Yeniden kristalleşme

Yeniden kristalleşme

Genellikle, bir kimyasal reaksiyonun istenen ürünü, çözücü, başlangıç malzemeleri ve safsızlıklardan oluşabilen daha karmaşık bir reaksiyon karışımının parçasıdır. Organik bileşiklerin düzgün bir şekilde nasıl saflaştırılacağını öğrenmek, organik kimyada değerli bir tekniktir. Yeniden kristalleştirme, istenen ürünü katı olarak saflaştırmak için istenen bileşiğin çözünürlüğündeki farklılıkları ve çözücüdeki safsızlığı kullanır. Üç standart saflaştırma yöntemi vardır: damıtma, ekstraksiyon ve yeniden kristalleştirme.

Çözünürlük

Bir maddenin çözünürlüğü, belirli bir sıcaklıkta belirli bir çözücünün sabit bir hacminde çözünen maksimum miktardır. Farklı çözünen maddeler farklı çözünürlüklere sahiptir ve farklı çözücülerde çözünürler. Çözünen maddeler, yeniden kristalleşme için sömürülmeye elverişli tanımlayıcı özelliklere sahip olabilir. Bileşikler, bir çözücüde aşağıdaki davranışlardan birini sergiler. İlk olarak, bileşik çözünmez olabilir veya tüm sıcaklıklarda çözücü içinde çok düşük çözünürlüğe sahip olabilir. İkincisi, bileşik daha yüksek sıcaklıklarda çözücü içinde çözünür olabilir. Üçüncüsü, bileşik tüm sıcaklıklarda çözücü içinde çözünür olabilir.

Bir çözünen maddenin bir çözücü içinde çözünüp çözünmediğini ve bir çözelti oluşturup oluşturmadığını belirlemede önemli bir faktör, çözünen madde ile çözücü arasındaki moleküller arası kuvvetlerin gücü ve türüdür. Genel kural şudur: "Gibi çözülür", yani benzer türde moleküller arası kuvvetlere sahip maddeler birbiri içinde çözünür. Örneğin, sofra tuzu (NaCl) gibi polar maddeler polar suda iyi çözünür.

Çözünürlüğü artıran bir diğer önemli faktör sıcaklıktır. Birçok madde için, çözünürlük daha yüksek sıcaklıklarda büyük ölçüde artar. Bunun nedeni, daha yüksek sıcaklıklarda artan kinetik enerjinin, molekülleri bir arada tutan çözünen moleküller arası kuvvetleri kırmasıdır. Bu günlük yaşamda görülür. Örneğin, sofra tuzunun (NaCl) suda iyi çözündüğünü biliyoruz; Bununla birlikte, daha düşük sıcaklıklara göre daha yüksek sıcaklıklarda daha fazla çözünür.

Niteliksel olarak, maksimum çözünmüş çözünen madde miktarına henüz ulaşılmamışsa, bir çözelti doymamış olarak kabul edilir. Mümkün olan maksimum çözünen madde çözündüğünde, çözelti doyurulur. Aşırı doymuş bir çözelti, tipik koşullar altında mümkün olan maksimum miktardan daha fazla çözünmüş çözünen içerir.

Yeniden kristalleşme

Yeniden kristalleştirme, istenen ürün ile yüksek sıcaklıklarda kirleticiler arasındaki çözünürlük farklılıklarından yararlanır. Yeniden kristalleştirmenin ilk adımı, ürün karışımını, hala doymuş - ancak aşırı doymamış - bir çözelti ile sonuçlanan minimum hacimde ısıtılmış bir çözücü içinde çözmektir. Daha sonra, çözelti oda sıcaklığına soğutulur ve hem istenen bileşiğin hem de safsızlığın çözünürlüğü azaltılır.

Çözelti soğudukça, saf bileşenin kristalleşmesi başlar, ancak hala çözünür safsızlıklar başlamaz. Bu, ilgilenilen bileşen safsızlıktan önemli ölçüde daha yüksek bir konsantrasyonda olduğunda meydana gelir. İlk olarak, çekirdeklenme aşamasında, çözücü, çözünen moleküllerin rastgele aglomerasyonunu başlatır ve tohum veya çekirdek adı verilen ilk kristali oluşturur. Daha sonra, parçacık büyümesi veya kristalleşme aşamasında, tohuma daha fazla molekül eklenir ve bir kristal oluşturulur. Kristal saf bileşiği içerirken, safsızlık çözücüde kalır.

Çekirdeklenme, aşırı doymuş bir çözeltide parçacık büyümesinden daha hızlı ilerler. Daha fazla tohumla, her kristal daha küçüktür. Bu nedenle, çözelti aşırı doymuş yerine doymuşsa, daha az tohum oluşur ve bu da daha büyük kristallerle sonuçlanır. Çözeltinin oda sıcaklığına soğutulmadan önce daha yüksek bir sıcaklığa ısıtılması, daha yüksek bir çözünen konsantrasyonunun çözünmesini sağlayarak aşırı doygunluğu azaltır. Ek olarak, hızlı soğutma, hızlı çekirdeklenmeye neden olur, birçok küçük kristal oluşturur ve kristallerin içindeki safsızlığı hapseder. Daha az, daha büyük kristaller elde etmek için yavaş soğutma tercih edilir.

Çözelti oda sıcaklığına soğuduktan ve kristaller oluştuktan sonra, çözelti vakum filtrasyonu kullanılarak süzülür. Daha sonra kristallerin kurumasına izin verilir. Geri kazanım yüzdesi, geri kazanılan ürünün kütlesinin ham ürünün kütlesine bölünmesiyle hesaplanır.

Bileşiğin düşük sıcaklıklarda çözünürlüğü, bileşiğin ne kadarının kristalleşeceğini yönettiği için geri kazanım nadiren% 100'dür.

Bir Çözücü Seçme

Kristalleşmenin etkili olması için en uygun çözücü kullanılmalıdır. İstenen ürün, seçilen çözücü içinde oda sıcaklığında düşük çözünürlüğe, ancak daha yüksek bir sıcaklıkta çözücü içinde yüksek çözünürlüğe sahip olmalıdır. İdeal olarak, safsızlıklar tüm sıcaklıklarda çözücü içinde çözünür olmalıdır. Böylece, karışım çözücüye yüksek bir sıcaklıkta eklendiğinde, istenen ürün ve safsızlıklar kolayca çözülür.

Çözelti soğutuldukça, istenen ürünün çözünürlüğü azalır ve kristalleşme meydana gelmeye başlar ve saflaştırılmış ürün oluşturur. Bazen, safsızlıklar, yüksek sıcaklıklarda bile tercih edilen çözücüde çözünmez kalabilir. Çözünmüş ürün içeren çözeltinin sıcak yerçekimi filtrasyonu katı safsızlıkları giderebilir. Ürün daha sonra numunenin soğutulmasıyla yeniden kristalleştirilebilir.

İdeal olarak, kullanılacak çözücü, istenen ürünün erime noktasının çok altındaki bir sıcaklıkta kaynayabilmelidir. Çözücü ayrıca inert olmalı ve istenen saflaştırılmış ürün ile reaksiyona girmemelidir.

Başvuru

1. Kotz, J.C., Treichel Jr, P.M., Townsend, J.R. (2012). Kimya ve Kimyasal Reaktivite. Belmont, CA: Brooks/Cole, Cengage Öğrenme.
2. Silberberg, M.S. (2009) Kimya: Maddenin ve Değişimin Moleküler Doğası. Boston, MA: McGraw Tepesi.
3. Harris, D.C. (2015). Kantitatif Kimyasal Analiz. New York, NY: W.H. Freeman ve Şirketi.

Çoğu ürün safsızlık içerir. Bu ürünleri saflaştırmanın bir yolu yeniden kristalleştirmedir. Yeniden kristalleşme, saf olmayan ürünün, çözücü içinde mümkün olduğunca fazla çözünen maddenin çözüldüğü doymuş bir çözelti oluşturmak için yeterli miktarda sıcak çözücü içinde çözülmesiyle başlar. Herhangi bir ek çözünen çözünme maddesi çözülmüş gibi görünmeyecektir.

Çözünürlük tipik olarak sıcaklıkla arttığı için sıcak bir çözücü kullanılır. Sıcaklık arttıkça, çözücü içinde çözülebilecek çözünen madde miktarı artar. Çözelti soğudukça, ürünün çözünürlüğü azalır ve çözünen moleküller bir araya gelerek çekirdek adı verilen küçük kararlı kristaller oluşturur.

Bu, çekirdeklenme adı verilen kristalleşmenin ilk adımıdır. Çekirdeklerde ek kristal büyümesi meydana gelir, çünkü çözünen moleküller mevcut çözünen kristalleri birleştirmek için yeni kristaller oluşturmaktan daha büyük bir afiniteye sahiptir. Çözünür safsızlıklar çözelti içinde bırakılır.

Kristalleşme kendiliğinden gerçekleşebilir veya şişenin içini çizerek, çözeltiyi çalkalayarak veya bileşiğin bir tohum kristali ekleyerek teşvik edilebilir, bunların tümü daha fazla büyüme için bir yüzey sağlar.

Büyük, saf, düzenli şekilli kristaller halinde yeniden kristalleştirme, yalnızca uygun bir çözücü kullanıldığında işe yarar. Bileşik, oda sıcaklığında çözücü içinde çözünmez ve yüksek sıcaklıklarda çözünür olmalıdır. İdeal olarak, safsızlıklar ya yüksek sıcaklıkta çözücü içinde çözünmez olmalı ya da oda sıcaklığında çözücü içinde çözünür olmalıdır.

Safsızlıklar sıcak çözücüde çözünmezse, kristalleşmeden önce filtrelenirler. Yeniden kristalleşmeden sonra, kristaller süzülür ve yüzeylerdeki yabancı maddeleri gidermek için soğuk çözücü ile yıkanır. Şimdi, kristallerin saflığı analiz edilebilir.

Bir çözücü seçerken, yüksek sıcaklıklar ve düşük sıcaklıklar arasındaki çözünürlük farkı ne kadar büyükse, çözünen maddenin kristaller oluşturmak üzere soğudukça çözeltiden çıkma olasılığının o kadar yüksek olduğunu unutmayın. Yeniden kristalleşmede soğuma hızı da önemlidir.

Hızlı soğutma, birçok çekirdeklenme bölgesinin oluşumunu ve daha küçük kristallerin büyümesini desteklerken, soğutma yavaş yavaş daha az çekirdeklenme bölgesinin oluşumunu ve daha az, daha büyük ama daha saf kristallerin büyümesini sağlar. Bu nedenle daha yavaş soğutma tercih edilir.

Bu laboratuvarda, saf olmayan iki organik bileşiği, asetanilid ve trans-sinnamik asidi yeniden kristalleştirecek ve ardından erime noktası aralıklarını literatürdeki değerlerle karşılaştırarak geri kazanılan bileşiklerin saflığını değerlendireceksiniz.