Методы очистки в химии. Курсовая работа основные методы очистки и разделения веществ

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.

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 ЭКСПЕРИМЕНТА

1. 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.

техники безопасности , которые следует выполнять при работе с органическими веществами.

2. Показатель преломления бензола, определенный экспериментально, оказался равным 1,521. Является ли вещество чистым? Каким способом его можно очистить?

3. Какие вещества-осушители вы знаете? Какие из этих веществ можно использовать для высушивания ксилола?

4. Приведите пример применения экстракции.

5. На основании справочных данных о температурах кипения гептана и октана объясните, почему смесь этих веществ нельзя разделить перегонкой.

	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

Цель занятия: Ознакомления с основными методами очистки веществ, в частности, с фильтрованием под обычным давлением (простым и складчатым фильтром), горячим, под вакуумом.

План занятия:

1. Закрепить знания и навыки по основным методам очистки веществ.

2. По заданию преподавателя провести очитку загрязненной соли методом фильтрования.

Материалы и оборудование: стаканы, стеклянные палочки, плоскодонные и конические колбы, воронки, штатив, фильтровальная бумага, раствор поваренной соли, песок.

Лабораторный практикум

Для очистки веществ в зависимости от агрегатного состояния применяются различные методы. Очистка твердых веществ обычно осуществляется двумя методами: перекристаллизацией и возгонкой, жидкостей - фильтрованием и перегонкой, газов - поглощением примесей различными химическими реагентами.

Для отделения (очистки) жидкостей от нерастворимых твердых веществ применяется фильтрование. Фильтрование осуществляется путем пропускания жидкости через пористые материалы - фильтры.

В качестве фильтрующих материалов могут быть использованы кварцевый песок, асбест, стеклянная вата, фарфоровые пластинки (тигли Гуча), прессованное стекло (тигли Шотта), текстильные ткани, вата, бумажные фильтры (фильтровальная бумага различной платности).

Выбор фильтрующего материала зависит от свойств фильтруемой жидкости, размеров твердых частиц. В лаборатории чаще всего используют бумажные

фильтры - простые или складные. Простой фильтр применяется тогда, когда осадок необходим для дальнейшей работы. Простой фильтр готовят из квадратного листа бумаги, соответствующего по размерам ворони, складывают его пополам (рис. 33), как показано пунктирной линией и еще раз пополам

Внешние углы обрезают по дуге с таким расчетом, чтобы край фильтра был ниже края воронки на 0,5-1 см. Отворачивают одну четвертую часть сложенного фильтра и вставляют в

воронку, прижимают пальцами к стенкам воронки, смачивая дистиллированной водой. Необходимо, чтобы фильтр плотно прилегал к станкам воронки.

Складчатый фильтр. Внимательно ознакомьтесь с изготовлением складчатого фильтра. Проверьте правильность ваших умений по изготовлению складчатого фильтра у преподавателя.

Для легко фильтрующихся жидкостей применяется фильтрование под обычным давлением, трудно фильтруемых - фильтрование под вакуумом. Для вязких жидкостей и насыщенных растворов горячее фильтрование.

Для фильтрования под обычным давлением собирают прибор. Когда жидкости останется немного, осадок взбалтывают и переносят на фильтр. Жидкость, прошедшая через фильтр, называется фильтратом или маточным раствором. Остатки осадка смывают на фильтр дистиллированной водой из промывалки.

Промывание осадков производится водой или специальным растворителем, наливая его небольшими порциями, дают раствору полностью стечь и только после этого наливают следующую порцию. После 4-5 промывок проверяют качественно полноту отмывки от тех или иных примесей. Для этого в чистую пробирку отбирают несколько капель вытекающей жидкости и проводят реакцию на отмываемый ион (например, ион Сl – AgNO 3 ; ион SO 4 – ВаСl 2). Появление мути требует дальнейшего промывания осадка. Промывную жидкость собирают отдельно от основного фильтрата.

Для отделения и промывания труднорастворимых и медленно фильтрующихся осадков применяется метод декантации. До начата фильтрования образовавшемуся осадку дают осесть на дно сосуда. Осветленный раствор осторожно сливают с осадка на фильтр. К осадку вновь приливают растворитель, перемешивают, дают раствору отстояться. Жидкость снова сливают, а к осадку приливают растворитель и так повторяют несколько раз. Затем осадок переносят на фильтр для дальнейшей промывки.

Задание. Собрать прибор для фильтрования под обычным давлением. Ознакомиться со штативом и его сборкой. Отфильтровать по заданию преподавателя 50 мл

взвеси - песок вода, глина - вода. Освоить методик количественного перенесения осадка, пользуясь палочкой и промывалкой.

Для более быстрого отделения твердых веществ от жидкости применяют фильтрование под вакуумом. Фильтрование под уменьшенным давлением производится в приборе, который состоит из толстостенной колбы Бунзена (1) с боковым отростком и вставленной в нее, с помощью резиновой пробки, фарфоровой воронки Бюхнера (2) с решетчатым дном. На дно воронки помешают два фильтра один по диаметру дна воронки, а другой на 0,5 см больше первого. Обрезав по контуру воронки, фильтр окончательно подгоняют к воронке. Меньший фильтр кладется на дно воронки, смачивается водой и прижимается к дну воронки, а сверху кладется второй фильтр, края которого расправляются по стенкам воронки. Разряжение создается с помощью насоса. Прибор присоединяют к насосу для того, чтобы

фильтры плотно присосались к дну и стенкам воронки, затем прибор отключают. В воронку Бюхнера при помощи стеклянной палочки, наливают раствор с осадком, после чего прибор присоединяют к насосу через предохранительную склянку. Разряжение в колбе следует создавать постепенно по мере накопления осадка. Осадок на фильтре следует отжать.

После окончания фильтрования колбу следует отсоединить от предохранительной склянки и только после этого закрыть водопроводный кран.

Для извлечения осадка из воронки ее вынимают из колбы, переворачивают на лист фильтровальной бумаги и, ударяя рукой по воронке, удаляют осадок. Вместо воронки Бюхнера для этих же целей можно пользоваться тиглями Гуча или стеклянными воронками Шотта с различным диаметром пор.

Лапание По указанию преподавателя собрать прибор с воронкой Бюхнера и стеклянной воронкой Шотта. Ознакомиться с работой водоструйного или др. насоса.

Вопросы и задания

1. Для чего служит фильтрование?

2. Зачем используются простые и складчатые фильтры?

3. Назовите материалы из которых сделаны фильтры?

4. Методика фильтрования при обычном давлении.

5. Методика фильтрования под вакуумом.

6. Темы рефератов

7. Опыты, доказывающие сложность строения атома.

8. Попытки систематизации элементов. Открытие периодического закона.

Задачи и упражнения для СРС

Н.Л.Глинка Задачи и упражнения по общей химии. 140-164 задачи и вопросы. Стр.37-39.

Лабораторная работа №3

Тема:Основные приемы работы в химической лаборатории. Весы. Взвешивание

Цель занятия: освоить основные приемы работы в химической лаборатории и овладеть техникой взвешивания Познакомиться с различными видами весов.

План занятия:

1. Ознакомится с работой технических, технохимических, аналитических, электронных весов.

2. По заданию преподавателя провести взвешивание необходимого количества вещества.

Материалы и оборудование: технические весы, технохимические весы, аналитические весы, электронные весы, разновесы.

Лабораторный практикум

Взвешиванием на рычажных весах называют сравнение массы данного тела с массой гирь, масса которых известна и выражена в определенных единицах (мг, г, кг и др.). Весы являются важнейшим прибором в химической лаборатории, так как почта ни одна работа в ней не обходится без определения массы того или иного вещества или тары, в которую помешают взвешиваемое вещество.

Для взвешивания веществ с точностью до 0,01 г применяют техно-химические весы (рис.1)

Рис. 1. Техно-химические весы и разновес (1 - колонка, 2-аррегир, 3 - чашки весов, 4 - стрелка, 5 шкала, 6 отвес, 7 - винты для установки весов в горизонтальном положении, 8 - коромысло, 9 - винты для уравновешивания пустых чашек весов)

Принцип устройства техно-химических и аналитических весов один и тог же. На металлическом коромысле (равноплечий рычаг) имеются три призмы: два на концах и одна посередине его (рис. 2).Средняя призма покоится на пластинке, находящейся на центральной колонке весов и являющейся точкой опоры. В аналитических весах пластинка сделана из агата. На боковых призмах лежат пластинки, к которым подвешиваются чашки весов. Коромысло снабжено длинной стрелкой, которая показывают на шкале величину отклонения коромысла от горизонтального положения. При горизонтальном положении коромысла стрелка находится на нулевом делении шкалы.

Перед взвешиванием необходимо установить весы по отвесу. Переносить или сдвигать весы с места после установки не разрешается. Прежде чем приступить к взвешиванию, необходимо проверить весы. Для этого плавным поворотом винта, приподнимающего и опускающего коромысло (арретир), весы приводят в рабочее положение и наблюдают за качанием стрелки в ту и другую сторону от среднего деления шкалы, находящейся в нижней части весов. Если при этом стрелка отклоняется от средней линии шкалы на равное число делений в обе стороны, или же в одну сторону на 1-2 деления больше, чем в другую, то весы можно считать пригодными к работе. По окончании проверки весы необходимо арретировать, т.е, перевести в нерабочее положение обратным поворотом арретира.

При взвешивании необходимо соблюдать следующие правила:

Ставить предметы и разновесы на чашки весов, снимать их оттуда, касаться чем бы то ни было рабочей части весов можно только после того, как весы полностью арретированы.

Не ставить на чашку весов горячих, мокрых или грязных предметов. При работе с жидкостями ни в коем случае не допускать попадания жидкости на весы и разновесы.

Взвешиваемый предмет помещать на левую чашку весов, а разновесы на правую.

Не класть взвешиваемое вещество непосредственно на чашку весов. Твердые вещества взвешивать на часовых (вогнутых) стеклах, в бюксах, в тиглях или на листочках глянцевой бумаги.

Разновесы брать только пинцетом и при снятии с весов класть их в те гнезда, откуда они были взяты. Ни в коем случае разновесы не класть на стол,

Сначала надо взять разновес, приблизительно соответствующий весу предмета Если разновес оказался больше необходимого, то нужно взять следующий за ним и т.д., до тех пор, пока не будет достигнуто равновесие, т.е. приблизительно такое отклонение стрелки в обе стороны от середины шкалы, какое было перед взвешиванием.

Подсчитав общий вес разновесов, записать его в рабочую тетрадь. Не записывать величину навески на отдельных листах, клочках бумаги.

Не брать гири из другого набора разновесов.

При последовательных взвешиваниях одного или различных предметов, которые производятся в связи с одной работой, следует пользоваться одними и теми же весами и разновесами.

После взвешивания весы обязательно арретировать. Навесах ничего не оставлять.

Каждое взвешивание неизбежно сопровождается ошибкой. Поэтому в целях нахождения веса, возможно более приближающегося к истинному, необходимо произвести 4-5 взвешиваний. При последовательных взвешиваниях предмет с весов каждый раз не снимать. Одно взвешивание отделяется от другого только аррегированием весов.

Допускаемую при взвешивании ошибку можно выразить в виде средней квадратичной ошибки. Расчет средней квадратичной ошибки производится следующим образом. Допустим, что произведено 1,2,3... взвешиваний и получены следующие результаты:

а 1 , а 2 ,.. а п

находим среднее арифметическое из этих значений

Средняя квадратичная ошибка 6 определяется следующим выражением

Таким образом, вес предмета равен: А = а ± 6

Задание, Произвести взвешивание натехно-химических весах двух небольших предметов, взятых у лаборанта (весом от 1 до 100 г), с точностью до 0,01 г. Определить среднюю квадратичную ошибку взвешиваний.

Вопросы и задания

1. Общие правила работы в химической лаборатории.

2. Устройство весов. Точность весов. Методика взвешивания.

3. Ошибки при взвешивании. Среднеквадратичная ошибка взвешивания.

Задачи и упражнения для СРС

Н.Л.Глинка Задачи и упражнения по общей химии. Л» 99-114 задачи и вопросы. Стр.26-27.

Лабораторная работа № 4

Тема: Возгонка.

Цель занятия: Ознакомление с методами очитки веществ: возгонкой, перегонкой, перекристализацией.

Материалы и оборудование: круглодонные колбы, стаканы, воронки, штатив, горелка, ступка, фарфоровая чашка, йод.

Лабораторный практикум

При обычных условиях йод твердое вещество с молекулярной кристаллической решеткой. Когда молекулы улетучиваются с поверхности твердого вещества - это называется возгонкой. И при испарении, и при возгонке получаются пары. Фиолетовый дым - это пары йода, на наших глазах при легком нагревании происходит возгонка йода: переход из твердого состояния в газообразное, минуя жидкое. Пары йода поднимаются и оседают на более холодных стенках пробирки в верхней ее части. Здесь снова образуется твердый йод. Твердый йод становится жидким при 113°С, жидкий йод закипает при 184 ◦ С.

Задание: По указанию преподавателя к 6 массовым частям технического I 2 добавить 2 ч СаО и 1 ч KI, смесь растереть в ступке. На дно стакана помещают техническийиод, подлежащий отчистке. Стакан накрывают круглодонной колбой, заполненной холодной водой, ставят на песочную баню и включают нагрев.

Лабораторная работа №5

Введение

Бор в основном применяется в виде буры.

БУРА - натриевая соль тетраборной кислоты. Она широко применяется при производстве легкоплавкой глазури для фаянсовых и фарфоровых изделий и, особенно для чугунной посуды (эмаль); кроме того, она идет для приготовления специальных сортов стекла.

На растворении окислов металлов основано применение буры при спаивании металлов. Так как можно спаивать только чистые поверхности металлов, то для удаления окислов место спайки посыпают бурой, кладут на него припой и нагревают. Бура растворяет окислы, и припой хорошо пристает к поверхности металла.

Бор играет важную роль в жизни растений. присутствие в почве небольшого количества соединений бора необходимо для нормального роста с/х культур, как, например хлопка, табака, сахарного тростника и др.

В ядерной технике бор и его сплавы, а также карбид бора применяют для изготовления стержней реакторов. Бор и его соединения используют в качестве материалов, защищающих от нейтронного излучения.

Данная работа посвящена методам очистки буры как основного вещества – источника бора.

Бура и ее свойства

Тетрабора́т на́трия («бура») - Na 2 B 4 O 7 , соль слабой борной кислоты и сильного основания, распространённое соединение бора, имеет несколько кристаллогидратов, широко применяется в технике.

Химия

Структура аниона 2− в буре

Термин «бура» применяют по отношению к нескольким близким веществам: она может существовать в безводной форме, в природе чаще встречается в виде пятиводного или десятиводного кристаллогидрата:

· Безводная бура (Na 2 B 4 O 7)

· Пентагидрат (Na 2 B 4 O 7 ·5H 2 O)

· Декагидрат (Na 2 B 4 O 7 ·10H 2 O)

Однако наиболее часто слово бура относят к соединению Na 2 B 4 O 7 ·10H 2 O.

Природные источники

Бура, «cottonball»

Тетраборат натрия (Бура) встречается в солевых отложениях, образованных при испарении сезонных озёр.

Бура́ (декагидрат тетрабората натрия, Na 2 B 4 O 7 · 10H 2 O) - прозрачные кристаллы, при нагревании до 400°C полностью теряют воду.

Обычная бура (десятиводный гидрат) образует большие бесцветные прозрачные призматические кристаллы; базоцентрированная моноклинная решётка, а = 12, 19 Å, b = 10, 74 Å, с = 11, 89 Å, ß = 106°35´; плотностью 1, 69 - 1, 72 г/см 3 ; в сухом воздухе кристаллы выветриваются с поверхности и мутнеют.

В воде бура гидролизуется, её водный раствор имеет щелочную реакцию.

С оксидами многих металлов бура при нагревании образует окрашенные соединения - бораты («перлы буры»). В природе встречается в виде минерала тинкаля.

Тинкал, или «Бура» (декагидрат тетрабората натрия, Na 2 B 4 O 7 ·10H 2 O) - минерал моноклинной сингонии, призматический. «Тинкал» (Tinkal) - слово санскритского происхождения, являющееся синонимом более часто употребляемого названия минерала - «Бура» (от арабского «бюрак» - белый).

Цвет белый, блеск стеклянный, твёрдость по Моосу 2 - 2,5.

Плотность 1,71.

Спайность средняя по (100) и (110).

Образует короткопризматические кристаллы, по форме напоминающие кристаллы пироксенов, а также сплошные зернистые массы и прожилки в глинистых породах.

Типичный минерал эвапоритов.

На воздухе разрушается, теряя кристаллизационную воду и покрывается коркой тинкалконита или кернита, со временем превращается в них полностью.

Так называемая Ювелирная бура - пятиводный тетраборат натрия Na 2 B 4 O 7 ·5H 2 O.

Бура применяется:

· в производстве эмалей, глазурей, оптических и цветных стекол;

· при пайке и плавке в качестве флюса;

· в бумажной и фармацевтической промышленности;

· в производстве строительных материалов как компонент антисептика для изготовления целлюлозного утеплителя «Эковата»

· как дезинфицирующее и консервирующее средство;

· в аналитической химии:

o как стандартное вещество для определения концентрации растворов кислот;

o для качественного определения оксидов металлов (по цвету перлов);

· в фотографии - в составе медленно действующих проявителей в качестве слабого ускоряющего вещества;

· как компонент моющих средств;

· как компонент косметики;

· как сырьё для получения бора;

· как инсектицид в отравленных приманках для уничтожения тараканов.

В сухом воздухе кристаллы выветриваются с поверхности и мутнеют. При нагревании до 80°С декагидрат теряет 8 молекул воды, при 100 градусах медленно, а при 200°С быстро отщепляется ещё одна молекула воды, в интервале 350 - 400°С происходит полное обезвоживание.

Растворимость буры (в г. безводной соли на 100 г. воды): 1, 6 (10°С), 3, 9 (30°С), 10, 5 (50°С). Насыщенный раствор кипит при 105°С.

В воде бура гидролизуется, поэтому её раствор имеет щелочную реакцию.

Щелочная реакция раствора тетрабората натрия обусловлена тем, что в водном растворе протекает реакция гидролиза c образованием в растворе борной кислоты B(OH) 3:

Na 2 B 4 O 7 = 2Na + + B 4 O 7 2– ;

B 4 O 7 2– + 7H 2 O 2OH – + 4B(OH) 3 ,

а выделение аммиака при взаимодействии с NH4Cl отвечает уравнению:

Na 2 B 4 O 7 + 2NH 4 Cl + H 2 O = 2NH 3 ­ + 2NaCl + 4B(OH) 3

Бура растворяется в спирте и глицерине.

Сильными кислотами полностью разлагается:

Na 2 B 4 O 7 + H 2 SO 4 + 5H 2 O = Na 2 SO 4 + 4H 3 BO 3 .

Именно так голландский алхимик Вильгельм Гомберг, нагревая буру с серной кислотой H 2 SO 4 , выделил борную кислоту B(OH) 3 .

С окислами некоторых металлов бура даёт окрашенные бораты («перлы буры»):

Na 2 B 4 O 7 + CoO = 2NaBO 2 + Co(BO 2) 2 ,

что используется в аналитической химии для открытия этих металлов.

При медленном охлаждении раствора обычной буры при 79°С начинает выкристаллизовываться октаэдрическая бура Na 2 B 4 O 7 . 5H 2 O (или «ювелирная бура»), плотностью 1, 815 г/см 3 , устойчивая в интервале 60 - 150°С. Растворимость этой буры составляет 22 г. в 100 г. воды при 65°С, 31, 4 при 80°С и 52, 3 при 100°С.

Бура является важнейшим флюсом, облегчающим процесс плавки. Расплавленная бура образует при охлаждении на стенках тигля глазурь, предохраняет расплав от доступа кислорода и растворяет окислы металлов.

При медленном термическом обезвоживании обычной буры получается пиробура с плотностью 2, 371 г/см 3 и температурой плавления 741°С. Бура плавится и распадается на метаборат натрия и трёхокись бора, которые смешиваются в жидком состоянии:

Na 2 B 4 O 7 → 2NaBO 2 + B 2 O 3 .

Окись бора, соединяясь с окислами металлов, образует метабораты так же, как борная кислота. Метаборат натрия легко смешивается со вновь образованными метаборатами и быстро уводит их из зоны расплавленного металла, а на их место вступают новые активные молекулы окиси бора.

Бура обладает большей способностью растворять окислы, чем борная кислота, и используется не только как плавильный восстановительный флюс, но и как важнейший флюс при пайке твёрдыми припоями.

Обычную буру получают из борной кислоты, из тинкаля, кернита и некоторых других минералов (путём их перекристаллизации), а также из воды соляных озёр (фракционированной кристаллизацией).

Буру широко применяют при приготовлении эмалей, глазурей, в производстве оптических и цветных стёкол, при сварке, резке и пайке металлов, в металлургии, гальванотехнике, красильном деле, бумажном, фармацевтическом, кожевенном производствах, в качестве дезинфицирующего и консервирующего средства и удобрения.

Очистка веществ методом перекристаллизации

Перекристаллиза́ция - метод очистки вещества, основанный на различии растворимости вещества в растворителе при различных температурах (обычно интервал температур от комнатной до температуры кипения растворителя, если растворитель - вода, или до какой-то более высокой температуры).

Перекристаллизация подразумевает плохую растворимость вещества в растворителе при низких температурах, и хорошую - при высоких. При нагревании колбы вещество растворяется. После стадии адсорбции примесей (если это необходимо) активированным углём, горячего фильтрования (при необходимости) и охлаждения образуется перенасыщенный раствор, из которого растворённое вещество выпадает в виде осадка. После пропуска смеси через колбу Бунзена и воронку Бюхнера либо центрифугирования получаем очищенное растворённое вещество.

· Достоинство метода: высокая степень очистки.

· Недостаток метода: сильные потери вещества в ходе перекристаллизации: всегда часть растворённого вещества в осадок не выпадет, потери при перекристаллизации нередко составляют 40-50 %.

Растворителем могут быть вода, уксусная кислота, этанол (95 %), метанол, ацетон, гексан, пентан - в зависимости от условий.

Если растворителем является вода, то нагревание проводят в водяной бане. Охлаждение перенасыщенного раствора проводят с помощью водяного холодильника, если температура кипения растворителя ниже 130 градусов, если выше - с помощью воздушного холодильника.

Растворимость большинства твердых веществ с ростом температуры увеличивается. Если приготовить горячий концентрированный (почти насыщенный) раствор такого вещества, то при охлаждении этого раствора начнется выпадение кристаллов, поскольку растворимость вещества при более низкой температуре меньше. Образование холодного насыщенного раствора, концентрация которого меньше, чем исходного (горячего), будет сопровождаться кристаллизацией «излишка» вещества.

Растворение вещества, содержащего растворимые примеси, в горячей воде, а затем осаждение его из раствора при достаточном охлаждении - это способ очистки вещества от растворимых примесей, который называют перекристаллизацией. Примеси при этом, как правило, остаются в растворе, так как присутствуют там в ничтожно малых («следовых») количествах и при охлаждении не могут образовать своего насыщенного раствора.

Некоторая часть очищаемого вещества также остается в холодном насыщенном растворе, который в лабораторной практике называют маточным , и такие неизбежные (плановые) потери вещества можно рассчитать по значению растворимости вещества при этой температуре.

Чем больше уменьшается растворимость вещества при охлаждении раствора, тем выше будет выход перекристаллизованного вещества.

Многие твердые вещества при кристаллизации из водного раствора образуют кристаллогидраты; например, из водного раствора сульфат меди (II) кристаллизуется в виде CuSO 4 ·5 H 2 O. В этом случае при расчете необходимо учитывать воду, которая входит в состав кристаллогидрата.

Перекристаллизация имеет большое значение в химии и химической технологии, поскольку подавляющее большинство твердых веществ - химических продуктов, реактивов, химикатов, лекарств и т.д. получают из водных и неводных растворов, а заключительная стадия этого получения - кристаллизация (или перекристаллизация с целью повышения чистоты продукта). Поэтому очень важно проводить указанные процессы эффективно, с наименьшими потерями и высокими показателями качества.

Для проведения перекристаллизации используют специальную химическую посуду и лабораторное оборудование.

Процесс перекристаллизации осуществляют в несколько стадий:

Выбор растворителя;

Приготовление насыщенного горячего раствора;

- «Горячая» фильтрации;

Охлаждение раствора;

Отделение образовавшихся кристаллов;

Промывание кристаллов чистым растворителем;

Высушивание.

Выбор растворителя

Правильный выбор растворителя - условие при проведении перекристаллизации.

К растворителя выдвигают ряд требований:

Значительная разница между растворимостью вещества в определенном растворителе при комнатной температуре и при нагревании;

Растворитель должен растворять при нагревании только вещество и не растворять примеси. Эффективность перекристаллизации возрастает при увеличении разности в растворимости вещества и примесей;

Растворитель должен быть индифферентным как к веществу, так и к примесям;

Температура кипения растворителя должна быть ниже температуры плавления вещества на 10 - 15°С, иначе при охлаждении раствора вещество выделится не во кристаллической форме, а в виде масла.

Экспериментально растворитель выбирают так: небольшую пробу вещества помещают в пробирку, добавляя в нее несколько капель растворителя. Если вещество растворяется без нагревания, такой растворитель не пригоден для перекристаллизации.

Выбор растворителя считается правильным, если вещество плохо растворяется в нем без нагрева, хорошо - при кипении, а при охлаждении горячего раствора происходит ее кристаллизация.

Как растворитель при перекристаллизации используют воду, спирты, бензол, толуол, ацетон, хлороформ и другие органические растворители или их смеси.

Вещество для перекристаллизации помещают в колбу (1), добавляют небольшую порцию растворителя и нагревают с обратным холодильником (2) до кипения раствора. Если исходного количества растворителя не хватает для полного растворения вещества, растворитель небольшими порциями добавляют с помощью воронки через обратный холодильник.

Эффективная очистка сильно загрязненных веществ возможно с помощью различных адсорбентов (активированный уголь (activeated carbon), силикагель и т.д.). В этом случае готовят горячий насыщенный раствор вещества, охлаждают его до 40 - 50°С, добавляют адсорбент (0,5 – 2 % от массы вещества) и снова кипятят с обратным холодильником в течение нескольких минут.

«Горячая» фильтрация

Для отделения от механических примесей и адсорбента горячий раствор фильтруют. Чтобы предотвратить выделение вещества на фильтре применяют различные методы.

Простая установка «горячего» фильтрования (рис. 3.2) состоит из специальной воронки для «горячего» фильтрования (1), обогреваемой паром, химической воронки (2) со складчатым фильтром (3), который помещается в нее.

Горячий насыщенный раствор вещества быстро выливают на бумажный фильтр, помещенный в стеклянную воронку, которая нагревается с помощью воронки для горячего фильтрования. Фильтрат собирают в стакан или коническую колбу. При образовании на фильтре кристаллов вещества их промывают небольшим количеством горячего растворителя.

Охлаждение раствора

При охлаждении фильтрата до комнатной температуры начинается процесс кристаллизации. Для ее ускорения фильтрат охлаждают под струей холодной воды. При этом растворимость вещества уменьшается, происходит окончательная кристаллизация.

Отделение образовавшихся кристаллов

Отделение кристаллов от растворителя осуществляют с помощью фильтрования, при этом отсос или создания вакуума в приемнике часто используют для ускорения процесса фильтрования. Для этого используют вакуумный насос (водоструйный, масляный или Камовского).

Фильтрация осуществляется на установке, которая состоит из воронки Бюхнера (1) с бумажным фильтром, колбы Бунзена или специальной пробирки (2), промежуточной стакана (3) и вакуумного насоса. Размер бумажного фильтра должен точно совпадать с площадью дна воронки Бюхнера.

Бумажный фильтр смачивают растворителем, вкладывают в воронку и включают вакуумный насос. При работе насоса под фильтром создается пониженное давление - возникает характерный звук, что свидетельствует о наличии вакуума в системе и возможность фильтрации. Охлажденный кристаллический продукт вместе с растворителем при взбалтывании небольшими порциями переносят с конической колбы на бумажный фильтр.

В процессе фильтрования растворитель проходит через фильтр, осадок остается на нем. Следует следить, чтобы фильтрат НЕ заполнил колбу до уровня тубуса, соединенного с промежуточной стаканом. Фильтрация продолжают до тех пор, пока не перестанет капать фильтрат. После этого осадок отжимают на фильтре широкой стеклянной пробкой или специальной стеклянной палочкой, выключают насос, промывают осадок чистым растворителем, включают насос и снова отжимают. Установку отсоединяют от вакуума, вынимают воронку. Фильтр вместе с веществом аккуратно переносят в чашку Петри или специальную емкость для высушивания.

Высушивание твердого вещества

Сушить твердое вещество можно на воздухе при комнатной температуре. Гигроскопичны вещества высушивают в эксикаторах; устойчивы к воздействию воздуха и температуры - в сушильном шкафу, где температура должна быть на 20 - 50°С ниже температуры плавления данного вещества. Для перекристаллизованного и высушенного продукта определяют массу, выход и температуру плавления.

Определение температуры плавления

Температурой плавления вещества считают температурный интервал от начала до полного расплавления этого вещества. Чем чище вещество, тем меньше этот интервал. Разница между температурой, при которой начинается образование жидкой фазы и температурой полного расплавления для чистых соединений, не превышает 0,5°С.

Наличие незначительного количества примесей в веществе снижает ее температуру плавления и соответственно увеличивает интервал плавления. Это свойство используют для установления идентичности двух веществ, если одна из них известна: тщательно смешивают одинаковые количества веществ и определяют температуру плавления смеси (смешанная проба). Если температура плавления смешанной пробы такая же, как и у чистого вещества, делают вывод об идентичности обоих веществ.

Температуру плавления кристаллической органического вещества определяют в капилляре. Капилляр извлекают из стеклянной трубки, нагревая ее на пламени горелки. Один конец капилляра запаивают.

Перекристаллизованное вещество тщательно растирают на часовом стекле или в ступке. Открытым концом капилляра набирают небольшое количество вещества и бросают его запаянным концом вниз в стеклянную трубку длиной ≈ 60 - 80 см, поставленную вертикально на лабораторный стол. Операцию наполнения капилляра повторяют несколько раз, пока в нем не образуется цельный столбик вещества высотой 2 - 3 мм.

Наполненный капилляр (1) закрепляют резиновыми кольцами (2) на термометре (3) так, чтобы проба вещества находилась на уровне шарики термометра. Нагрев прибора регулируют так, чтобы температура увеличивалась со скоростью 1°С в минуту. При этом внимательно следят за состоянием колонки вещества капилляре, отмечая все изменения - изменение окраски, разложение, спекание, намокания и т.п.. Началом плавления считают возникновение первой капли в капилляре (Т 1), а окончанием - окончание расплавления последних кристалликов вещества (Т 2). Интервал температур (Т 2 - Т 1) называют температурой плавления данного вещества (Т пл).

Практическая часть

Методики очистки

1 способ. 25 г буры при 60 0 С растворяют в 50 мл воды. Раствор быстро фильтруют через складчатый фильтр в фарфоровую чашку или стакан, охлаждаемый снегом. Фильтрат непрерывно помешивают стеклянной палочкой.

Тетраборат натрия выпадает в виде мелких кристаллов, их отсасывают, промывают небольшим количеством холодной воды и повторяют перекристаллизацию. Кристаллы высушивают на воздухе в течение 2 – 3 дней. Полученный препарат имеет формулу Na 2 B 4 O 7 *10H 2 O и пригоден для установки титра.

2 способ. 25 г буры при 65 - 70 0 С растворяют в 75 мл воды. Полученный раствор быстро фильтруют через складчатый фильтр, вставленный в воронку с обрезанным концом, или через воронку для горячего фильтрования. Фильтрат сначала охлаждают медленно до 25 - 30 0 С, а затем быстро в ледяной воде или в снегу, усиливая кристаллизацию перемешиванием палочкой. Выпавшие кристаллы отсасывают, промывают небольшим количеством ледяной воды и высушивают между листами фильтровальной бумаги в течение 2 – 3 дней. Высушенные кристаллы буры должны легко отставать от сухой палочки.

Рассчитывают процент практического выхода буры.

Перекристаллизованную буру хранят в банке с хорошо притертой пробкой.

Методы очистки веществ различны и зависят от свойств веществ и их применения. В химической практике наиболее распространены следующие методы: фильтрование, перекристаллизация, дистилляция, возгонка, высаливание. Очистка газов обычно осуществляется поглощением газообразных примесей веществами, реагирующими с этими примесями. Чистые вещества обладают присущими им характерными физическими и химическими свойствами. Следовательно, степень чистоты вещества можно проверить как физическими, так и химическими методами. В первом случае определяют плотность, температуры плавления, кипения, замерзания и др. Химические методы проверки основаны на химических реакциях и представляют собой методы качественного анализа.

В соответствии со стандартом (ГОСТ) по степени чистоты реактивы делятся на:

а) химически чистые (х.ч.),

б) чистые для анализа (ч.д.а.),

в) чистые (ч.) и другие.

Для лабораторных работ по неорганической химии пригодны вещества с маркировкой х.ч. и ч.д.а.

Перекристаллизация

Очистка твердых веществ методом перекристаллизации основана на различной растворимости вещества в данном растворителе в зависимости от температуры. Под растворимостью понимают содержание растворенного вещества в насыщенном растворе. Растворимость обычно выражается в . Зависимость растворимости веществ от температуры выражается кривыми растворимости. Если соль содержала малые количества других растворимых в воде веществ, насыщение относительно последних не будет достигнуто при понижении температуры, поэтому они не выпадут в осадок вместе с кристаллами очищаемой соли. Процесс перекристаллизации состоит из нескольких этапов: приготовления раствора, фильтрования горячего раствора, охлаждения, кристаллизации, отделении кристаллов от маточного раствора. Очистка твердых веществ перекристаллизацией основана на различной растворимости вещества в данном растворителе в зависимости от температуры. Под растворимостью понимают содержание растворенного вещества в насыщенном растворе. Растворимость обычно выражается в граммах растворенного вещества на 100 граммов растворителя, иногда на 100 г раствора. Зависимость растворимости веществ от температуры выражается кривыми растворимости. Если соль содержала малые количества других растворимых в воде веществ, насыщение относительно последних не будет достигнуто при понижении температуры, поэтому они не выпадут в осадок вместе с кристаллами очищаемой соли. Процесс перекристаллизации состоит из нескольких этапов: приготовления раствора, фильтрования горячего раствора, охлаждения, кристаллизации, отделения кристаллов от маточного раствора.
Чтобы перекристаллизовать вещество, его растворяют в дистиллированной воде или в подходящем органическом растворителе при определенной температуре. В горячий растворитель небольшими порциями вводят кристаллическое вещество до тех пор, пока оно перестанет растворяться, т.е. образуется насыщенный при данной температуре раствор. Горячий раствор отфильтровывают на воронке для горячего фильтрования. Фильтрат собирают в стакан, поставленный в кристаллизатор с холодной водой со льдом или с охлаждающей смесью. При охлаждении из отфильтрованного насыщенного раствора выпадают мелкие кристаллы, так как раствор при более низкой температуре становится пересыщенным. Выпавшие кристаллы отфильтровывают на воронке Бюхнера, затем переносят их на сложенный вдвое лист фильтровальной бумаги. Стеклянной палочкой или шпателем распределяют кристаллы ровным слоем, накрывают другим листом фильтровальной бумаги и отжимают кристаллы между листами фильтровальной бумаги. Операцию повторят несколько раз. Затем кристаллы переносят в бюкс. До постоянной массы вещество доводят в электрическом сушильном шкафу при температуре 100-105 . Температуру в шкафу до этого предела следует повышать постепенно. Для получения очень чистого вещества перекристаллизацию повторяют несколько раз.

Возгонка (сублимация)

Процесс непосредственного превращения твердого вещества в пар без образования жидкости называют возгонкой. От перекристаллизации возгонка отличается более высоким выходом чистого продукта и происходит при более низкой температуре, чем температура плавления вещества. Ее применяют тогда, когда нельзя очистить вещество перекристаллизацией, так как оно разлагается при температуре плавления. Возгоняемое вещество нагревают. Достигнув температуры возгонки, твердое вещество без плавления переходит в пар, который конденсируется в кристаллы на поверхности охлажденных предметов. С помощью возгонки можно получить в чистом виде, например, бензойную кислоту, нафталин, хлорид аммония, йод и некоторые другие вещества, при условии, что примеси не возгоняются. Однако этот метод очистки веществ ограничен, так как немногие твердые вещества способны сублимироваться.

Перегонка (дистилляция)

Перегонка – это процесс отделения жидкости от растворенных в ней твердых веществ или менее летучих жидкостей. Перегонка основана на превращении жидкости в пар с последующей конденсацией пара в жидкость. По сравнению с перекристаллизацией перегонка при меньших затратах времени дает, как правило, больший выход чистого продукта. Перегонкой пользуются тогда, когда перегоняемые вещества при нагревании не претерпевают каких-либо изменений или когда очищаемые жидкости имеют определенную разницу температур, но не слишком высокую температуру кипения. Различают три способа перегонки жидкостей:

а) при атмосферном давлении (простая перегонка),

б) при уменьшенном давлении (вакуум-перегонка),

в) перегонка с водяным паром.

Простая перегонка применяется тогда, когда надо отделить целевой продукт от практически нелетучих примесей. Например, очистка воды от нелетучих солей. Для этого собирают традиционную установку, состоящую из перегонной колбы (колбы Вюрца), прямого холодильника и приемника. Перегонную колбу заполняют перегоняемой жидкостью не более чем на? ее объема, но и не менее чем на? объема колбы. Когда весь прибор собран, тщательно проверяют, хорошо ли подобраны пробки, правильно ли установлен термометр. Включают воду для охлаждения холодильника. Подставляют приемник для сбора перегоняемой жидкости и начинают нагревать раствор до кипения. Колбу нагревают на водяной (песчаной или масляной) бане, реже на пламени горелки через асбестовую сетку. Температуру паров отгоняемого вещества измеряют термометром, установленным на 1 см ниже отводной трубки колбы Вюрца. Для предотвращения внезапного вскипания перегоняемой жидкости и попадания ее в холодильник в колбу кладут длинные капиляры, запаянные с одного конца или небольшие кусочки фарфора (кипелки). Перегонку при низком давлении (вакуум-перегонку) применяют, если жидкость, подлежащая перегонке в обычных условиях, не выдерживает нагревания до температуры ее кипения. Установка для такой перегонки более сложная. Для отгонки веществ, нерастворимых в воде, используют перегонку с водяным паром.

Высаливание

Высаливание заключается в том, что под действием значительных количеств насыщенного раствора сильного электролита высокомолекулярные природные соединения (белки, камеди, слизи, пектины) выпадают из вытяжек в осадок. Это происходит потому, что при добавлении в вытяжку раствора электролита образующиеся ионы электролита гидратируются, отнимая воду у молекул биополимера. Исчезает защитный гидратный слой молекул биополимера. Наблюдаются слипание частиц и осаждение биополимера. Высаливание довольно широко применяется для очистки белковых лекарственных препаратов, например пепсина. Термин «высаливание» получил название от процесса осаждения белков при добавлении к их растворам хлорида натрия.

Необходимо иметь в виду, что различные соли обладают разным высаливающим свойством, которое объясняется способностью анионов и катионов к гидратации. Высаливающая способность электролитов зависит в основном от анионов. Анионы по своей высаливающей силе располагаются в следующий лиотропный ряд >>>>>.

Для катионов имеется такой же лиотропный ряд: > > > > .

Наибольшей высаливающей активностью обладает однако обычно для этой цели используют хлорид натрия, который дешевле.

Хлорид натрия

Хлорид натрия - химическое соединение NaCl, натриевая соль соляной кислоты, хлористый натрий.

Хлорид натрия известен в быту под названием поваренной соли, основным компонентом которой он является. Хлорид натрия в значительном количестве содержится в морской воде, создавая её солёный вкус. Встречается в природе в виде минерала галита (каменная соль).

Чистый хлорид натрия имеет вид бесцветных кристаллов. Но с различными примесями его цвет может принимать: голубой, фиолетовый, розовый, жёлтый или серый оттенок.

Умеренно растворяется в воде, растворимость мало зависит от температуры: коэффициент растворимости NaCl (в г на 100 г воды) равен 35,9 при 21 °C и 38,1 при 80 °C. Растворимость хлорида натрия существенно снижается в присутствии хлороводорода, гидроксида натрия, солей - хлоридов металлов. Растворяется в жидком аммиаке, вступает в реакции обмена.

Хлорид натрия по названием «Поваренная соль»

Поваренная соль (хлорид натрия, NaCl; употребляются также названия «хлористый натрий», «столовая соль», «каменная соль», «пищевая соль» или просто «соль») - пищевой продукт. В молотом виде представляет собой мелкие кристаллы белого цвета. Поваренная соль природного происхождения практически всегда имеет примеси других минеральных солей, которые могут придавать ей оттенки разных цветов (как правило, серого). Производится в разных видах: очищенная и неочищенная (каменная соль), крупного и мелкого помола, чистая и йодированная, морская, и т. д. Cоль добывается промышленной очисткой добытого из залежей галита (каменной соли), располагающихся на месте высохших морей.

В природе хлорид натрия встречается в виде минерала галита

Галит (греч. ??? - соль) - каменная соль, минерал подкласса хлоридов, кристаллическая форма хлорида натрия (NaCl). Сырьё, из которого изготавливается поваренная соль. Галиты можно найти в пластах осадочных пород среди прочих минералов - продуктов испарения воды - в пересыхающих лиманах, озёрах, морях. Осадочный слой имеет толщину до 350 метров и простирается на огромные территории. Например, в Америке и Канаде подземные залежи соли простираются от Аппалачских гор западнее Нью-Йорка через Онтарио до бассейна Мичигана.

Очистка хлорида натрия методом высаливания.

При перекристаллизации веществ, растворимость которых мало изменяется с изменением температуры, применяют метод высаливания. К растворам таких веществ добавляют вещества, понижающие их растворимость.

Экспериментальная часть

Приборы и реактивы
Приборы: технохимические весы, ступка, стакан, плитка, складчатый и обыкновенный фильтры, мензурка, стеклянная палочка, воронка, чашка Петри.
Реактивы: насыщенный раствор хлорида натрия, поваренная соль, дистиллированная вода, концентрированная соляна кислота (?= 1, 19 ) .

Методика очистки

Приготовить насыщенный раствор хлорида натрия. Отвесить на технохимических весах 20 г поваренной соли, растереть ее в ступке и высыпать в стакан. Добавить 50 мл дистиллированной воды, поставить стакан на плитку. Нагреть раствор до кипения и профильтровать его через складчатый фильтр в чистый стакан. Отмерить мензуркой 25 мл концентрированной соляной кислоты?= 1, 19 . Стакан с теплым насыщенным раствором поваренной соли перенести в вытяжной шкаф и медленно, небольшими порциями добавлять в него соляную кислоту при непрерывном перемешивании стеклянной палочкой. После охлаждения раствора до комнатной температуры отфильтровать выпавшие кристаллы с помощью воронки и обычного фильтра, перенести их в чашку Петри и высушить.

Проведение эксперимента

Первая параллель.
Отвесила на технохимических весах 20 г поваренной соли, пересыпала в стакан. Туда добавила 50 мл дистиллированной воды. Затем поставила стакан на плитку и довела содержимое до кипения. Соль отслоилась. Отфильтровала раствор и поместила его в вытяжной шкаф. Там, медленно, при перемешивании начала добавлять концентрированную соляную кислоту. При этом, растворимость электролита уменьшается при введении в раствор другого электролита с одноименным ионом. При введении ионов хлора Cl? в насыщенный раствор хлорида натрия NaCl(к) > + Cl? равновесие смещается влево, в результате чего выпадают кристаллы соли, не содержащие примесей.
Подождала, пока раствор остынет. Остывший раствор отфильтровала. Полученные кристаллы поместила в чашку Петри и оставила сушиться.
После того, как кристаллы высохли, я их взвесила: m=5,200 г.
и т.д.................