 | Эта статья требует дополнительных ссылок для проверки . ( октябрь 2009 г. ) ( Узнайте, как и когда удалить этот шаблон сообщения ) |
В химии , рекристаллизация является методом , используемым для очистки химических веществ. Путем растворения как примесей, так и соединения в подходящем растворителе, желаемое соединение или примеси могут быть удалены из раствора, оставив другое позади. Он назван в честь кристаллов, которые часто образуются, когда соединение выпадает в осадок. В качестве альтернативы перекристаллизация может относиться к естественному росту более крупных кристаллов льда за счет более мелких.
Химия [ править ]
В химии перекристаллизация [1] - это процедура очистки соединений . Наиболее типичная ситуация состоит в том, что желаемое «соединение A» загрязнено небольшим количеством «примеси B». Существуют различные методы очистки, которые можно попробовать (см. Процесс разделения ), перекристаллизация является одним из них. Существуют также различные методы перекристаллизации, такие как:
Перекристаллизация из одного растворителя [ править ]
Обычно смесь «соединения A» и «примеси B» растворяют в минимальном количестве горячего растворителя для полного растворения смеси, получая таким образом насыщенный раствор . Затем раствору дают остыть. По мере охлаждения раствора растворимость соединений в растворе падает. Это приводит к выпадению (перекристаллизации) желаемого соединения из раствора. Чем медленнее скорость охлаждения, тем больше образуются кристаллы.
В идеальном случае произведение растворимости примеси B не должно превышаться ни при какой температуре. В этом случае твердые кристаллы будут состоять из чистого A, а вся примесь останется в растворе. Твердые кристаллы собирают фильтрацией, а фильтрат отбрасывают. Если произведение растворимости примеси превышено, часть примеси будет совместно осаждаться. Однако из-за относительно низкой концентрации примеси ее концентрация в выпавших кристаллах будет меньше, чем ее концентрация в исходном твердом веществе. Повторная перекристаллизация приведет к еще более чистому кристаллическому осадку. Чистоту проверяют после каждой перекристаллизации путем измерения температуры плавления, так как примесипонизить температуру плавления . ЯМР-спектроскопия также может использоваться для проверки уровня примесей. Повторная перекристаллизация приводит к некоторой потере материала из-за ненулевой растворимости соединения A.
Процесс кристаллизации требует стадии инициирования, такой как добавление «затравочного» кристалла. В лаборатории крохотный осколок стекла, полученный в результате царапания стенки сосуда для перекристаллизации стекла, может дать зародыш, на котором могут расти кристаллы. Успешная перекристаллизация зависит от выбора подходящего растворителя. Обычно это сочетание прогнозов / опыта и проб / ошибок. Соединения должны быть более растворимыми при более высокой температуре, чем при более низких температурах. Любые нерастворимые примеси удаляются методом горячей фильтрации .
Перекристаллизация из нескольких растворителей [ править ]
Этот метод аналогичен описанному выше, но с использованием двух (или более) растворителей. Это зависит от того, что как «соединение А», так и «примесь В» растворимы в первом растворителе. Медленно добавляют второй растворитель. Либо «соединение A», либо «примесь B» будет нерастворимо в этом растворителе и выпадет в осадок, в то время как другое из «соединения A» / «примеси B» останется в растворе. Таким образом, соотношение первого и второго растворителей имеет решающее значение. Обычно второй растворитель добавляют медленно, пока одно из соединений не начинает кристаллизоваться из раствора, а затем раствор охлаждают. Для этой техники нагревание не требуется, но его можно использовать.
Обратный этому способ может быть использован, когда смесь растворителей растворяет как A, так и B. Затем один из растворителей удаляется перегонкой или с помощью приложенного вакуума. Это приводит к изменению пропорций растворителя, вызывая осаждение либо «соединения А», либо «примеси В».
Горячая фильтрация-перекристаллизация [ править ]
Горячая фильтрация [2] может использоваться для отделения «соединения A» как от «примеси B», так и от некоторого «нерастворимого вещества C». В этом методе обычно используется система с одним растворителем, как описано выше. Когда и «соединение A», и «примесь B» растворяются в минимальном количестве горячего растворителя, раствор фильтруют для удаления «нерастворимого вещества C». Это может быть что угодно, от третьего примесного соединения до осколков битого стекла. Для успешной процедуры необходимо убедиться, что устройство для фильтрации нагрето, чтобы предотвратить кристаллизацию растворенных соединений из раствора во время фильтрации с образованием кристаллов на фильтровальной бумаге или воронке.
Один из способов добиться этого - нагреть коническую колбу с небольшим количеством чистого растворителя на горячей плите. На ротовую полость опирается фильтрующая воронка, а горячие пары растворителя согревают стержень. Также можно использовать фильтрующие воронки с рубашкой. Фильтровальная бумага предпочтительно рифленая, а не сложенная пополам; это обеспечивает более быструю фильтрацию, что снижает вероятность охлаждения и кристаллизации желаемого соединения из раствора.
Часто проще выполнять фильтрацию и перекристаллизацию в виде двух независимых и отдельных этапов. То есть растворяют «соединение А» и «примесь В» в подходящем растворителе при комнатной температуре, фильтруют (для удаления нерастворимого соединения / стекла), удаляют растворитель и затем перекристаллизовывают, используя любой из перечисленных выше методов.
Посев [ править ]
Кристаллизация требует этапа инициирования. Это может быть спонтанным или может быть сделано путем добавления небольшого количества чистого соединения ( затравочного кристалла ) [1] к насыщенному раствору, или может быть выполнено простым царапанием поверхности стекла для создания затравочной поверхности для роста кристаллов . Считается, что даже частицы пыли могут действовать как простые семена.
Одиночные совершенные кристаллы (для рентгеноструктурного анализа) [ править ]
Выращивание кристаллов для рентгеновской кристаллографии может быть довольно трудным. Для рентгеноструктурного анализа требуются одиночные совершенные кристаллы. Обычно используется небольшое количество (5–100 мг) чистого соединения, и кристаллы могут расти очень медленно. Для выращивания этих идеальных кристаллов можно использовать несколько методов:
- Медленное испарение одного растворителя - обычно соединение растворяют в подходящем растворителе, и растворителю дают медленно испариться. После насыщения раствора могут образовываться кристаллы.
- Медленное испарение системы с несколькими растворителями - то же самое, что и выше, однако состав растворителя изменяется из-за испарения более летучего растворителя. Соединение более растворимо в летучем растворителе, поэтому соединение становится все более нерастворимым в растворе и кристаллизуется.
- Медленное распространение - аналогично описанному выше. Однако второму растворителю дают возможность испариться из одного контейнера в контейнер, содержащий раствор соединения (газодиффузия). Поскольку состав растворителя изменяется из-за увеличения количества растворителя, который диффундировал в раствор, соединение становится все более нерастворимым в растворе и кристаллизуется.
- Интерфейс / медленное перемешивание (часто выполняется в пробирке для ЯМР ). Подобно описанному выше, но вместо диффузии газа одного растворителя в другой, два растворителя смешиваются (диффундируют) за счет диффузии жидкость-жидкость. Обычно второй растворитель осторожно «наслаивают» поверх раствора, содержащего соединение. Со временем оба раствора смешиваются. Поскольку состав растворителя изменяется из-за диффузии, соединение становится все более нерастворимым в растворе и кристаллизуется, обычно на границе раздела. Кроме того, лучше использовать более плотный растворитель в качестве нижнего слоя и / или более горячий растворитель в качестве верхнего слоя, поскольку это приводит к более медленному смешиванию растворителей.
- Для выполнения вышеуказанного можно использовать специальное оборудование в форме буквы «Н», где одна из вертикальных линий буквы «Н» представляет собой пробирку с раствором соединения, а другая вертикальная линия буквы «Н» обозначает трубка, содержащая растворитель, в котором соединение не растворяется, и горизонтальная линия буквы «Н» представляет собой трубку, соединяющую две вертикальные трубки, которая также имеет мелкий спекшийся стекловолокно, ограничивающий смешивание двух растворителей.
- После получения единичных совершенных кристаллов рекомендуется хранить кристаллы в герметичном сосуде с небольшим количеством кристаллизационной жидкости, чтобы предотвратить «высыхание» кристаллов. Одиночные совершенные кристаллы могут содержать растворитель кристаллизации в кристаллической решетке . Потеря этого внутреннего растворителя из кристаллов может привести к разрушению кристаллической решетки и превращению кристаллов в порошок.
Лед [ править ]
В случае льда рекристаллизация означает рост более крупных кристаллов за счет более мелких. Было показано, что некоторые биологические антифризы ингибируют этот процесс, и этот эффект может иметь значение для устойчивых к замораживанию организмов. [3]
См. Также [ править ]
- Трубка Крейга , установка для мелкомасштабной перекристаллизации
- Кристальная структура
- Кристаллизация и инженерные аспекты
- Фракционная кристаллизация (химия)
- Рост пьедестала с лазерным нагревом
- Семенной кристалл
- Монокристалл
Ссылки [ править ]
- ^ a b Лоуренс М. Харвуд, Кристофер Дж. Муди (1989). Экспериментальная органическая химия: принципы и практика . Оксфорд: Научные публикации Блэквелла. С. 127–132 . ISBN 0-632-02017-2.CS1 maint: использует параметр авторов ( ссылка )
- ^ Лоуренс М. Харвуд, Кристофер Дж. Муди (1989). Экспериментальная органическая химия: принципы и практика . Оксфорд: Научные публикации Блэквелла. С. 74 . ISBN 0-632-02017-2.CS1 maint: использует параметр авторов ( ссылка )
- ^ Кумар Верма, Ashok (2014). «Перекристаллизация льда» .
Справочники [ править ]
- Лоуренс М. Харвуд; Кристофер Дж. Муди; Джонатан М. Перси (1999). Экспериментальная органическая химия: стандарт и микромасштаб . ISBN 9780632048199.
- Джон Леонард; Б. Лиго; Гарри Проктер (2 июня 1994 г.). Продвинутая практическая органическая химия . ISBN 9780748740710.
