Rekrystalizacja

Rekrystalizacja

Często pożądany produkt reakcji chemicznej jest częścią bardziej złożonej mieszaniny reakcyjnej, która może składać się z rozpuszczalnika, materiałów wyjściowych i zanieczyszczeń. Nauczenie się, jak prawidłowo oczyszczać związki organiczne, jest cenną techniką w chemii organicznej. Rekrystalizacja wykorzystuje różnice w rozpuszczalności pożądanego związku i zanieczyszczeniach w rozpuszczalniku w celu oczyszczenia pożądanego produktu w postaci stałej. Istnieją trzy standardowe metody oczyszczania: destylacja, ekstrakcja i rekrystalizacja.

rozpuszczalność

Rozpuszczalność substancji to maksymalna ilość, która rozpuszcza się w ustalonej objętości danego rozpuszczalnika w danej temperaturze. Różne substancje rozpuszczone mają różną rozpuszczalność i rozpuszczają się w różnych rozpuszczalnikach. Substancje rozpuszczone mogą mieć cechy charakterystyczne, które nadają się do wykorzystania do rekrystalizacji. Związki wykazują jedno z następujących zachowań w rozpuszczalniku. Po pierwsze, związek może być nierozpuszczalny lub mieć bardzo niską rozpuszczalność w rozpuszczalniku we wszystkich temperaturach. Po drugie, związek może być rozpuszczalny w rozpuszczalniku w wyższych temperaturach. Po trzecie, związek może być rozpuszczalny w rozpuszczalniku we wszystkich temperaturach.

Głównym czynnikiem decydującym o tym, czy substancja rozpuszczona rozpuszcza się w rozpuszczalniku i tworzy roztwór, jest siła i rodzaj sił międzycząsteczkowych między substancją rozpuszczoną a rozpuszczalnikiem. Ogólna zasada brzmi: "podobne rozpuszcza się podobne", co oznacza, że substancje o podobnych typach sił międzycząsteczkowych rozpuszczają się w sobie nawzajem. Na przykład substancje polarne, takie jak sól kuchenna (NaCl), dobrze rozpuszczają się w wodzie polarnej.

Innym kluczowym czynnikiem poprawiającym rozpuszczalność jest temperatura. W przypadku wielu substancji rozpuszczalność znacznie wzrasta w wyższych temperaturach. Wynika to z faktu, że zwiększona energia kinetyczna w wyższych temperaturach rozbija siły międzycząsteczkowe substancji rozpuszczonej, które utrzymują cząsteczki razem. Widać to w życiu codziennym. Na przykład wiemy, że sól kuchenna (NaCl) dobrze rozpuszcza się w wodzie; Jednak w wyższych temperaturach rozpuszcza się więcej niż w niższych temperaturach.

Jakościowo roztwór uważa się za nienasycony, jeśli maksymalna ilość rozpuszczonej substancji rozpuszczonej nie została jeszcze osiągnięta. Gdy maksymalna możliwa substancja rozpuszczona się rozpuści, roztwór jest nasycony. Przesycony roztwór zawiera więcej rozpuszczonej substancji rozpuszczonej niż maksymalna ilość możliwa w typowych warunkach.

Rekrystalizacja

Rekrystalizacja wykorzystuje różnice w rozpuszczalności między pożądanym produktem a zanieczyszczeniami w wysokich temperaturach. Pierwszym etapem rekrystalizacji jest rozpuszczenie mieszaniny produktu w minimalnej objętości podgrzanego rozpuszczalnika, co nadal daje nasycony - ale nie przesycony - roztwór. Następnie roztwór schładza się do temperatury pokojowej, zmniejszając rozpuszczalność zarówno pożądanego związku, jak i zanieczyszczenia.

Gdy roztwór stygnie, rozpoczyna się krystalizacja czystego składnika, podczas gdy nadal rozpuszczalne zanieczyszczenia nie postępują. Dzieje się tak, gdy składnik będący przedmiotem zainteresowania ma znacznie wyższe stężenie niż zanieczyszczenie. Po pierwsze, w fazie zarodkowania, rozpuszczalnik inicjuje losową aglomerację cząsteczek substancji rozpuszczonej, tworząc pierwszy kryształ zwany zarodkiem lub jądrem. Następnie, w fazie wzrostu cząstek lub krystalizacji, do ziarna dodaje się więcej cząsteczek, tworząc kryształ. Kryształ zawiera czysty związek, podczas gdy zanieczyszczenie pozostaje w rozpuszczalniku.

Zarodkowanie przebiega szybciej niż wzrost cząstek w przesyconym roztworze. Przy większej liczbie nasion każdy kryształ jest mniejszy. Tak więc, jeśli roztwór jest nasycony, a nie przesycony, tworzy się mniej nasion, co skutkuje większymi kryształami. Podgrzanie roztworu do wyższej temperatury przed schłodzeniem do temperatury pokojowej umożliwia rozpuszczenie wyższego stężenia substancji rozpuszczonej, zmniejszając przesycenie. Dodatkowo, szybkie chłodzenie powoduje szybkie zarodkowanie, tworząc wiele małych kryształów i zatrzymując zanieczyszczenia wewnątrz kryształów. Powolne chłodzenie jest preferowane w celu uzyskania mniejszej liczby większych kryształów.

Gdy roztwór ostygnie do temperatury pokojowej i uformują się kryształy, roztwór jest filtrowany za pomocą filtracji próżniowej. Następnie kryształy pozostawia się do wyschnięcia. Procent odzysku oblicza się, dzieląc masę odzyskanego produktu przez masę produktu surowego.

Odzysk rzadko wynosi 100%, ponieważ rozpuszczalność związku w niskich temperaturach decyduje o tym, ile związku jest skrystalizowane.

Wybór rozpuszczalnika

Aby krystalizacja była skuteczna, należy użyć optymalnego rozpuszczalnika. Pożądany produkt powinien mieć niską rozpuszczalność w wybranym rozpuszczalniku w temperaturze pokojowej, ale wysoką rozpuszczalność w rozpuszczalniku w wyższej temperaturze. Idealnie byłoby, gdyby zanieczyszczenia były rozpuszczalne w rozpuszczalniku we wszystkich temperaturach. Tak więc, gdy mieszanina jest dodawana do rozpuszczalnika w wysokiej temperaturze, pożądany produkt i zanieczyszczenia łatwo się rozpuszczają.

W miarę schładzania roztworu rozpuszczalność pożądanego produktu zmniejsza się i zaczyna zachodzić krystalizacja, tworząc oczyszczony produkt. Czasami zanieczyszczenia mogą pozostać nierozpuszczalne w wybranym rozpuszczalniku, nawet w wysokich temperaturach. Filtracja grawitacyjna na gorąco roztworu zawierającego rozpuszczony produkt może usunąć zanieczyszczenia stałe. Produkt może być następnie rekrystalizowany poprzez schłodzenie próbki.

Idealnie byłoby, gdyby rozpuszczalnik, który ma być użyty, był w stanie zagotować się w temperaturze znacznie niższej od temperatury topnienia pożądanego produktu. Rozpuszczalnik powinien być również obojętny i nie reagować z pożądanym oczyszczonym produktem.

Odwołania

1. Kotz, J.C., Treichel Jr, P.M., Townsend, J.R. (2012). Chemia i reaktywność chemiczna. Belmont, Kalifornia: Brooks/Cole, Cengage Learning.
2. Silberberg, M.S. (2009) Chemia: molekularna natura materii i zmian. Boston, Massachusetts: McGraw Hill.
3. Harris, D.C. (2015). Ilościowa analiza chemiczna. Nowy Jork, NY: W.H. Freeman and Company.