивается с 6·10^-8 до 1·10^-7%, т. е. в два раза. Достаточно проводить анализ чистейшей HNO₃ или HCl на открытом воздухе (а не в боксе со специально очищенным воздухом), как содержание Ca, Mg, Fe, Ni, Pb и других примесей возрастает на целый порядок. Следует отметить, что труднее всего проводить очистку вещества от "обычных" загрязнений, как перечисленные выше. Это объясняется тем, что имеется очень много источников загрязнения кальцием, магнием, железом и подобными примесями. Лабораторная посуда, вода, пыль, находящаяся в воздухе и на спецодежде, - все это создает возможность попадания ничтожных загрязнений в очищаемый препарат. Даже использование экспериментатором косметических средств (пудра, губная помада) может привести к снижению качества препарата высокой чистоты из-за загрязнения его цинком, магнием и др.

Чем меньше допустимое количество примесей в очищаемом веществе, тем сложнее удаление этих примесей и тем больше вероятность загрязнения. В этом и кроется трудность получения веществ предельной чистоты. Когда мы подходим к удалению последних "следов" загрязнений, то сталкиваемся с удивительным фактом: чем чище становится вещество, тем сильнее меняются его свойства. Известно, что полупроводниковые свойства германия проявляются только в том случае, если содержание примесей становится меньше 10^-7%.

В меньшей мере известен тот факт, что тщательное высушивание веществ, т. е. удаление последних следов сорбированной воды, приводит к резкому изменению физических констант. Когда метиловый спирт высушили фосфорным ангидридом в течение 9 лет, то температура кипения спирта вместо 66 оказалась 120 °С.

Лекция 3.ФХМИ. Химические реактивы.

Составитель: Кузьмина И.Н. 2014г. Страница 13