Рекристаллизации

Рекристаллизации

Часто желаемый продукт химической реакции является частью более сложной реакционной смеси, которая может состоять из растворителя, исходных материалов и примесей. Изучение того, как правильно очищать органические соединения, является ценным методом в органической химии. Рекристаллизация использует различия в растворимости желаемого соединения и примеси в растворителе для очистки желаемого продукта в виде твердого вещества. Существует три стандартных метода очистки: дистилляция, экстракция и рекристаллизация.

растворимость

Растворимость вещества — это максимальное количество, которое растворяется в фиксированном объеме данного растворителя при данной температуре. Разные растворенные вещества имеют разную растворимость и растворяются в разных растворителях. Растворенные вещества могут обладать определяющими характеристиками, которые позволяют использовать их для рекристаллизации. Соединения проявляют одно из следующих свойств в растворителе. Во-первых, соединение может быть нерастворимым или иметь очень низкую растворимость в растворителе при любых температурах. Во-вторых, соединение может быть растворимым в растворителе при более высоких температурах. В-третьих, соединение может быть растворимым в растворителе при любых температурах.

Основным фактором при определении того, растворяется ли растворенное вещество в растворителе и образует ли раствор, является сила и тип межмолекулярных сил между растворенным веществом и растворителем. Общее эмпирическое правило гласит: «подобное растворяется подобным», что означает, что вещества с аналогичными типами межмолекулярных сил растворяются друг в друге. Например, полярные вещества, такие как поваренная соль (NaCl), хорошо растворяются в полярной воде.

Еще одним ключевым фактором, улучшающим растворимость, является температура. Для многих веществ растворимость значительно увеличивается при более высоких температурах. Это связано с тем, что повышенная кинетическая энергия при более высоких температурах разрушает растворенные межмолекулярные силы, которые удерживают молекулы вместе. Это видно в повседневной жизни. Например, мы знаем, что поваренная соль (NaCl) хорошо растворяется в воде; Однако при более высоких температурах растворяется больше, чем при более низких.

Качественно раствор считается ненасыщенным, если максимальное количество растворенного растворенного вещества еще не достигнуто. Когда максимально возможное растворенное вещество растворится, раствор насыщают. Пересыщенный раствор содержит больше растворенного вещества, чем максимально возможное количество при типичных условиях.

Рекристаллизации

При рекристаллизации используются различия в растворимости между желаемым продуктом и загрязняющими веществами при высоких температурах. Первым этапом рекристаллизации является растворение смеси продукта в минимальном объеме нагретого растворителя, в результате чего все еще получается насыщенный, но не пересыщенный раствор. Затем раствор охлаждают до комнатной температуры, снижая растворимость как нужного соединения, так и примеси.

По мере остывания раствора начинается кристаллизация чистого компонента, в то время как еще растворимые примеси этого не делают. Это происходит, когда интересующий компонент находится в значительно более высокой концентрации, чем примесь. Во-первых, в фазе зарождения растворитель инициирует случайную агломерацию молекул растворенного вещества, образуя первый кристалл, называемый семенем или ядром. Затем, на этапе роста частиц или кристаллизации, к затравке добавляется больше молекул, образующих кристалл. Кристалл содержит чистое соединение, в то время как примесь остается в растворителе.

Зарождение происходит быстрее, чем рост частиц в пересыщенном растворе. Чем больше семян, тем меньше каждый кристалл. Таким образом, если раствор насыщенный, а не перенасыщенный, образуется меньше затравок, что приводит к образованию более крупных кристаллов. Нагревание раствора до более высокой температуры перед охлаждением до комнатной температуры позволяет растворить растворенное вещество с более высокой концентрацией, уменьшая пересыщение. Кроме того, быстрое охлаждение приводит к быстрому зародышеобразованию, образуя множество мелких кристаллов и улавливая примеси внутри кристаллов. Медленное охлаждение предпочтительно для получения меньшего количества более крупных кристаллов.

После того, как раствор остынет до комнатной температуры, а кристаллы сформируются, раствор фильтруют с помощью вакуумной фильтрации. Затем кристаллам дают высохнуть. Процент извлечения рассчитывается путем деления массы извлеченного продукта на массу сырого продукта.

Восстановление редко составляет 100%, так как растворимость соединения при низких температурах определяет, сколько соединения кристаллизуется.

Выбор растворителя

Чтобы кристаллизация была эффективной, необходимо использовать оптимальный растворитель. Желаемый продукт должен иметь низкую растворимость в выбранном растворителе при комнатной температуре, но высокую растворимость в растворителе при более высокой температуре. В идеале примеси должны быть растворимы в растворителе при любых температурах. Таким образом, при добавлении смеси в растворитель при высокой температуре, нужный продукт и примеси легко растворяются.

По мере охлаждения раствора растворимость нужного продукта снижается и начинает происходить кристаллизация, образуя очищенный продукт. Иногда примеси могут оставаться нерастворимыми в выбранном растворителе даже при высоких температурах. Горячая гравитационная фильтрация раствора, содержащего растворенный продукт, позволяет удалить твердые примеси. Затем продукт может быть повторно кристаллизован путем охлаждения образца.

В идеале используемый растворитель должен кипеть при температуре значительно ниже температуры плавления желаемого продукта. Растворитель также должен быть инертным и не вступать в реакцию с желаемым очищенным продуктом.

Ссылки

1. Kotz, J.C., Treichel Jr, P.M., Townsend, J.R. (2012). Химия и химическая реакционная способность. Бельмонт, Калифорния: Брукс/Коул, Cengage Learning.
2. Silberberg, M.S. (2009) Химия: молекулярная природа материи и изменения. Бостон, Массачусетс: Макгроу Хилл.
3. Harris, D.C. (2015). Количественный химический анализ. Нью-Йорк, Нью-Йорк: W.H. Freeman and Company.

Большинство продуктов содержат примеси. Одним из способов очистки этих продуктов является рекристаллизация. Рекристаллизация начинается с растворения нечистого продукта в достаточно горячем растворителе для образования насыщенного раствора, в котором в растворителе растворяется как можно больше растворенного вещества. Любое дополнительное растворенное вещество не будет казаться растворимым.

Горячий растворитель используется, потому что растворимость обычно увеличивается с температурой. По мере повышения температуры количество растворенного вещества, которое может быть растворено в растворителе, увеличивается. По мере охлаждения раствора растворимость продукта снижается, и молекулы растворенного вещества объединяются, образуя небольшие стабильные кристаллы, называемые ядрами.

Это первый этап кристаллизации, называемый зародышеобразованием. Дополнительный рост кристаллов происходит на ядрах, потому что молекулы растворенного вещества имеют большее сродство к соединению существующих кристаллов растворенного вещества, чем к образованию новых кристаллов. Растворимые примеси оставляют в растворе.

Кристаллизация может происходить спонтанно или может быть стимулирована путем царапания внутренней части колбы, перемешивания раствора или добавления затравочного кристалла соединения, все это обеспечивает поверхность для дальнейшего роста.

Рекристаллизация в крупные, чистые кристаллы правильной формы работает только при использовании соответствующего растворителя. Соединение должно быть нерастворимым в растворителе при комнатной температуре и растворимым при высоких температурах. В идеале примеси должны быть либо нерастворимыми в растворителе при высокой температуре, либо растворимыми в растворителе при комнатной температуре.

Если примеси нерастворимы в горячем растворителе, их отфильтровывают перед кристаллизацией. После рекристаллизации кристаллы отфильтровывают и промывают холодным растворителем для удаления загрязнений с поверхностей. Теперь можно анализировать чистоту кристаллов.

При выборе растворителя учитывайте, что чем больше разница в растворимости между высокими и низкими температурами, тем больше вероятность того, что растворенное вещество выйдет из раствора при охлаждении с образованием кристаллов. Скорость охлаждения также важна для рекристаллизации.

Быстрое охлаждение способствует образованию многих центров зарождения и росту более мелких кристаллов, в то время как медленное охлаждение вызывает образование меньшего количества центров зарождения и рост меньшего количества более крупных, но более чистых кристаллов. Таким образом, предпочтительнее более медленное охлаждение.

В этой лаборатории вы рекристаллизуете два нечистых органических соединения, ацетанилид и транс-коричную кислоту, а затем оцените чистоту восстановленных соединений, сравнив диапазон их температур плавления со значениями, приведенными в литературе.