重结晶

重结晶

通常，化学反应的所需产物是更复杂的反应混合物的一部分，该混合物可以由溶剂、起始材料和杂质组成。学习如何正确纯化有机化合物是有机化学中一项有价值的技术。重结晶利用所需化合物的溶解度差异和溶剂中的杂质，将所需产品纯化为固体。有三种标准纯化方法:蒸馏、萃取和重结晶。

溶解度

物质的溶解度是在给定温度下溶解在固定体积的给定溶剂中的最大量。不同的溶质具有不同的溶解度，并溶解在不同的溶剂中。溶质可能具有适合用于重结晶的定义特性。化合物在溶剂中表现出以下行为之一。首先，该化合物在所有温度下都可以在溶剂中不溶或具有非常低的溶解度。其次，该化合物在较高温度下可溶于溶剂。第三，该化合物在所有温度下都能溶于溶剂。

决定溶质是否溶解在溶剂中并形成溶液的一个主要因素是溶质和溶剂之间分子间作用力的强度和类型。一般的经验法则是"同类溶解"，这意味着具有相似类型分子间作用力的物质会相互溶解。例如，食盐 （NaCl） 等极性物质在极性水中溶解良好。

提高溶解度的另一个关键因素是温度。对于许多物质，溶解度在较高温度下会大大增加。这是因为在较高温度下增加的动能会破坏使分子保持在一起的溶质分子间作用力。这在日常生活中可以看到。例如，我们知道食盐 （NaCl） 在水中溶解得很好;然而，在较高温度下比在较低温度下溶解更多。

从定性上讲，如果尚未达到溶解溶质的最大量，则认为溶液为不饱和溶液。当最大可能的溶质溶解时，溶液饱和。过饱和溶液所含的溶质多于典型条件下的最大可能溶质量。

重结晶

重结晶利用了所需产物与污染物在高温下的溶解度差异。重结晶的第一步是将产物混合物溶解在最小体积的加热溶剂中，这仍然会产生饱和（但不是过饱和）溶液。然后，将溶液冷却至室温，从而降低所需化合物和杂质的溶解度。

随着溶液冷却，纯组分开始结晶，而仍然可溶的杂质则没有。当目标组分的浓度明显高于杂质时，就会发生这种情况。首先，在成核阶段，溶剂引发溶质分子的无规则团聚，形成第一个晶体，称为种子或原子核。接下来，在颗粒生长或结晶阶段，更多的分子被添加到晶种中，形成晶体。晶体含有纯化合物，而杂质保留在溶剂中。

成核比过饱和溶液中的颗粒生长更快。种子越多，每个晶体就越小。因此，如果溶液是饱和的，而不是过饱和的，则形成的晶种会减少，从而产生更大的晶体。在冷却至室温之前将溶液加热到更高的温度，可以溶解更高浓度的溶质，从而减少过饱和度。此外，快速冷却导致快速成核，形成许多小晶体并将杂质困在晶体内部。首选缓慢冷却以获得更少、更大的晶体。

一旦溶液冷却至室温并形成晶体，则使用真空过滤过滤溶液。然后，让晶体干燥。回收率的计算方法是将回收产品的质量除以粗产品的质量。

回收率很少为 100%，因为化合物在低温下的溶解度决定了化合物的结晶量。

选择溶剂

为了使结晶有效，必须使用最佳溶剂。所需产品在室温下应在所选溶剂中具有低溶解度，但在较高温度下应在溶剂中具有高溶解度。理想情况下，杂质在所有温度下都应可溶于溶剂。因此，当混合物在高温下添加到溶剂中时，所需的产物和杂质很容易溶解。

随着溶液冷却，所需产物的溶解度降低，开始结晶，形成纯化产物。有时，即使在高温下，杂质也可能不溶于所选溶剂中。含有溶解产物的溶液的热重力过滤可以去除固体杂质。然后可以通过冷却样品来重结晶该产品。

理想情况下，要使用的溶剂应能够在远低于所需产品熔点的温度下沸腾。溶剂也应该是惰性的，不要与所需的纯化产物发生反应。

引用

1. Kotz， J.C.， Treichel Jr， P.M.， Townsend， J.R. （2012）.化学和化学反应性。加利福尼亚州贝尔蒙特:Brooks/Cole，圣智学习。
2. Silberberg， M.S. （2009） 化学:物质和变化的分子性质。马萨诸塞州波士顿:麦格劳·希尔。
3. 哈里斯，哥伦比亚特区（2015 年）。定量化学分析。 纽约州纽约市:W.H. Freeman and Company。

大多数产品含有杂质。纯化这些产品的一种方法是重结晶。重结晶首先将不纯产物溶解在刚好足够的热溶剂中以形成饱和溶液，其中尽可能多的溶质溶解在溶剂中。任何额外的溶质似乎都不会溶解。

使用热溶剂是因为溶解度通常随温度升高而增加。随着温度的升高，可溶解在溶剂中的溶质量增加。随着溶液冷却，产物的溶解度降低，溶质分子聚集在一起形成稳定的小晶体，称为原子核。

这是结晶的第一步，称为成核。额外的晶体生长发生在原子核上，因为溶质分子连接现有溶质晶体的亲和力大于形成新晶体的亲和力。可溶性杂质留在溶液中。

结晶可以自发发生，也可以通过刮擦培养瓶内部、搅动溶液或添加化合物的晶种来促进结晶，所有这些都为进一步生长提供了表面。

重结晶成大而纯净、形状规则的晶体只有在使用适当的溶剂时才能起作用。该化合物在室温下应不溶于溶剂，在高温下应易溶。理想情况下，杂质在高温下应不溶于溶剂，或在室温下应溶于溶剂。

如果杂质不溶于热溶剂，则在结晶前将其过滤掉。重结晶后，将晶体过滤掉并用冷溶剂洗涤，以去除表面的杂质。现在，可以分析晶体的纯度。

选择溶剂时，请记住，高温和低温之间的溶解度差异越大，溶质在冷却形成晶体时就越有可能从溶液中出来。冷却速率在再结晶中也很重要。

快速冷却有利于许多成核位点的形成和较小晶体的生长，而冷却则缓慢诱导形成较少的成核位点和更少、更大但更纯净的晶体的生长。因此，首选较慢的冷却。

在本实验中，您将重结晶两种不纯的有机化合物，即乙酰苯胺和反式肉桂酸，然后通过将回收化合物的熔点范围与文献中的值进行比较来评估回收化合物的纯度。