МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ

РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ

ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ

ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

«УФИМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ

НЕФТЯНОЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»

Кафедра «Физическая и органическая химия»

МЕТОДЫ РАЗДЕЛЕНИЯ, ВЫДЕЛЕНИЯ И ОЧИСТКИ

ОРГАНИЧЕСКИХ ВЕЩЕСТВ

Кристаллизация

Учебно-методическое пособие к выполнению лабораторной работы

УФА

2014

Данное методическое руководство предназначено студентам специальностей 240100 Химическая технология, 240700 Биотехнология, 240100 Химическая технология природных энергоносителей и углеродных материалов, 280200 «Охрана окружающей среды и рациональное использование природных ресурсов» для изучения основных методов очистки, выделения и разделения органических соединений и их смесей.

Выполнение лабораторной работы будет способствовать более глубокому усвоению теоретического материала по дисциплинам «Органическая химия», «Физическая химия» и «Коллоидная химия».

Составители Калашников С.М., доцент, канд. хим. наук,

Имашев У.Б., проф., доктор хим. наук

Рецензент Рольник Л.З., проф., доктор хим. наук

 Уфимский государственный нефтяной технический университет, 2014

1.Теоретическое обоснование Методы рАзделения и очистки органических веществ

Многие природные вещества представляют собой сложную смесь соединений. Продукты синтеза органических веществ также практически всегда содержат примеси и побочные продукты. В связи с этим одной из основных и трудоемких задач органического синтеза является разделение полученных продуктов и очистка целевых или изучаемых соединений. Важнейшие методы разделения и очистки органических веществ – перегонка, экстракция, кристаллизация, возгонка, хроматография. Все эти методы основаны на различиях физических и физико-химических свойств разделяемых веществ: агрегатного состояния, различной летучести, растворимости, способности адсорбироваться на твердых поверхностях и т. д.

Кристаллизация – процесс образования и роста кристаллов из раствора, расплава или газовой фазы. Кристаллизация возникает в результате пересыщения или переохлаждения исходной фазы по отношению к возникающей в ней твердой фазе.

Перекристаллизация используется для разделения смеси твердых веществ, а также их очистки от различных примесей. При этом из смеси твердых веществ или загрязненного вещества готовят горячий насыщенный раствор в подходящем растворителе, отфильтровывают горячий раствор от не растворившихся примесей, а затем охлаждают фильтрат. Выпадают чистые кристаллы, которые отфильтровывают (центрифугируют и т. д.) и сушат.

Перекристаллизация основана на различной растворимости очищаемого вещества (В) и примеси (П) в растворителе (Р), а также на различной растворимости вещества при различной температуре.

Блок-схема кристаллизации:

Для успешного проведения перекристаллизации очень важно правильно выбрать растворитель. Он должен плохо растворять вещество на холоде и хорошо при нагревании, не разрушая его.

При перекристаллизации неизвестного вещества, когда и растворитель, и его количество, необходимое для перекристаллизации, неизвестны, следует провести предварительные опыты в пробирках с малыми количествами веществ. Первоначально при выборе растворителя руководствуются старым, установленным прежде всего на соединениях более простого строения, правилом: «подобное растворяется в подобном», т. е. соединение хорошо растворимо в растворителях, химически и структурно близких с растворяемым веществом. Для подбора растворителя может быть полезной следующая схема:

КЛАСС СОЕДИНЕНИЙ		Хорошо растворимы в следующих растворителях
Углеводороды Галогенпроизводные углеводородов Простые эфиры Амины (высокая м.м.) Сложные эфиры Нитросоединения Нитрилы Кетоны Альдегиды Фенолы Амины (низкая м.м.) Спирты Карбоновые кислоты Сульфокислоты Соли (ионные соединения)	гидрофобные свойства гидрофильные свойства	Углеводороды, эфир, галогенпроизводные углеводородов Сложные эфиры Спирт, диоксан, уксусная кислота Спирт, вода Вода

Само собой разумеется, что растворитель не должен химически взаимодействовать с растворенным веществом.

Чаще всего в качестве растворителя используют воду, ацетон, спирт, эфир, бензол и т. д.

Иногда из-за адсорбции окрашенных примесей при кристаллизации получаются окрашенные вещества. Примеси извлекают до кристаллизации активированным углем или фильтрованием через слой безводного оксида алюминия, помещенного в воронку Бюхнера. Температура горячего раствора при добавлении активированного угля (или иного пористого вещества) должна быть значительно ниже температуры кипения, чтобы добавление угля не вызвало бурного вспенивания жидкости, которое может сопровождаться выбросом. Затем раствор некоторое время тщательно перемешивают, кипятят и фильтруют в горячем виде. Если раствор полностью не обесцветился, то обработку активированным углем повторяют.

Иногда используют смеси растворителей, которые предварительно подбирают. Чаще всего применяют смеси вода – эфир, бензол – алканы и т. п.

Влажное вещество сушат на воздухе, между листами фильтровальной бумаги, в сушильном шкафу, эксикаторе – в зависимости от его природы.

Для проведения кристаллизации используется следующее оборудование: химический стакан 1; стеклянная палочка 2; асбестовая сетка 3; горелка 4; воронка для горячего фильтрования (ВГФ) 5; стеклянная воронка с фильтром 6; воронка Бюхнера 7; колба Бунзена 8.

Навеску очищаемого вещества (4–6 г) помещают в химический стакан 1, приливают небольшое количество (100–150 мл) растворителя (чаще всего воду) и, перемешивая стеклянной палочкой 2, нагревают (почти до кипения) до тех пор, пока основная масса взятого вещества не перейдет в раствор.

Если при растворении раствор окажется окрашенным, его охлаждают до 40–60 ^оС, добавляют к нему 2–3 чайные ложки активированного угля и кипятят в течение 3–5 мин. После окончания растворения вещества горячий раствор быстро фильтруют с помощью стеклянной воронки с бумажным фильтром 6, вставленной в предварительно нагретую воронку для горячего фильтрования 5.

Стакан с горячим фильтратом охлаждают в бане со льдом или холодильном шкафу. При этом происходит обильное выпадение осадка. Выпавшие из холодного раствора кристаллы слегка перемешивают стеклянной палочкой и в виде кашицы ровным слоем заливают в воронку Бюхнера 7, вставленную в колбу Бунзена 8. Включают вакуумный насос и отфильтровывают кристаллы от маточного раствора до тех пор, пока из воронки Бюхнера не прекратят падать капли жидкости.

Иногда требуется промыть полученные кристаллы.

Чтобы промыть осадок, останавливают насос, осадок на фильтре заливают на толщину слоя холодным растворителем, снова включают насос и фильтруют досуха.

Воронку Бюхнера вместе с осадком отделяют от колбы Бунзена, переворачивают над листом фильтровальной бумаги и слегка (осторожно!) ударяют о поверхность стола.

Блок-схема кристаллизации: