МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ

ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ

ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

«Башкирский государственный педагогический

университет им.М. Акмуллы»

(ФГБОУ ВПО БГПУ им.М. Акмуллы)

План-конспект урока на тему:

« Методы очистки веществ»

Выполнил: Маркова Е.

Проверил: к.х.н. Рашидова С.Т.

Методы очистки веществ

Теоретическая часть

Методы очистки и разделения веществ основаны на использовании их различий в химических и физических свойствах. Примерами подобных способов разделения являются перекристаллизация, возгонка и поглощение.

Перекристаллизация - метод очистки, основанный на использовании зависимости растворимости веществ от температуры. Обычно перекристаллизация сводится к растворению вещества в подходящем растворителе при одной температуре и последующем выделении кристаллического осадка при другой температуре, когда раствор становится пересыщенным. Пересыщение одного раствора солей можно достигнуть также путем добавления различных добавок, например, спирта.

Возгонка или сублимация - непосредственное превращение твердого вещества в пар (обычно - при нагревании) минуя жидкое состояние. В дальнейшем пар может быть сконденсирован в кристаллы на охлаждаемой поверхности. Возгонка всегда происходит при температуре ниже температуры плавления вещества. Способностью к возгонке обычно обладают твердые вещества с молекулярной структурой (йод, нафталин, нашатырь, бензойная кислота). Очистка методом возгонки становится возможной в том случае, когда примеси не возгоняются.

Перегонка или дистилляция - метод очистки, основанный на превращении жидкости в пар с последующей конденсацией пара в жидкость. Метод обычно используют для отделения жидкости от растворенных в ней твердых веществ или других нелетучих примесей. Этим методом невозможно разделить компоненты с близкими способностями к парообразованию.

Вода, полученная в результате перегонки, называется дистиллированной.

Метод перекристаллизации основан на различной зависимости растворимости вещества и загрязняющих его примесей от температуры. Перекристаллизацию проводят следующим образом: при повышенной температуре (60 °С) готовят насыщенный раствор очищаемого вещества, полученный раствор фильтруют через воронку для горячего фильтрования для удаления нерастворимых примесей, затем раствор охлаждают. При понижении температуры растворимость вещества понижается и основная часть очищаемого вещества выпадает в осадок. Примеси остаются в растворе, поскольку полученный раствор относительно их остается ненасыщенным. Полученные кристаллы отфильтровывают. Метод позволяет очищать вещества, растворимые в воде, например: хлорид натрия, хлорид аммония, дихромат калия, сульфат меди и др.

Метод сублимации (возгонки) используется для очистки твердых веществ, способных при нагревании переходить из твердой фазы непосредственно в газовую, минуя жидкую фазу. Образующийся газ конденсируется в охлаждаемой части прибора. Возгонку проводят при температуре близкой к температуре плавления вещества. Возможна очистка только от примесей, не способных возгоняться. Метод позволяет очищать вещества, способные возгоняться, например: йод, сера, хлорид аммония и др.

Экспериментальная часть

Опыт 2.1. Очистка йода возгонкой

1. На технохимических весах взвесили 0,3 г кристаллического йода и 0,1 г йодида калия, поместили их в термостойкий стакан для возгонки.

2. Стакан накрыли круглодонной колбой с холодной водой.

3. Стакан осторожно нагревали на электроплите под тягой. Наблюдали возникновение фиолетовых паров и оседание йода на стенках круглодонной колбы.

4. После завершения возгонки нагрев прекратили, кристаллы йода осторожно перенесли на предварительно взвешенную бумагу.

5. Определили массу йода, полученного при возгонке. Она оказалась равной 0,23 г.

6. Определили практический выход йода при очистке по формуле:

Провели очистку йода методом возгонки. Практический выход очищенного йода составил

Опыт 2.2. Очистка воды перегонкой

Рисунок 1. Прибор для перегонки

1. Собрали установку для перегонки воды, схема которой приведена на рисунке 1

Цифрами обозначены:

1 - колба Вюрца с очищаемой водой;

2 - термометр;

3 - холодильник Либиха;

4 - приемник для перегнанной жид-

5 - холодная вода из водопровода;

6 - слив охлаждающей воды

2. Нагревали воду в колбе Вюрца до кипения.

3. Отбросили первые порции дистиллированной воды.

4. Собрали 20 мл дистиллированной воды в коническую колбу.

5. Провели выпаривание на стекле дистиллированной воды и обычной водопроводной воды. Обнаружили, что при выпаривании водопроводной воды остается сухой остаток (белый налет), указывающий на наличие примесей в ней. При выпаривании дистиллированной воды никакого остатка не образуется.

Провели очистку воды методом дистилляции. Обнаружили, что в дистиллированной воде отсутствуют примеси нелетучих веществ.

Опыт 2.3. Очистка углекислого газа

Для получения углекислого газа использовали аппарат Киппа, снаряженный кусками мрамора и 20%-ной соляной кислотой. Образование CO2 происходит по реакции:

CaCO3(тв.) + 2HCl(вод.) CaCl2(вод.) + CO2(газ) + H2O

В качестве примесей к основному продукту могут выступать пары воды и хлороводород.

1. Получаемый в аппарате Киппа газ пропускали через воду в пробирке в течение 2 минут.

2. Проверили наличие хлорид-ионы в полученном растворе с использованием раствора азотнокислого серебра. Наблюдали возникновение помутнения, указывающее на образование AgCl. Данный результат подтверждает присутствие HCl в газообразных продуктах реакции.

3. Получаемый в аппарате газ пропускали через хлоркальциевую трубку, заполненную безводным сульфатом меди (II). Наблюдали возникновение синего окрашивания твердого вещества, указывающего на наличие паров воды в газообразных продуктах реакции.

4. Собрали установку по получению чистого углекислого газа согласно схеме, приведенной на рисунке 2.

5. Экспериментально подтвердили отсутствие примесей HCl и H2O в получаемом углекислом газе.

Опыт 2.4 Очистка твердых веществ.

Задача лабораторной работы: получить m г чистого дихромата калия методом перекристаллизации. Значение m указывается преподавателем каждому учащемуся. Перед выполнением лабораторной работы необходимо выполнить предварительные расчеты.

Предварительные расчеты (пример при m = 10 г):

1. Используя справочную литературу, по таблице растворимости солей при различных температурах определяем растворимость дихромата калия при 20 °С и при 60 °С. Растворимость при 20 °С составляет 11,1 г соли в 100 г раствора, при 60 °С – 31,2 г в 100 г раствора.

2. Вычислим количество соли, которое можно получить при охлаждении до 20 °С 100 г раствора, насыщенного при 60 °С: при 60 °С в насыщенном растворе содержится 31,2 г соли и 68,8 г воды (100 – 31,2), при охлаждении этого раствора до 20 °С количество воды останется неизменным – 68,8 г, а 31,2 г соли распределятся между раствором, насыщенным при 20 °С, и осадком. Определим количество соли, которое останется в растворе. При 20 °С насыщенный раствор массой 100 г содержит 11,1 г соли и 88,9 г воды. Составим пропорцию:

11,1 г соли растворятся в 88,9 г воды,

m г соли растворяется в 68,8 г воды, тогда

(г);

следовательно, в растворе останется:

m (соли) р-р = m (соли) исх. - m (соли) осадок = 31,2 - 8,6 = 22,6 (г).

Таким образом, при охлаждении до 20 °С 100 г раствора, насыщенного при 60 °С, содержащего 31,2 г соли и 68,8 г воды, образуется 22,6 г осадка (чистой соли).

3. Вычислим количество соли и воды, необходимых для получения 10 г чистой соли. Составим пропорции:

если взять 31,2 г соли, образуется 22,6 г осадка,

если взять m 1 г соли, образуется 10 г осадка, тогда

(г);

если взять 68,8 г воды, образуется 22,6 г осадка,

если взять m 2 г воды, образуется 10 г осадка, тогда

(г).

Вычислим объем воды. Плотность воды равна 1 г/мл, следовательно:

(мл).

Таким образом, для получения 10 г чистой соли необходимо взять 13,8 г дихромата калия и 30,4 мл воды. К массе соли добавим 10 %, учитывая массу содержащихся примесей:

m (соли) = 13,8 + 0,1 · 13,8 = 15,2 (г).

Порядок выполнения работы

1. Наливаем в стакан отмеренное мерным цилиндром рассчитанное количество воды.

2. Взвешиваем на весах рассчитанное количество соли.

3. Растираем соль в фарфоровой ступке.

4. Помещаем растертую соль в стакан с водой и нагреваем раствор почти до кипения на электрической плитке с асбестовой сеткой, перемешивая стеклянной палочкой.

5. Полученный раствор отфильтровываем через складчатый фильтр, используя воронку для горячего фильтрования для удаления нерастворимых примесей.

6. Охлаждаем полученный раствор до 20 °С.

7. Выпавшие кристаллы отфильтровываем через предварительно взвешенный фильтр.

8. Несколько кристалликов полученной соли растворяем в 2 мл дистиллированной воды и добавляем 1–2 капли раствора нитрата серебра для определения наличия хлоридов.

9. Несколько кристалликов полученной соли растворяем в 2 мл дистиллированной воды и добавляем 1–2 капли раствора хлорида бария для определения наличия сульфатов.

10. Если образуются осадки хлорида серебра и/или сульфата бария, то проводим повторную перекристаллизацию, предварительно рассчитав количество воды, необходимое для приготовления насыщенного при 60 °С раствора, содержащего полученную массу соли.

11. Перекристаллизованный чистый дихромат калия на фильтре помещаем в фарфоровую чашку и высушиваем в сушильном шкафу при 60 °С до постоянной массы (взвешивание проводим каждые 15–20 минут, если после 2 взвешиваний масса не изменилась, то соль высушена).

12. Определяем массу полученной соли, отняв из массы соли с фильтром массу фильтра.

13. Рассчитываем практический выход:

Выход должен составлять не менее 80 %.

Некоторые химические реактивы для выполнения аналитических работ приходится в лаборатории подвергать очистке. Очистка производится фильтрованием, перегонкой, перекристаллизацией, экстракцией, методами хроматографии и ионофореза.

Фильтрование

Фильтрование проводят для отделения твердых частиц от жидкости, например нерастворимых примесей от раствора реактива. Фильтрование основано на пропускании смеси жидкости с твердой фазой через пористый фильтр, например через фильтровальную бумагу. Поры (отверстия) в бумаге настолько малы, что через них проходит только жидкость, а все твердые частицы остаются на фильтре. Как скорость фильтрования, так и степень очистки зависят от размеров пор фильтра. На скорость фильтрования оказывает большое влияние вязкость жидкости и ее температура. Горячие жидкости всегда фильтруются быстрее, чем холодные.

Для фильтрования применяют стеклянную воронку (см. рис 4), которую укрепляют в кольце штатива или в специальной дощечке с отверстием для фильтрования. Иногда для небольших воронок делают специальный стеклянный крючок, с помощью которого можно прикрепить воронку непосредственно к стакану.

Фильтровальная бумага в отличие от обычной не проклеена, более волокниста, однородна и чиста. Выпускаются также готовые круглые фильтры из обеззоленной бумаги.

Для изготовления фильтра квадратный листок фильтровальной бумаги складывают пополам, затем вчетверо и округляют внешние края ножницами. Отделяют один слой бумаги, образуя угол, и подгоняют фильтр к воронке. Края фильтра должны быть на 3-5 мм ниже края воронки. Пространственный угол воронки должен быть равен 60°, но иногда раструб воронки несколько отклоняется от 60° в большую или меньшую сторону, и тогда фильтр не прилегает плотно к стенкам воронки. В этом случае, несколько меняя угол перегиба фильтра в ту или другую сторону, плотно подгоняют фильтр к стенкам воронки. После подгонки фильтра к воронке его смачивают чистым растворителем, для водных растворов - водой и, поглаживая чистым пальцем, прижимают фильтр к стенкам воронки так, чтобы под ним не было пузырьков воздуха.

Фильтрование проходит довольно быстро, когда в трубке воронки образуется столбик жидкости. Если столбик жидкости в трубке не образовался, тогда в воронку наливают воду выше краев фильтра, затем пальцем немного приподнимают фильтр и опускают его, стекающая жидкость почти всегда образует столбик в трубке воронки. Для этой же цели иногда удлиняют стеклянную трубку воронки резиновой трубкой.

Жидкость для фильтрования сливают в воронку по стеклянной палочке, прислонив к ней носик стакана. Палочку держат над фильтром вертикально, не прислоняя к фильтру. Если в растворе имеется осадок, то нужно дать ему отстояться, профильтровать осторожно большую часть жидкости и только под конец вылить раствор вместе с осадком. Это делается для того, чтобы осадок не забивал пор фильтра в начале фильтрования и чтобы оно не длилось слишком долго.

Для очистки растворов реактивов часто применяют плоеные (складчатые) фильтры, фильтрование через которые происходит гораздо быстрее. Плоеный фильтр делается также из квадратного листа фильтровальной бумаги. Сначала его складывают и обрезают как обычный фильтр (рис. 41). Затем отвертывают половину и правую четвертушку сгибают пополам внутрь, отгибают верхнюю восьмушку и складывают ее пополам, полученную шестнадцатую долю снова складывают пополам. По этой дольке (1/32 фильтра) складывают гармошкой весь фильтр. Готовый фильтр развертывают и вкладывают в воронку. Если фильтр большого размера, то он может прорваться во время фильтрования, для предотвращения этого в воронку вкладывают сначала небольшой обычный фильтр и плотно подгоняют к воронке. Необходимо также при складывании фильтра стремиться к тому, чтобы складки не подходили вплотную к центру фильтра.

Никогда не следует наливать жидкость до самого края фильтра. Конец трубки воронки нужно прислонить к стенке стакана для того, чтобы не было разбрызгивания фильтрата. Если фильтрат получился мутным, его фильтруют еще раз через тот же фильтр.

Концентрированные растворы кислот и щелочей, а также растворы перманганата фильтровать через бумагу нельзя, так как эти вещества разрушают ее. Их фильтруют обычно через стеклянную вату. Для этого вату обрабатывают сначала нагреванием с соляной кислотой, а затем хорошо промывают водой. Такую вату хранят в стакане с дистиллированной водой, а для фильтрования ее вкладывают в угол воронки. После конца фильтрования ее промывают водой и кладут в тот же стакан для хранения. Концентрированные растворы можно также фильтровать через стеклянные фильтрующие воронки с пористой пластинкой, применяя отсасывание.

Для отфильтровывания большой массы твердого вещества от жидкости применяют фильтрование с отсасыванием. Для этого пользуются колбой Бунзена и воронкой Бюхнера (см. рис. 6 и 29). Воронка вставляется в отверстие резиновой пробки, подобранной к горлу колбы Бунзена - толстостенной конической колбы с отростком для отсасывания; на отросток надевается резиновая трубка от водоструйного насоса (рис. 42).

На перегородку воронки кладут два бумажных фильтра соответствующего диаметра, смачивают их дистиллированной водой и плотно прижимают к перегородке стараясь удались все пузырьки воздуха из-под фильтров. Открыв водоструйный насос, проверяют, хорошо ли приложены фильтры. Если фильтры лежат хорошо, то будет слышен спокойный шумящий звук. Если же имеется подсос воздуха, то слышится свистящий звук. В этом случае фильтры прижимают пальцем к сетчатой перегородке до тех пор, пока свист не сменится спокойным шумящим звуком.

Не закрывая водоструйного насоса, сразу же вливают в воронку фильтруемую жидкость (до половины высоты воронки) и периодически добавляют ее, не допуская оголения фильтров. В силу разрежения, создаваемого в колбе Бунзена, жидкость довольно быстро протекает через фильтры. Осадок обычно одновременно с жидкостью переносят на фильтры, хорошо размешав смесь стеклянной палочкой. Рыхлый осадок уплотняют в воронке плоской стеклянной пробкой от бутыли. Отсасывание продолжают до полного прекращения появления капель с носика воронки. Необходимо следить, чтобы колба не наполнялась фильтратом до самого отростка.

Для прекращения отсасывания отсоединяют от колбы Бунзена резиновую трубку, идущую от водоструйного насоса, а затем выключают насос. Если водоструйный насос начать закрывать сразу, не отсоединив от «сосалки», то вода из насоса может попасть в фильтрат вследствие уменьшения давления внутри насоса. Воронку вынимают из колбы, вещество вытряхивают на фильтровальную бумагу и сушат. Фильтрование с отсасыванием применяют при перекристаллизации веществ.

Иногда требуется фильтровать горячие растворы, чтобы они не остывали во время фильтрования. Для этого применяют воронки горячего фильтрования.

Перегонка

Перегонкой (дистилляцией) производят очистку жидких веществ (например, воды, соляной кислоты, спиртов, эфира) от нелетучих примесей. Перегонка основана на том, что жидкость при нагревании до определенной температуры, зависящей от состава жидкости и атмосферного давления, начинает кипеть - бурно переходить в газообразное состояние (пар). Если этот пар охладить, отводя по газоотводной трубке, то он превратится в жидкость. Прибор для перегонки состоит из перегонной колбы 1 (рис. 43), холодильника 2 и приемника 4. Все нелетучие примеси, находящиеся в жидкости в растворенном состоянии, остаются в перегонной колбе.

Для сборки аппарата для перегонки жидкости используют колбу Вюрца - круглодонную колбу с длинной шейкой, от которой отходит длинная узкая отводная трубка. Горло колбы Вюрца закрывают резиновой или корковой пробкой с термометром; пробка должна быть плотно подогнана к горлу колбы. Термометр помещают так, чтобы его резервуар со ртутью был напротив отверстия отводной трубки и не касался стенок горла колбы. Конец отводной трубки пропускают через подогнанную пробку в холодильник Либиха на 3-4 см. Это сочленение также должно быть герметичным. На другом конце холодильника укрепляют аллонж 3 (см. рис. 43) - стеклянную изогнутую трубку, насаживая ее широким концом на пробку, надетую на конец холодильника, который пропущен через пробку на 2-3 см. Суженный конец аллонжа опускается в приемник, которым может быть любая посуда (колба, склянка).

Иногда холодильник Либиха состоит из отдельных частей, не спаянных между собой: холодильной трубки и холодильной рубашки. Для сборки такого холодильника трубку пропускают в рубашку и скрепляют с нею посредством отрезков (колец) резиновой трубки. Резиновую трубку подбирают к муфтам рубашки и надевают на них, затем пропускают через них холодильную (газоотводную) трубку, хорошо смазав ее вазелином и все время поворачивая.

При включении холодильника всегда подсоединяют нижний конец его рубашки, который обращен к приемной колбе, к водопроводному крану резиновой трубкой. От верхнего конца делают отвод в сточную раковину. Нужно следить, чтобы рубашка холодильника всегда была заполнена водой.

Колбу Вюрца укрепляют в лапке штатива так, чтобы ее можно было нагревать. Лапка должна обхватывать горло колбы выше отводной трубки. Подсоединяют колбу к холодильнику, укрепленному на втором штативе. Осторожно вынимают пробку с термометром, вставляют в горло колбы воронку с трубкой, спускающейся ниже отверстия отводной трубки, и наливают в колбу на 2/3 ее объема жидкость, которую нужно перегонять. Помещают в колбу несколько стеклянных капилляров, запаянных с одного конца, чтобы обеспечить равномерное кипение жидкости. Недопустимо во время перегонки бурное вскипание жидкости, так как это может привести к попаданию капель в отводную трубку и к загрязнению дистиллята.

Закрыв колбу пробкой с термометром и проверив надежность сборки прибора, подают воду в холодильник и затем включают нагрев. Обогрев можно вести на газовой горелке через сетку, на водяной бане или другими средствами. После закипания жидкости обогрев уменьшают настолько, чтобы происходило равномерное кипение.

Никогда не следует выпаривать жидкость полностью, ее должно оставаться в перегонной колбе 10-15% от первоначально взятого объема. Для новой заправки колбы обогрев выключают, дают колбе несколько остыть, осторожно вынимают пробку с термометром и доливают жидкость через воронку. Время от времени остатки с загрязнениями следует удалять из перегонной колбы.

Изготовляют также перегонные аппараты целиком из стекла. Такой аппарат состоит из перегонной и приемной колб и холодильника на пришлифованных пробках. Для термометра в пробке перегонной колбы имеется специальный кармашек. Согнутый конец трубки холодильника перед шлифом к приемной колбе имеет отросток для отвода избытка газов.

Многие жидкости имеют свои характерные особенности, которые необходимо учитывать при перегонке. Поэтому прежде чем приступать к перегонке какого-либо вещества, нужно по руководству хорошо ознакомиться с особенностями ее проведения.

В некоторых случаях для перегонки применяют специальный прибор. Он представляет собой цилиндрический сосуд вместимостью 1л, снабженный навинчивающейся крышкой с внутренним конусом (рис. 44). Внутри цилиндра размещены треножник и чашка. Все детали сделаны из фторопласта-4.

Этот прибор используют, например, для получения особо чистой фтористоводородной кислоты для спектрального анализа кремния и его соединений.

В цилиндрический сосуд наливают 500-600 мл очищаемой фтористоводородной кислоты, добавляют 0,2 г спектрально чистого угольного порошка и тщательно перемешивают фторопластовым шпателем. На треножник ставят пустую чашку - приемник. Цилиндрический сосуд закрывают крышкой и помещают на кипящую водяную баню. Крышку сосуда с внешней стороны охлаждают сухим льдом (твердой CO2). Пары кислоты, охлаждаясь на конусообразной стороне крышки, конденсируются и стекают с вершины конуса в чашку. Перегонку ведут со скоростью 15-20 мл/ч. Первую фракцию и кубовой остаток (по 10% от загруженной кислоты) отбрасывают. Для анализа используют среднюю фракцию. Очищенную кислоту хранят во фторопластовом баллончике с хорошо завинчивающейся пробкой.

В описанном приборе кроме фтористоводородной кислоты можно перегонять соляную и азотную кислоты, а также очищать растворы аммиака, этиловый спирт, воду.

Перекристаллизация

Сущность перекристаллизации состоит в том, что очищаемое вещество растворяют в возможно малом объеме горячей воды, раствор отфильтровывают от нерастворимых примесей и фильтрат быстро охлаждают. Вследствие уменьшения растворимости при охлаждении часть вещества выделяется из раствора в виде кристаллов. Растворенные загрязняющие вещества, присутствующие в значительно меньших количествах, чем основное вещество, не выкристаллизовываются, а остаются в маточном растворе. Отделив кристаллы от маточного раствора фильтрованием, получают вещество в довольно чистом состоянии.

Иногда очистить вещество однократной перекристаллизацией не удается, тогда ее повторяют 2-3 раза. Перекристаллизацией нельзя очистить вещество от загрязнений, участвующих в построении кристаллической решетки очищаемого вещества, т.е. образующих с ним так называемые смешанные кристаллы.

Перекристаллизация щавелевой кислоты. Перекристаллизованную щавелевую кислоту состава H2C2O4-2H2O применяют для установки титра растворов перманганата калия KMnO4 или растворов щелочей NaOH или KOH.

Берут в стакан вместимостью 300 мл на лабораторных химических весах 100 г продажной щавелевой кислоты; затем отмеряют мерным цилиндром и наливают в стакан 150 мл горячей дистиллированной воды. Нагревают на газовой горелке (на асбестированной сетке) до полного растворения навески, перемешивая содержимое стакана стеклянной палочкой. На дне может остаться лишь незначительный белый аморфный нерастворимый остаток.

Горячий раствор весь сразу фильтруют через складчатый фильтр, вложенный в воронку с короткой трубкой. В длинной трубке воронки может произойти кристаллизация щавелевой кислоты, и трубка будет забита кристаллами. Во избежание кристаллизации во время фильтрования желательно пользоваться воронкой для горячего фильтрования. Фильтрат собирают в стакан, поставленный в кристаллизатор с холодной водой. После окончания фильтрования фильтрат хорошо перемешивают в течение 10 мин стеклянной палочкой.

Выделившиеся кристаллы отфильтровывают на воронке Бюхнера с отсасыванием. В воронку вкладывают два фильтра, смочив и плотно прижав их ко дну воронки, и включают водоструйный насос. Весь раствор вместе с кристаллами выливают в воронку. Остатки кристаллов очищают стеклянной палочкой со стенок стакана в воронку. Отсасывание ведут до тех пор, пока не прекратится появление капель на кончике трубки воронки, а кристаллы не приобретут снежно-белый цвет. После отсасывания сначала отсоединяют колбу от насоса, а затем закрывают кран водоструйного насоса.

Воронку вынимают из колбы и вытряхивают из нее кристаллы на сложенный вдвое лист фильтровальной бумаги. Стеклянной палочкой распределяют кристаллы ровным слоем, накрывают другим листом сложенным вдвое, и отжимают кристаллы между листами. Если бумага стала мокрой, берут новые листы и снова отжимают кристаллы до тех пор, пока бумага не перестанет увлажняться. Кристаллы «перебирают» стеклянной палочкой, и если они не пристают к ней или полностью отстают от нее при легком встряхивании, то высушивание считают законченным. Кристаллы оставляют на воздухе еще на полчаса, распределив их тонким слоем на листе фильтровальной бумаги, затем пересыпают в банку или бюкс с хорошей пробкой. Выход около 70 г.

Оуэн предложил удобный прибор для перекристаллизации органических веществ для микроанализа (рис. 45). В таком приборе, но только большего размера, можно проводить перекристаллизацию небольших проб веществ для обычного анализа.

Прибор состоит из двух одинаковых кристаллизационных трубок 1 и 5 и центральной части 3. Герметичность соединений создается фланцами 6 и 8, сжатыми пружинным зажимом. Каждую часть изготовляют из стеклянной трубки диаметром 10 мм с припаянными обычными фланцами. Удобно иметь несколько кристаллизационных трубок 1 и 5. Фильтрование проводят через один или два плотных бумажных фильтра 7 диаметром 2 см. Для удаления влаги трубки предварительно хорошо просушивают. Сушку можно проводить продуванием теплого воздуха через отростки 2 или 4, поместив в них кусочки ваты для защиты от попадания атмосферной пыли.

Для отделения нерастворимых примесей в трубке 5 растворяют навеску твердого вещества в соответствующем растворителе, заполняя трубку на 1 см ниже выхода отростка 4. Трубку закрывают пробкой, закрепляют на штативе и подогревают до полного растворения навески. Затем прибор собирают, как показано на рис. 45, вставив между фланцами бумажный фильтр, осторожно переворачивают и фильтруют горячий раствор в трубку-приемник 1. Для ускорения фильтрования можно применять слабое отсасывание через отросток 2 или слабое давление через отросток 4.

Трубку-приемник 1, содержащую чистый фильтрат, используют для кристаллизации вещества путем охлаждения или выпаривания растворителя с отсасыванием. Для кристаллизации центральную часть с трубкой отъединяют и заменяют пробкой (фланец 8). После выделения кристаллов пробку вынимают, на фланцы накладывают бумажный фильтр, прикрепляют центральную часть (трубкой вверх) к другой приемной трубке 5. Затем прибор переворачивают и маточный раствор фильтруют с отсасыванием. Приемник 5 отделяют, фильтрат выливают в сборник, а трубку ополаскивают растворителем. Приемник снова присоединяют к центральной части и прибор переворачивают. Для промывки в трубку с кристаллами через отросток 4 вводят промывную жидкость и содержимое встряхивают. Прибор переворачивают и промывную жидкость отфильтровывают с отсасыванием. Промывку можно повторять много раз.

После промывки основная часть кристаллов оказывается на фильтре. Центральную часть прибора отделяют. Кристаллы вместе с фильтром стряхивают постукиванием на чистый лист фильтровальной бумаги. Кристаллы счищают на фильтр и с фильтром сушат в сушильном шкафу. Гигроскопические вещества высушивают прямо в трубке, при этом центральную часть снимают и заменяют стеклянной крышкой. Отсасывание проводят через трубку 4.

Экстракция

Слово экстракция означает извлечение. Очистка жидкостей экстракцией основана на различной растворимости отдельных веществ в разных растворителях. Очистку экстракцией проводят, взбалтывая раствор с несмешивающейся с водой жидкостью, в которой загрязнения растворяются лучше, чем в воде. Экстракцию проводят в делительной воронке (рис. 46).

Раствор, подвергающийся очистке, наливают не более чем до половины делительной воронки. Туда же добавляют подходящий растворитель, не смешивающийся с водой, в количестве не более половины взятого для очистки раствора. Закрыв делительную воронку и придерживая одной рукой пробку, а другой кран, плавным движением перевертывают воронку несколько раз вверх и вниз. Нельзя энергично взбалтывать содержимое воронки, так как при этом может образоваться устойчивая эмульсия, на расслаивание которой потребуется много времени. Перемешивание нужно вести 15-20 мин так, чтобы слои жидкости как бы скользили один по другому. Время от времени взбалтывание прекращают и в перевернутом состоянии (когда кран приподнят кверху) осторожно приоткрывают кран для выравнивания давления газов.

По окончании экстрагирования делительной воронке дают постоять в штативе до тех пор, пока не произойдет полное расслоение жидкостей и между ними не установится резкая граница. После этого открывают пробку, а затем, осторожно открывая кран, сливают нижний слой жидкости в стакан. Для уменьшения скорости вытекания жидкости под конец истечения кран слегка прикрывают. Затем кран закрывают и выливают оставшуюся жидкость через горло воронки в другой стакан. Для полноты очистки экстракцию повторяют несколько раз.

Очистка дитизона. Для фотометрического определения цинка готовят 0,02%-ный раствор очищенного дитизона в хлороформе. Для этого 0,2 г дитизона растворяют в 20 мл хлороформа и проводят очистку раствора экстракцией. Раствор помещают в делительную воронку вместимостью 600 мл, добавляют 200 мл 2%-ного (по объему) раствора аммиака и хорошо взбалтывают. Дитизон при этом переходит в аммиачный слой. Слой хлороформа отделяют и выбрасывают. Добавляют еще 5 мл хлороформа, снова перемешивают и сливают слой хлороформа. Промывку порциями по 5 мл хлороформа продолжают до тех пор, пока слой хлороформа не перестанет окрашиваться в красный цвет.

В воронку к аммиачному раствору дитизона приливают 50 мл хлороформа, 4 мл соляной кислоты (1:1) и по каплям избыток ее до кислой реакции, затем хорошо перемешивают. Дитизон переходит в хлороформ; раствор окрашивается в зеленый цвет. Слой хлороформа промывают два раза водой. Раствор дитизона сливают в мерную колбу вместимостью 100 мл, доводят хлороформом до метки и хорошо перемешивают.

В лабораторной практике чаще всего применяются следующие методы очистки веществ: перекристаллизация, возгонка и поглощение. Для очистки твёрдых веществ применяется перекристаллизация и возгонка, для очистки газов – поглощение газов-примесей различными веществами.

Перекристаллизация

Очистка перекристаллизацией основывается на изменении растворимости вещества с изменением температуры. Под растворимостью понимают содержание (концентрацию) растворённого вещества в насыщенном растворе. Она обычно выражается или в процентах, или в граммах растворённого вещества на 100 г растворителя. Данные о растворимости некоторых соединений в воде при различной температуре приведены на рис. 2.1 и в приложении. Небольшие количества примесей, часто не поддающиеся определению обычными методами анализа, механически не могут увлекаться кристаллами осадка. При повторных перекристаллизациях можно получить практически чистое вещество. Насыщенный раствор соли, который остаётся после отфильтровывания выпавших кристаллов называется маточным. Чем меньше по размеру выпавшие кристаллы, тем более чистыми они получаются, так как в этом случае они меньше захватывают маточного раствора, содержащего примеси других веществ. Уменьшению этих примесей содействует промывание кристаллов растворителем после отделения их от маточного раствора.

Рис. 2.1. Кривые растворимости

Возгонка

Возгонкой или сублимацией называется непосредственное превращение твёрдого вещества в пар без образования жидкости. Достигнув температуры возгонки, твёрдое вещество без плавления переходит в пар, который конденсируется в кристаллы на поверхности охлаждённых предметов. Возгонка всегда происходит при температуре ниже температуры плавления вещества.

Используя способность ряда вещества (йода, нафталина, бензойной кислоты, нашатыря и др.) к возгонке, легко получить их в чистом виде (если примесь не возгоняется).

В технике и лабораториях возгонка проводится не только при атмосферном, но и при пониженном давлении (вакууме).

Перегонка

Перегонка или дистилляция основана на превращении жидкости в пар с последующей конденсацией пара в жидкость. Этим методом отделяют жидкость от растворённых в ней твёрдых веществ или менее летучих жидкостей. Так, например, с помощью перегонки очищают воду от солей, которые в ней содержатся. В результате получается дистиллированная вода.

Для перегонки небольших количеств жидкости в лабораторных условиях применяют прибор для перегонки (рис. 2.2).

Жидкость закипает тогда, когда давление её пара становится равным внешнему давлению (обычно атмосферному). Чистое вещество при постоянном давлении кипит при строго определённой температуре. Смеси кипят при различных температурах, зависящих от состава. Поэтому температура кипения является характеристикой чистоты вещества. Чем чище вещество, тем меньше разница между температурой кипения вещества и температурой перегонки, при которой оно перегоняется.

Рис. 2.2. Установка для перегонки:

1 – колба Вюрца, 2 – холодильник Либиха, 3 – аллонж, 4 – приёмник

Перегонка, когда дистиллят отбирается при различных интервалах температур и в различных приёмниках, называется дробной или фракционной перегонкой. Жидкости в приёмниках, отобранные в определённых интервалах температур, называются фракциями. Повторяя несколько раз дробную перегонку, можно почти полностью разделить смесь жидкостей и получить компоненты смеси в чистом виде.

Более полному и быстрому разделению смеси жидкостей путём фракционной перегонки благоприятствует применение дефлегматоров или ректификационных колонок. Перегонка с дефлегматором, а также другие приёмы перегонки, как-то: перегонка под уменьшенным давлением – рассматриваются в руководствах и практикумах по органической химии.

Очистка газов

Очистка газов от примесей достигается путём пропускания его через такие вещества, которые поглощают эти примеси. Например, для получения в приборе Киппа углекислого газа наряду с CO 2 выходят примеси: хлористый водород (от соляной кислоты) и пары воды. Если углекислый газ с примесями пропустить сначала через промывалку с водой (для поглощения хлористого водорода), а затем через серную кислоту (для поглощения паров воды), то он получится практически чистым.

Для определения степени чистоты вещества применяются физические и химические методы исследования. К первым относятся: для жидких веществ – определение плотности, температуры кипения, показателя преломления; для твёрдых веществ – определение температуры плавления и ряд других, к вторым методам относятся химические качественные и количественные анализы на содержание примесей.

Абсолютно чистых веществ нет. Применяемые в лабораторных практикумах вещества имеют различную степень чистоты. Максимально допустимое количество примесей в веществе устанавливается государственным стандартом (ГОСТ).

Для лабораторных работ по общей химии и качественному анализу пригодны вещества с маркировкой х.ч. и ч.д.а.

Занятие 8 ХИМИЧЕСКИЕ РЕАКТИВЫ И СПОСОБЫ ИХ ОЧИСТКИ

Значение темы

Проведение анализа в лаборатории невозможно без использования химических веществ, называемых реактивами. Количество различных веществ, используемых в анализе огромно. Знания свойств реактивов, правил их хранения и работы с ними необходимо в каждодневной работе медицинского лабораторного техника. В лаборатории может не оказаться реактива нужной степени чистоты. Кроме того, многие соли, содержащие кристаллизационную воду, при хранении теряют часть этой воды. Гигроскопичные вещества при хранении поглощают пары воды из воздуха. Такие реактивы, как спирт, бензол, эфир, содержат большее или меньшее количество воды. Во всех этих случаях реактивы очищают.

знать:

Классификацию химических реактивов;

Правила хранения и пользования химическими реактивами;

Методы очистки химических реактивов от примесей;

Устройство дистиллятора, правила работы.

уметь:

Проводить очистку химических реактивов методом возгонки, перекристаллизации;

Демонстрировать работу дистиллятора.

Химические реактивы (реагенты химические, или химреактивы) – это химические вещества, которые используют для анализа в исследовательских, лабораторных работах. В теории для проведения исследований было бы здорово использовать абсолютно чистые химреактивы (состоящие из одного вида частиц), но на практике чистым реагентом считает такое вещество, в котором присутствует наименьшее количество примесей, которого можно достичь при современном развитии науки и техники. Таким образом, все химические реактивы можно классифицировать по степени их чистоты.

КЛАССИФИКАЦИЯ РЕАКТИВОВ

По степени чистоты

Обозна-чение

Характеристика

цвет полосы на этикетке

Технический

тех.

Содержание основного вещества от 70 %. Такие реактивы содержат много примесей и применяются для выполнения вспомогательных работ.

светло-коричневая

Очищенный

ч.

содержание основного вещества от 98%. Такие реактивы содержат всего 2 % примесей.

зеленая

Чистый для анализа

ч.д.а.

содержание основного вещества около 99 %, % зависит от сферы применения. С помощью таких реактивов проводятся точные аналитические исследования. Реактивы содержат 0,5-1 % примесей.

синяя

химически чистый

х.ч.

Содержание основного компонента составляет 99 % и выше. Они содержать не более 0,001-0,00001 % примесей.

красная

Для специальных целей:

К ним относятся вещества высокой чистоты. Содержание основного компонента составляет почти 100 %. Содержание примесей составляет 10 -5 -10 -10 %.

Спектрально чистые

с.п.ч.

Эталонной чистоты

э.ч.

Коричневая

Особо чистые

о.ч.

Желтая

По употреблению

Общеупотребительные индикаторы

Красители для микроскопии,

Красители для хроматографии,

Реактивы для дезинфекции.

III. По свойствам

А) Гигроскопичные (влагочувствительные) реактивы. Поглощение влаги может Поглощение влаги может происходить при негерметичной упаковки реактива и может привести не только к увлажнению вещества, но и изменению его свойств.

Б) Светочувствительные реактивы. Некоторые вещества под действием света изменяются, вступая в реакции окисления, восстановления, изомеризации и т.п.

В) Пожароопасные реактивы. К ним относятся такие соединения, которые способны от кратковременного контакта с источником зажигания (искра, пламя, нить накала) или самопроизвольно воспламеняться.

Г) Ядовитые реактивы. Многие химические реактивы в большей или меньшей степени ядовиты. Особенно опасно систематическое попадание в организм человека в течение длительного времени соединений, вызывающих хронические отравления (соединения ртути, мышьяка, синильной кислоты, ментол и др.). Даже соединения, которые используются каждодневно в больших количествах, могут быть токсичными. Работать с такими веществами нужно только в вытяжном шкафу.

Примеры реактивов, относящихся к различным группам

Группы реактивов

Примеры реактивов

Условные обозначения

Гигроскопичные

реактивы

гидроксиды калия и натрия, хлорид аммония, ангидриды кислот и др.

Светочувствительные реактивы

раствор йода, пероксида водорода, соединения серебра.

Пожароопасные

реактивы

легко воспламеняющиеся жидкости (спирт, ацетон, бензол, эфиры и др.)

Ядовитые реактивы

соединения ртути, мышьяка, синильной кислоты, ментол и др.

Этикетки химических реактивов

Все химические вещества, находящиеся в лаборатории должны быть снабжены этикетками.

Без этикетки вещество хранить нельзя!

Согласно ГОСТ 3885-73, реактивы (препараты) должны быть упакованы в соответствующую потребительскую тару, герметически упакованы и снабжены стандартной этикеткой.

Для реактивов каждой классификации этикетка на таре должна быть определенного цвета или на ней должна быть цветная полоса.

При наличии у реактивов ядовитых, огнеопасных, взрывчатых свойств наклеивается отдельная этикетка с надписью определенного цвета.

Определенные вещества помечаются на этикетках рисунками:

Способы написания этикеток:

Печатные этикетки

Универсальные с клеящей лентой

Временные (карандашом по стеклу)

Масляными красками или лаком

Парами фтороводородной кислоты – «вечные этикетки».

Правила хранения химических реактивов

В лабораторном помещении должны храниться небольшие запасы химических реактивов. Их держат в банках, склянках с пришлифованными стеклянными пробками или пластмассовыми крышками из полиэтилена, а наиболее летучие (хлороводородная кислота, раствор аммиака, бром) – на специальных полках в вытяжном шкафу. Общий запас одновременно хранящихся в каждом рабочем помещении лаборатории огнеопасных жидкостей не должен превышать суточные потребности. Склянки, в которых содержится более 50 мл. ЛВЖ, должны храниться в железных ящиках для горючего с плотно закрывающейся крышкой, со стенками и дном, выложенными асбестом. Светочувствительные реактивы хранят в темных склянках или банках, обернутых черной бумагой. Сильные яды должны храниться в опечатанных шкафах и сейфах. Хранить реактивы допускается лишь в специально оборудованных и хорошо вентилируемых помещениях, в строгом порядке. Не разрешается совместное хранение реактивов, способных взаимодействовать друг с другом, например, окислители и восстановители, кислоты и щелочи.

Обособленно следует хранить следующие группы реактивов:

Взрывчатые вещества,

Горючие и сжиженные газы,

Самовозгорающиеся или самовоспламеняющиеся вещества,

Яды.

Реактивы, не требующие специальных условий хранения, размещают на стеллажах. Неорганические вещества расставляют по общеизвестной классификации: простые вещества (металлы, неметаллы), оксиды, основания, соли. Соли лучше расставлять по катионам. Кислоты хранят отдельно. Органические вещества удобно расставлять по алфавиту. Нормы и правила хранения реактивов разрабатываются и утверждаются отдельно в каждой организации в зависимости от особенностей работы, наличия оборудования и складских помещений.

При хранении химических веществ не маловажен выбор пробки . О пробках и обращении с ними нужно помнить следующее:

Выбор пробки для химической посуды осуществляют в зависимости от реактива. Выбирают пробку:

Прежде надо подобрать пробку к сосуду, а уже потом помещать в него вещества. Пробки от разных сосудов нельзя путать; у каждого сосуда должна быть своя пробка, особенно это относится к стеклянным пробкам.

Если сосуд с притертой пробкой пуст, то обязательно надо положить кусочек бумаги между горлышком и пробкой.

Если корковой пробкой надо закрыть сосуд с кислотой или щелочью, то вначале пробку следует обработать.

Хранить щелочи в сосудах с притертыми пробками нельзя, так как в этом случае пробку неизбежно "заест".

Правила пользования реактивами

1. Главное требование к реактивам - их чистота. Реактив нужно беречь от загрязнения.

2. Нельзя ссыпать и сливать реактив из посуды, в которой проводится реакция, обратно в посуду для хранения.

3. Нельзя путать пробки от посуды с разными реактивами, а также хранить реактивы без пробок. Необходимо строго учитывать, какой пробкой закрывать бутылки или склянки. Резиновыми пробками нельзя закрывать склянки с такими реактивами, как бензин, керосин, бензол, толуол и другие жидкие углеводороды, а также дихлорэтан, эфир и др., от паров которых резина набухает и размягчается.

4. Нельзя брать реактив руками.

5. Банки с летучими веществами должны открываться в момент непосредственного пользования ими.

6. Работы с ядовитыми и плохо пахнущими, воспламеняющимися веществами проводят в вытяжном шкафу.

7. При необходимости определения запаха осторожно направлять пары вещества рукой от сосуда к себе.

8. Ядовитые и едкие реактивы после проведения работы сливать в специальные склянки.

Правила работы с кислотами и щелочами

Все концентрированные растворы должны храниться в специальных бутылях с притертыми пробками, поверх которых необходимо надевать притертый колпачок. Щелочи рекомендуется хранить в широкогорлых банках темно-оранжевого стекла, закрытых корковыми или полиэтиленовыми пробками и залитых слоем парафина.

Кислоты и щелочи должны храниться на нижних полках шкафов отдельно от реактивов и красок.

Посуда для хранения ядовитых веществ, щелочей и кислот должна иметь четкие надписи (чернилами по стеклу или другим способом).

Биксы, банки, бутыли с летучими веществами необходимо открывать только в момент непосредственного пользования ими.

5. Открывать сосуды с концентрированными кислотами и щелочами и летучими веществами и готовить растворы из них разрешается только в вытяжном шкафу с включенной принудительной вентиляцией.

Щелочи следует брать из банки шпателем.

Бутыли с кислотами, щелочами и другими едкими веществами следует переносить вдвоем в специальных ящиках или корзинах или перевозить на специальной тележке.

При разбавлении крепких кислот следует кислоту наливать в воду, а не наоборот.

При работе с кислотами, щелочами запрещается насасывать жидкость в пипетку ртом. Для набора жидкости следует использовать резиновые груши с трубками.

Растворы для нейтрализации концентрированных кислот и щелочей должны находиться на стеллаже (полке) в течение всего рабочего дня.

Посуду, содержащую растворы едких веществ, во избежание ожогов рук следует мыть в резиновых перчатках.

Техника безопасности при работе с химическими реактивами

1. Опыты с ядовитыми и плохопахнущими веществами проводят в вытяжном шкафу.

   Для определения запаха газа или жидкости осторожно вдыхают воздух, слегка направляя испарения рукой от сосуда к себе.

   Пр наливании реактивов не наклоняться над сосудом во избежание попадания брызг на лицо и одежду.

   Все опыты с воспламеняющимися веществами проводят в вытяжном шкафу.

МЕТОДЫ ОЧИСТКИ ХИМИЧЕСКИХ РЕАКТИВОВ

Если в лаборатории отсутствует химический реактив определенной степени чистоты, его приходится дополнительно очищать. Самыми распространенными методами очистки являются:

фильтрование,

центрифугирование,

перекристаллизация,

перегонка (дистилляция),

возгонка (сублимация),

абсолютирование (высушивание).

Очистка методом декантации

Декантация – это отстаивание твердых частиц, содержащихся в жидкости, под воздействием силы тяжести. После декантации осветленная жидкость отделяется от осадка твёрдых частиц; при этом происходит очистка от примесей. Достоинство метода – его простота, а недостаток – замедленное отстаивание мелких частиц. Значительно быстрее происходит разделение смеси жидких и твердых частиц путем центрифугирования.

Очистка центрифугированием

Центрифугирование основано на использовании центробежной силы, возникающей при быстром вращении. В обычных лабораторных центрифугах скорость вращения составляет около 1000 оборотов в минуту, а в специальных (ультрацентрифугах) – до 6000 об/мин. Искусственная сила тяжести в центрифугах превышает земное притяжение в де-сятки-сотнитысяч раз, вследствие чего отстаивание твёрдых частиц происходит за несколько минут.

Очистка фильтворанием

Фильтрование заключается в пропускании суспензии через пористую перегородку – фильтр, задерживающий твердые частицы. Фильтром может служить специальная бумага, ткань, пористая керамика, пористое стекло, слой песка и другие пористые материалы. При обычных условиях фильтрование идет медленно. Для ускорения его проводят под вакуумом: в приемнике для жидкости с помощью насоса создают разрежение, вследствие чего на жидкость над фильтром начинает действовать атмосферное давление, и чем больше разность давлений (атмосферного и в приемнике), тем быстрее идет фильтрование.

Очистка методом перекристаллизации

Перекристаллизация применяется для очистки различных растворимых солей и многих твердых органических веществ. Перекристаллизация – один из наиболее распространенных методов очистки и разделения кристаллических веществ. Этот метод основан на различной растворимости вещества в холодном и горячем растворителе и на различной растворимости компонентов смеси в одном и том же растворителе.

Процесс перекристаллизации включает в себя несколько стадий:

1. Выбор растворителя. Выбор проводится опытным путем. Растворитель должен отвечать следующим требованиям:

1) не взаимодействовать с веществом,

2) не растворять вещество при комнатной температуре и хорошо растворять при нагревании,

3) при охлаждении горячего раствора должны выпадать кристаллы,

4) хорошо растворять примеси при комнатной температуре или не растворять их при кипячении,

5) температура кипения растворителя должна быть ниже температуры плавления вещества на 10-15ºС,

6) растворитель должен легко удаляться с поверхности кристаллов при промывании и сушке.

2. Приготовление насыщенного при температуре кипения растворителя раствора .

3. Фильтрование горячего раствора через складчатый фильтр для избавления от механических примесей.

4. Охлаждение раствора, вызывающее кристаллизацию . Охлаждение ведут с такой скоростью, чтобы выпадали кристаллы средних размеров. Обычно раствор оставляют стоять при комнатной температуре 20-30 минут, а затем помещают в ледяную баню. Если кристаллы не выпадают, то можно поместить в раствор кристаллик данного вещества («затравку») или потереть стеклянной палочкой о внутреннюю стенку стакана с раствором.

5. Отделение кристаллов от маточного раствора (фильтрование при пониженном давлении).

6. Промывание кристаллов холодным растворителем . Если при комнатной температуре вещество практически не растворимо, то кристаллы можно промывать растворителем комнатной температуры.

7. Сушка кристаллов . Сушат кристаллы обычно на воздухе или в вакуумном кристаллизаторе.

Установки для проведения всех стадий перекристаллизации изображены на рисунке № 4

1- Установка для приготовления насыщенного раствора (а – круглодонная колба, б – обратный холодильник, в – плитка)

2- Установка для горячего фильтрования (а – стакан, б – химическая воронка, в – складчатый фильтр)

3- Установка для фильтрования при пониженном давлении (а – фильтр Шотта, б – колба Бунзена)

Очистка методом перегонки или дистилляции

Перегонка или дистилляция - один из важнейших методов очистки жидкостей. При перегонке жидкость путем нагревания переводят в парообразное состояние, затем снова конденсируют, т. е. превращают в жидкость. При этом все твердые примеси и более высококипящие жидкие примеси остаются в колбе, а более низкокипящие примеси отгоняются раньше основной жидкости. Перегонкой очищают воду и другие жидкости. В колбу Вюрца (1) вставляют воронку с длинной трубкой и аккуратно наливают жидкость, подлежащую перегонке, бросают несколько капилляров с одним запаянным концом (запаянный конец должен находиться над жидкостью), это необходимо для равномерного кипения. Закрывают горло колбы пробкой с термометром (2). После этого подставляют приемник для дистиллята (5) и начинают нагревать.

При перегонке необходимо внимательно следить. Чтобы жидкость кипела равномерно и не бурлила. Перегонка не должна проходить слишком быстро. Как только жидкость закипит, внимательно следят за показаниями термометра. Первая небольшая порция дистиллята - это примеси. Когда показания термометра будут соответствовать температуре кипения перегоняемого вещества подставляют другой приемник, куда собирают перегоняемое вещество. Перегонку заканчивают тогда, когда в колбе Вюрца остается небольшое количество жидкости. Перегонять досуха не разрешается.

Большое значение в лаборатории придают перегонке воды, так как все растворы готовят только на дистиллированной воде. Ее расходуют в больших количествах и для других целей. Для получения дистиллированной воды в лабораториях применяют дистилляторы.

Очистка методом возгонки.

Некоторые твердые вещества, например йод, обладают способностью при нагревании не плавясь переходить в твердое состояние. Это явление называется сублимацией или возгонкой. Возгонка применяется для очистки веществ от нелетучих примесей. Этим методом можно очистить йод, хлорид аммония, серу и др. Для очистки небольших количеств вещества путем возгонки пользуются двумя часовыми стеклами одинаковой величины, пришлифованными друг к другу. На нижнее стекло помещают возгоняемое вещество, а между стеклами зажимают продырявленный в нескольких местах кружок фильтровальной бумаги, назначение которого - препятствовать падению образующихся кристаллов на нижнее нагретое стекло. Нижнее стекло подогревают на песчаной бане или очень осторожно, маленьким пламенем, на асбестовой сетке; верхнее стекло охлаждают кусочком влажной фильтровальной бумаги.

Возгонку больших количеств вещества производят в нагреваемом на масляной или воздушной бане стакане. В стакан опускают охлаждаемую изнутри проточной водой колбу, на поверхности которой оседают кристаллы возгоняемого вещества.

Обезвоживание органических реактивов.

При работе в лаборатории часто приходится очищать различные растворители (спирт, эфир, бензол и др.). Все эти реактивы содержат воду в том или ином количестве, присутствие которой может мешать работе. Поэтому эти реактивы, прежде чем перегонять, высушивают. Очищенные таким образом жидкости называются абсолютными. Поскольку органические реактивы обладают разными свойствами, способы их высушивания различны.

Абсолютирование спирта.

Для высушивания спирта в круглодонную колбу помещают обезвоженный сульфат меди CuSO4 и наливают спирт. Колбу подключают к обратному холодильнику, который закрывают пробкой с хлоркальциевой трубкой. В хлоркальциевую трубку помещают прокаленный хлорид кальция для поглощения паров воды из воздуха. Прибор устанавливают на водяной бане и кипятят в течение 6-8 часов. По окончании кипячения обратный холодильник заменяют холодильником Либиха и спирт перегоняют в чистую колбу. Прибор во время перегонки тщательно защищают от попадания влаги воздуха.

Абсолютирование бензола.

В бензол помещают прокаленный хлорид кальция, закупоривают и дают постоять в течение суток. Отфильтровывают и добавляют мелко нарезанный, хорошо очищенный от керосина и оксидной плѐнки металлический натрий. Собирают прибор с обратным холодильником и кипятят в течение 3-4 часов на песочной бане. После этого бензол перегоняют над натрием, тщательно защищая его от попадания влаги воздуха. Категорически запрещается нагревать бензол с металлическим натрием на водяной бане или газовой горелке. Абсолютирование эфира. Эфир, хранившийся долгое время, может содержать примеси пероксида диоксэтила. Поэтому в первую очередь эфир энергично взбалтывают в делительной воронке с концентрированным раствором гидроксида натрия или калия. Отделѐнный от щелочи эфир взбалтывают в делительной воронке с равной порцией воды и отделяют от воды. После промывания эфира водой к нему добавляют прокалѐнный хлорид кальция и дают постоять в течение суток. Затем эфир отфильтровывают, добавляют мелко нарезанный металлический натрий, кипятят с обратным холодильником, как при обезвоживании бензола, и перегоняют, нагревая на песочной бане.

Вопросы для самоподготовки:

1. На какие группы делят химические реактивы по их свойствам? Приведите примеры.

2. Особенности хранения различных групп химических реактивов?

3. Назовите основные правила пользования химическими реактивами.

4. Как следует подбирать пробки для хранения разных химических реактивов?

5. Что означают условные значки на этикетках химических реактивов?

6. Методы очистки химических реактивов.

Самостоятельная работа:

Подготовить конспект на тему «Виды дистилляции. Условия проведения»

Тест «Химические реактивы. Методы очистки.»

1. Марка реактива, в котором содержание примесей не превышает 0,5-1 %

а) ч. б) х.ч. в) ч.д.а. г) техн.

2. Гидроксид натрия, гидроксид калия, оксид кальция относятся к группе веществ

а) гигроскопичные б) светочувствительные в) пожароопасные г) ядовитые

3. Свойства соединений ртути, мышьяка, синильной кислоты, метанола

а) гидроскопичные б) светочувствительные в) пожароопасные г) ядовитые

4. Ядовитые вещества хранят

а) в вытяжном шкафу б) в опечатанном шкафу или сейфе в) в железном ящике вместе с ЛВЖ г) на стеллажах в лабораторном шкафу

5. Метод очистки иодида калия от кристаллов йода

а) перегонка б) возгонка в) дистилляция г) перекристаллизация

6. Метод очистки нитрита натрия от растворимых химических примесей

а) перекристаллизация б) возгонка в) фильтрование г) перегонка

7.Метод очистки для получения дистиллированной воды

а) перегонка б) возгонка в) перекристаллизация г) фильтрование

8.Колба, используемая для перегонки, дистилляции жидкостей

а) коническая б) Вюрца в) круглодонная г) мерная д) плоскодонная

9. Метод очистки твердых реактивов

а) перекристаллизация б) фильтрование в) дистилляция г) центрифугирование д) осаждение

10. Метод очистки жидких реактивов

а) перекристаллизацией б) возгонкой в) перегонкой г) центрифугированием д) осаждением

Ситуационные задачи

1. В ходе генеральной уборки лаборант случайно просыпал реактив иодида калия и йод. Составьте методику очистки иодида калия, содержащего механические примеси и кристаллы йода.

2. Составьте методику очистки натрия хлорида, содержащего механические примеси и примесь натрия сульфата.

3. В лабораторию поступил реактив гидроксида калия (техн.). Для лабораторных исследований необходимо очистить реактив. Составьте методику очистки КОН, который содержит механические примеси.

4. Составьте методику очистки натрия нитрата, содержащего механические и химические примеси.

Эталоны ответов на задачи

1. Сначала из смеси выделяют кристаллы йода методом возгонки. Реактив йодида калия и механические примеси растворяют в воде (готовят насыщенный раствор), отфильтровывают механические примеси и выпаривают кристаллы иодида калия.

2. Смесь хлорида натрия, натрия сульфата и механические примеси растворяют в воде. Для этого готовят горячий насыщенный раствор хлорида натрия с примесями, отфильтровывают и остужают.

3. Для очистки реактива гидроксида калия от механических примесей применяют фильтрование. Для этого смесь растворяют в воде, отфильтровывают и затем кристаллы выпаривают.

4. Смесь, содержащую механические и химические примеси растворяют в воде. Для этого готовят горячий насыщенный раствор, отфильтровывают и затем остужают.

Введение

Разделение и очистка веществ являются операциями, обычно связанными между собой. Разделение смеси на составляющие чаще всего преследует цель получения чистых, по возможности без примесей, веществ. Однако само понятие о том, какое вещество следует считать чистым, еще окончательно не установлено, так как требования к чистоте вещества меняются. В настоящее время методы получения химически чистых веществ приобрели особое значение.

Разделение и очистка веществ от примесей основываются на использовании их определенных физических, физико-химических или химических свойств.

Техника важнейших методов разделения и очистки веществ (перегонка и сублимация, экстракция, кристаллизация и перекристаллизация, высаливание) описана в соответствующих главах. Это -- наиболее распространенные приемы, чаще всего используемые не только в лабораторной практике, но и в технике.

В отдельных наиболее сложных случаях используют специальные методы очистки.

Очистка веществ

Перекристаллизация

Очистка перекристаллизацией основана на изменении растворимости вещества с изменением температуры.

Под растворимостью понимают содержание (концентрацию) растворенного вещества в насыщенном растворе. Она обычно выражается или в процентах, или в граммах растворенного вещества на 100 г растворителя.

Растворимость вещества зависит от температуры. Эта зависимость характеризуется кривыми растворимости. Данные о растворимости некоторых веществ в воде приведены на рис. 1, а также в таблице растворимости.

Согласно этим данным, если, например, приготовить раствор нитрата калия, взяв 100 г воды, насыщенный при 45є, а затем охладить его до 0є, то должно выпасть 60 г кристаллов KNO 3 . Если соль содержала малые количества других растворимых в воде веществ, насыщение относительно их не будет достигнуто при указанном понижении температуры, а потому они и не выпадут вместе с кристаллами соли. Ничтожные количества примесей, часто не поддающиеся определению обычными методами анализа, могут лишь увлекаться кристаллами осадка. Однако при повторных перекристаллизациях можно получить практически чистое вещество.

Насыщенный раствор соли, который остается после отфильтрования выпавших кристаллов, тем более чистыми они получаются, так как в этом случае они меньше захватывают маточного раствора, содержащего примеси других веществ. Уменьшению примесей содействует промывание кристаллов растворителем после отделения их от маточного раствора.

Таким образом, перекристаллизация сводится к растворению вещества в подходящем растворителе и последующему выделению его из образовавшегося раствора в виде кристаллов. Это один из распространенных методов очистки веществ от примесей.

Возгонка

Возгонкой, или сублимацией, называется непосредственное превращение твердого вещества в пар без образования жидкости. Достигнув температуры возгонки, твердое вещество без плавления переходит в пар, который конденсируется в кристаллы на поверхности охлажденных предметов. Возгонка всегда происходит при температуре ниже температуры плавления вещества.

Используя свойство ряда веществ (йода, нафталина, бензойной кислоты, нашатыря и др.) возгоняться, легко получить в чистом виде, если примесь лишена этого свойства.

Для более глубокого изучения явления возгонки необходимо познакомится с диаграммой состояния вещества, представленной на рис. 2. На оси абсцисс отложена температура t (в градусах Цельсия) на оси ординат - давление насыщенного пара p (в м/см 3). Аналогичный вид имеет диаграмма состояния воды, так что у нее кривая ТВ наклонена к оси ординат, так как температура замерзания воды по мере возрастания давления понижается.

Кривая ТА выражает зависимость между температурой и давлением насыщенного пара над жидкостью. Все точки кривой ТА определяют условия равновесия между жидкостью и ее насыщенным паром. Например, при 100є вода и пар могут существовать только при давлении 760 мм рт. ст. Если давление больше 760 мм рт. ст., то пар конденсируется в воду (область выше кривой ТА); если давление меньше 760 мм рт. ст., то вся жидкость превращается в пар (область ниже кривой ТА). Кривая ТА лежит выше температуры плавления вещества. Кривая ТБ выражает зависимость между температурой и давлением насыщенного пара над твердым телом. Давление пара твердых тел обычно невелико и в значительной степени зависит от природы тела и температуры. Так, давление паров йода при 16є равно 0,15 мм рт. ст., льда при - 15є равно 1,24 мм рт. ст. Кривая ТБ лежит ниже температуры плавления вещества. Все точки этой кривой определяют условия равновесия между твердым телом и его насыщенным паром.

Кривая ТВ называется кривой плавления и выражает зависимость между температурой плавления вещества и давлением.

Все точки этой кривой определяют условия (температуру и давление), при которых твердое вещество и жидкость находятся в равновесии.

Кривые ТА, ТБ и ТВ разделяют диаграмму состояния вещества на три области: 1 - область существования твердой фазы, 2 - жидкой фазы и 3 - парообразной фазы.

Точка Т, где сходятся все три области, указывает температуру и давление, при которых могут находится в равновесии все три фазы вещества - твердая, жидкая и парообразная. Она называется тройной точкой (Т).

Изменяя температуру или давление, можно изменять состояние вещества.

Пусть точка 1 изображает твердое состояние вещества при давлении выше тройной точки. При нагревании вещества при постоянном давлении точка 1 будет двигаться по пунктирной линии 1-4 и при определенной температуре пересечет кривую плавления ТВ в точке 2. Когда все кристаллы расплавятся, дальнейшее нагревание при постоянном давлении приведет в точку 3 на кривой ТА, где начинается кипение жидкости, вещество перейдет в парообразное состояние. При дальнейшем увеличении температуры тело из состояния 3 перейдет в состояние 4. Охлаждение пара повторит рассмотренные процессы в обратном направлении по той же пунктирной кривой из состояния 4 в состояние 1.

Если взять вещество при давлении ниже тройной точки, например в точке 5, то, нагревая вещество при постоянном давлении, достигнем точки 6, в которой твердое вещество будет переходить в пар без предварительного образования жидкости, т.е. будет иметь место возгонка или сублимация (см. пунктирную линию 5-7). Наоборот, при охлаждении пара при томжелавлении произойдет в точке 6 кристаллизация вещества (также без образования жидкости).

Из изложенного можно сделать следующие выводы:

1) В результате нагревания твердого вещества при давлении выше тройной точки оно будет плавиться;

2) В результате нагревания твердого вещества при давлении ниже тройной точки оно будет возгоняться;

3) Если произвести нагревание при атмосферном давлении, то возгонка наступит в том случае, если давление тройной точки данного вещества выше атмосферного. Так, например, при р=1 ат двуокись углерода возгоняется при - 79є, плавиться же будет при условии, что нагревание проводится при давлении более высоком, чем давление тройной точки.

Следует иметь в виду, что твердые вещества могут переходить в пар при давлении выше тройной точки (поскольку все тверды тела и жидкости частично испаряются при всякой температуре). Так, кристаллический йод при атмосферном давлении ниже температуры плавления переходит в пар фиолетовго цвета, который легко конденсируется в кристаллы на холодной поверхности. Это свойство используют для очистки йода. Однако поскольку давление тройной точки у йода ниже атмосферного, то при дальнейшем нагревании он будет плавиться. Поэтомукристаллический йод при атмосферном давлении не может находится в равновесии со своим насыщенным паром.

В равновесии со своим насыщенным паром могут быть лишь твердые вещества, которые находятся под давлением ниже тройной точки. Но пр таком давлении эти вещества не могут плавиться. Возгоняемые вещества можно перевести в жидкое состояние путем нагревания их при определенном давлении.