Способы очищения веществ химия

Методы разделения смесей и очистки веществ

Научные методы исследования химических веществ и превращений. Методы разделения смесей и очистки веществ.

Методы разделения смесей и очистки веществ

1. Разделение жидкостей

Перегонка – разделение жидкостей, различающихся по температуре кипения.

Перегонку проводят в приборе, состоящем из колбы Вюрца (или круглодонной колбы с газоотводной трубкой), прямого холодильника, колбы-приемника, аллонжа, термометра и нагревательного прибора. Смесь жидкостей нагревают в перегонной колбе до температуры кипения каждого компонента, пары отводят в холодильник и собирают сконденсировавшуюся жидкость в приемник, отдельно каждый компонент смеси.

Дистилляция – очистка воды от твердых примесей.

Загрязненную жидкость нагревают в перегонной колбе до температуры кипения, пары отводят в холодильник и собирают сконденсировавшуюся жидкость в приемник.

2. Разделение жидкостей и твердых веществ

Фильтрование – метод разделения жидкостей и твердых веществ.

Фильтрованием отделяют нерастворимые твердые вещества от жидкости.

Выпаривание – метод разделения жидкостей и твердых веществ.

Выпариванием отделяют воду от растворенных в ней веществ.

Декантация – с ливание жидкости с отстоявшегося осадка. К ней целесообразно прибегать в тех случаях, когда в сравнительно большом количестве жидкости находится немного твердого вещества, которое легко оседает на дно.

3. Разделение смесей твердых веществ

Отстаивание	Магнитная сепарация
Например, смесь хлорида натрия и карбоната кальция можно разделить растворением в воде и последующим отстаиванием	Например, смесь серы и железных опилок можно разделить с помощью магнита:

Сублимация (возгонка) — очистка твердых веществ, способных при нагревании переходить непосредственно из твердой фазы в газообразную, минуя жидкую фазу. Образующийся газ конденсируется охлаждаемой частью прибора. Сублимацию обычно проводят при температуре, близкой к температуре плавления вещества. Возгонкой можно очистить йод, серу, хлорид аммония.

Перекристаллизация. При повышенной температуре готовят насыщенный раствор очищаемого вещества, затем для удаления нерастворимых примесей раствор фильтруют через воронку для горячего фильтрования и охлаждают до низкой температуры. При понижении температуры растворимость вещества понижается, и основная часть очищаемого вещества выпадает в осадок, растворимые примеси остаются в растворе.

Хроматография. Метод разделения и анализа смесей веществ, который основан на распределении веществ между двумя фазами – неподвижной (твердая фаза или жидкость, связанная на носителе) и подвижной (газовая или жидкая фаза, элюент).

Источник

Способы очищения веществ химия

Очистка растворимых солей методом перекристаллизации. Метод перекристаллизации основан на различной зависимости растворимости веществ и загрязняющих его примесей от температуры. Очистку вещества методом перекристаллизации проводят по следующей схеме: при повышенной температуре готовят насыщенный раствор очищаемого вещества, затем для удаления нерастворимых примесей раствор фильтруют через воронку для горячего фильтрования и охлаждают до низкой температуры. При понижении температуры растворимость вещества понижается и основная часть очищаемого вещества выпадает в осадок, растворимые примеси остаются в растворе, поскольку относительно них раствор остается ненасыщенным. Выпавшие кристаллы отделяют от маточного раствора и высушивают.

В зависимости от свойств очищаемого вещества возможны различные методики проведения перекристаллизации.

Перекристаллизация без удаления растворителя. Метод применяется для солей, растворимость которых сильно зависит от температуры (например, нитрат натрия, алюмокалиевые квасцы, сульфат меди (II) и др.). Раствор после горячего фильтрования охлаждают на воздухе до низкой температуры, выпавшие кристаллы отфильтровывают. Возможно также провести перекристаллизацию без удаления растворителя для солей, растворимость которых мало зависит от температуры. В этом случае применяется метод высаливания. Для этого раствор после горячего фильтрования охлаждают до комнатной температуры и добавляют равный по объему раствор концентрированной соляной кислоты, при этом очищаемое вещество выпадает в осадок.

Перекристаллизация с удалением растворителя. Метод применяется для солей, растворимость которых мало зависит от температуры (например, хлорид натрия и др.). Раствор после горячего фильтрования переносят во взвешенную фарфоровую чашку и упаривают на водяной бане приблизительно до половины объема. Затем раствор охлаждают до комнатной температуры. Выпавшие кристаллы отфильтровывают.

Перекристаллизованное вещество (за исключением хлорида аммония и кристаллогидратов) сушат в сушильном шкафу до постоянной массы. Хлорид аммония и кристаллогидраты высушивают на воздухе. Сухие соли помещают в герметичные склянки.

Очистка летучих веществ методом сублимации (возгонки). Метод применяется для очистки твердых веществ, способных при нагревании переходить непосредственно из твердой фазы в газообразную, минуя жидкую фазу. Образующийся газ конденсируется охлаждаемой частью прибора. Сублимацию обычно проводят при температуре, близкой к температуре плавления вещества. Метод применим для очистки от примесей, которые не способны возгоняться. Возгонкой можно очистить йод, серу, хлорид аммония.

Очистка жидкостей методом перегонки. Метод основан на том, что каждое вещество имеет определенную температуру кипения. Наиболее простой вариант перегонки — перегонка при обычном давлении, который заключается в нагревании жидкости до кипения и конденсации её паров. Перегонку проводят в приборе, состоящем из колбы Вюрца (или круглодонной колбы с газоотводной трубкой), прямого холодильника, колбы-приемника, аллонжа, термометра и нагревательного прибора. Загрязненную жидкость нагревают в перегонной колбе до температуры кипения, пары отводят в холодильник и собирают сконденсировавшуюся жидкость в приемник.

Источник

Методы очистки химических реактивов: перекристаллизация, перегонка и дистилляция, возгонка; обезвоживание (абсолютирование) спирта, бензола, эфира

Методы очистки химических реактивов: перекристаллизация, перегонка и дистилляция, возгонка; обезвоживание (абсолютирование) спирта, бензола, эфира

Различные способы очистки химических реактивов: физические, химические, с помощью ионообменных смол. Чаще всего в лабораторной практике используются при разделении и очистке веществ следующие приёмы: перегонка и сублимация, экстракция, кристаллизация и перекристаллизация, высаливание.

Ионный обмен и адсорбция

Ионный обмен относится к числу эффективных методов разделения, используемых, в частности, для глубокой очистки некоторых веществ. Разделение проводят с помощью ионообменных смол, представляющих высокомолекулярные соединения с реакционноспособными Н + или ОН — группами (катиониты или аниониты ).

При пропускании раствора электролита через такую смолу происходит обмен ионов металла или кислотного остатка, соответственно, на Н+ или ОН- .

Это позволяет, например, переводить соль в кислоту , что используется, в частности, для получения чистой иодной кислоты НIO ₄ , из раствора периодата натрия NaIO₄ (Вулих А. И. и др. В книге Методы получения химических реактивов и препаратов. М., изд. ИРЕА, 1967).

Интересно, что наряду с обычными ионообменными смолами можно применять окисленный уголь, получаемый при обработке угля азотной кислотой или другими окислителями.

В отличие от активного угля, являющегося анионитом, окисленный уголь имеет свойства катионита. Он проявляет определенную избирательную способность: так, из раствора, содержащего Са 2+ и NH ₄ + , сорбирует почти исключительно (на 98%) Са 2+ . Это позволяет с успехом использовать его для очистки многих солей.

Из раствора NaCl можно полностью удалить Mg 2+ ; растворы солей Mg 2+ , Са 2+ и Zn 2+ хорошо очищаются от Cu 2+ , Al 3+ , Fe 3+ и т. д. С помощью 10 г окисленного угля можно очистить от микропримесей до 20 л 10-30%-ного раствора соли.

Способность сорбентов к поглощению тех или иных примесей в значительной степени зависит от того, в форме какого соединения находится эта примесь. В связи с этим за последние годы широко применяется перевод ионов примесей, например, в диэтилдитиокарбаминатные комплексы с последующей сорбцией их на угле. Это позволяет добиться очень хороших результатов, снижая содержание примесей до 10 -5 -10 -6 % . Этот метод успешно испытан на большом числе солей.

Экстракция

Экстракционный метод разделения веществ применяют уже в течение многих десятилетий, особенно в аналитической химии, но только в последнее время он приобрел очень важное значение для получения чистых и сверхчистых веществ. Метод основан на извлечении одного из компонентов раствора с помощью несмешивающегося с раствором органического растворителя.

Экстрагируемый компонент распределяется между раствором и слоем органического растворителя в отношении, зависящем от коэффициента распределения:

Достоинства экстракционного метода:

• экстракцию можно проводить из чрезвычайно разбавленных растворов (при достаточно большом коэффициенте распределения),
• при экстрагировании не происходит соосаждения и экстрагируемое вещество может быть количественно выделено в чистом виде,
• метод позволяет разделять такие вещества, которые не удается разделить иными методами, например, при очистке солей уранила от примесей Fe , В , Мо и др.

В большинстве случаев экстракции подвергаются соединения катионов с органическими реагентами (дитизоном, оксином и др.). В качестве органических растворителей часто используют диэтиловый эфир , хлороформ , амины и сложные эфиры .

Этот метод очистки основан на различии растворимости примеси в твердом веществе и в расплаве. Образец твердого вещества (например, стержень из металла, подлежащего очистке) медленно передвигают через узкую зону нагревания, при этом происходит постепенное расплавление отдельных участков образца, находящихся в данный момент в зоне нагревания. Примеси, содержащиеся в образце, накапливаются в жидкой фазе, вместе с ней передвигаются вдоль образца и по окончании плавки оказываются в конце образца. Как правило, зонную плавку повторяют многократно. Зачастую образец движется через несколько обогреваемых зон, что позволяет в несколько раз сократить время очистки.

Зонная плавка

Достоинствами зонной плавки являются простота аппаратурного оформления, сравнительно невысокие температуры проведения процесса (по сравнению с ректификацией) и высокая эффективность очистки. Таким путем, например, очищается германий до содержания примесей порядка 10-8%. С каждым годом все большее число веществ, предназначенных для самых ответственных целей, проходит очистку методом зонной плавки.

С равным успехом можно очищать неорганические и органические продукты. Правда, зонная плавка не всегда может быть успешно использована. Например, зонной плавкой нельзя отделить Au от Ag. Аналогичный принцип положен в основу так называемого метода вытягивания Чохральского.

Транспортные реакции

Этот метод широко используется при получении особо чистых веществ для полупроводниковой техники и радиоэлектроники. Принцип его состоит в том, что очищаемое твердое или жидкое вещество А, взаимодействует по обратимой реакции с газообразным веществом В, образует газообразный продукт С, переносимый (транспортируемый) в другую часть системы, где вследствие изменения условий происходит его разложение с выделением чистого вещества А:

Классическим примером транспортной реакции является очистка металлического никеля через его карбонил (метод Монда). Порошок никеля обрабатывают при 45-50 °С окисью углерода: Ni + 4CO ⇆ Ni(CO) ₄

Газообразный Ni(CO) ₄ поступает в другую часть реакционного аппарата, где при 180-200 °С разлагается, давая чистый никель, а CO снова направляют в процесс.

Метод транспортных реакций применяется для получения различных веществ как простых, так и сложных. В качестве транспортирующего агента часто используют галогены, галогеноводороды, водяной пар, кислород, водород и др. Например, при получении особо чистых веществ Ni , Cu , Fe , Cr , Si , Ti , Hf , Th , V , Nb , Ta и U применяют иод. Направление транспорта (из зоны с низкой температурой в зону с высокой температурой или наоборот) определяется термодинамическими свойствами (знаком теплового эффекта). При экзотермических реакциях транспорт вещества производится в более нагретую зону, как в приведенном примере с очисткой Ni *10 .

Метод транспортных реакций удобен для очистки от элементов, отличающихся по своим химическим свойствам от основного элемента. Достоинством транспортных реакций является возможность проведения всех операций в стерильных условиях, поскольку эти реакции проходят в замкнутом объеме и без больших количеств реагентов.

1. Методы очистки химических реактивов: перекристаллизация, перегонка и дистилляция, возгонка; обезвоживание (абсолютирование) спирта, бензола, эфира.

Перекристаллизация

Из всех методов очистки солей и других твердых электролитов и органических соединений на первое место по применимости следует поставить перекристаллизацию. Это связано как с простотой процесса, так и с его эффективностью (во всяком случае, при грубой очистке).

Воспользовавшись повышением растворимости солей при нагревании, можно приготовить насыщенный при температуре кипения раствор, отфильтровать его от механических примесей и охладить; при этом зачастую удается получить кристаллы достаточно чистой соли. Это связано с тем, что при охлаждении раствор оказывается пересыщенным только по отношению к основному веществу, в то время как соли — примеси, присутствующие в количестве долей процента, остаются в маточном растворе.

Такова элементарная схема процесса перекристаллизации.

В действительности перекристаллизация протекает гораздо сложнее, так как ей может сопутствовать ряд процессов, значительно снижающих эффективность очистки при кристаллизации. Так, ионы или молекулы примесей могут быть механически захвачены образующимися кристаллами основного вещества (окклюзия, инклюзия).

Неизбежна также большая или меньшая адсорбция ионов примесей на поверхности кристаллов, хотя при образовании крупных кристаллов, имеющих небольшую удельную поверхность, роль адсорбции невелика.

Эффективность очистки вещества перекристаллизацией зависит также от его растворимости. При растворимости вещества, лежащей в пределах 5-30%, очистка происходит значительно полнее, чем при растворимости 75-85%. Отсюда следует, что перекристаллизация нецелесообразна при очистке очень легкорастворимых веществ.

Дистилляция и ректификация

Очистка веществ дистилляцией основана на том, что при испарении смеси жидкостей пар получается обычно иного состава — происходит его обогащение легкокипящим компонентом смеси. Поэтому из многих смесей можно удалить легко кипящие примеси или, наоборот, перегнать основное вещество, оставив трудно кипящие примеси в перегонном аппарате.

Часто приходится сталкиваться с системами, при перегонке которых все компоненты отгоняются в неизменном соотношении (азеотропные смеси). В этом случае разделения не происходит и очистка перегонкой невозможна. В качестве примеров азеотропных смесей можно привести водные растворы НСl (20,24% HCl) и этилового спирта (95,57% С₂Н₅ОН).

Для получения чистых веществ (особенно при глубокой очистке) вместо простой дистилляции предпочитают использовать ректификацию, т. е. процесс, при котором происходит автоматическое сочетание процессов дистилляции и конденсации. В ректификационной колонне пар встречается с различными фракциями конденсата, при этом часть менее летучего компонента конденсируется из пара в жидкость, а часть более летучего компонента переходит из жидкости в пар.

Проходя через множество полок («тарелок») ректификационной колонны, пар успевает настолько обогатиться более летучим компонентом, что на выходе из колонны практически содержит только этот компонент (или азеотропную смесь).

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

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

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

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

Возгонка, сублимация.

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

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

Другой способ разделения состоит в кристаллизации из растворов.

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

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

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

Обезвоживание органических реактивов.

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

Абсолютирование спирта.

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

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

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

Возможности получения абсолютно чистых веществ.

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

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

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

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

В меньшей мере известен тот факт, что тщательное высушивание веществ, т. е. удаление последних следов сорбированной воды, приводит к резкому изменению физических констант.

Когда метиловый спирт высушили фосфорным ангидридом в течение 9 лет, то температура кипения спирта вместо 66 оказалась 120 °С.

Источник