Kako kristalizirati organske spojeve: 11 koraka (sa slikama)

2024 Autor: Jason Gerald | [email protected]. Zadnja promjena: 2023-12-16 11:15

Kristalizacija (ili rekristalizacija) najvažnija je metoda za pročišćavanje organskih spojeva. Postupak uklanjanja nečistoća kristalizacijom uključuje otapanje spoja u prikladnom toplom otapalu, hlađenje otopine i zasićenje spojem koji se pročišćava, kristalizaciju otopine, izolaciju filtracijom, ispiranje njegove površine hladnim otapalom radi uklanjanja zaostalih nečistoća i sušenje.

Ovaj postupak najbolje je izvesti u kontroliranom kemijskom laboratoriju, u dobro prozračenom prostoru. Imajte na umu da ovaj postupak ima širok raspon primjena, uključujući opsežno komercijalno pročišćavanje šećera kristalizacijom sirovog šećera i ostavljajući nečistoće iza sebe.

Korak

Korak 1. Odaberite odgovarajuće otapalo

Sjetite se izraza "slično se otapa poput" ili Similia similibus solvuntur, što znači da se tvari slične strukture otapaju jedna u drugoj. Na primjer, šećeri i soli su topljivi u vodi, a ne u ulju - a nepolarni spojevi poput ugljikovodika će se otopiti u nepolarnim otapalima ugljikovodika poput heksana.

• Idealno otapalo ima sljedeća svojstva:

  • Topljivi spojevi kada su vrući, ali se ne otapaju kada su hladni.
  • Ne otapajući nikakve nečistoće (tako da se mogu filtrirati kada se otopi nečisti spoj), ili otapajući sve nečistoće (tako da ostanu u otopini kad se željeni spoj kristalizira).
  • Ne reagira sa spojevima.
  • Ne može izgorjeti.
  • Netoksičan.
  • Jeftin.
  • Vrlo hlapljivo (pa se lako može odvojiti od kristala).

• Često je teško odrediti najbolje otapalo koje se često dobiva eksperimentalno ili korištenjem najpolarnijeg otapala koje je na raspolaganju. Upoznajte se sa sljedećim popisom najčešćih otapala (od najpolarnijih do najmanje polarnih). Imajte na umu da će se otapala koja su blizu međusobno miješati (otapati jedno drugo). Najčešće korištena otapala podebljana su.

  • Voda (H₂O) je nezapaljivo, netoksično otapalo i otapa mnoge polarne organske spojeve. Nedostatak je njegovo visoko vrelište (100 stupnjeva Celzijusa), zbog čega je relativno nehlapivo i teško se odvaja od kristala.
  • Octena kiselina (CH₃COOH) je korisna tvar za oksidacijske reakcije, ali reagira s alkoholima i aminima, pa se stoga teško odvaja (točka vrenja je 118 stupnjeva Celzijusa).
  • Dimetil sulfoksid (DMSO), metil sulfoksid (CH₃SOCH₃) uglavnom se koristi kao otapalo za reakcije, rijetko za kristalizaciju. Ova tvar ključa na 189 stupnjeva Celzijusa i teško ju je odvojiti.
  • Metanol (CH₃OH) je korisno otapalo za otapanje različitih spojeva s većim polaritetom od drugih alkohola. Vrelište: 65 stupnjeva Celzijusa. C.
  • Aceton (CH3COCH3) je vrlo dobro otapalo, nedostatak je što ima nisko vrelište od 56 stupnjeva Celzijusa, pa je razlika u temperaturi mala u topljivosti spoja na vrelištu i sobnoj temperaturi.
  • 2-Butanon, metil etil keton, MEK (CH₃COCH₂CH₃) savršeno je otapalo s vrelištem od 80 stupnjeva Celzijusa.
  • Etil acetat (CH₃COOC₂H₅) savršeno je otapalo s vrelištem od 78 stupnjeva Celzijusa.
  • Diklormetan, metilen klorid (CH₂Cl₂) korisno kao otapalo partner s ligroinom, ali njegovo vrelište od samo 35 stupnjeva Celzijusa prenisko je za stvaranje dobrog otapala za kristalizaciju. Međutim. temperatura smrzavanja mu je -78 stupnjeva Celzijusa. korištenje sapuna od leda ili acetona,
  • Dietil eter (CH₃CH₂OCH₂CH₃) korisno kao par otapala s ligroinom, ali njegovo vrelište od 40 stupnjeva Celzijusa je prenisko da bi bilo dobro otapalo za kristalizaciju.
  • Metil t -butil eter (CH₃OC (CH₃)₃) je jeftino otapalo, dobra zamjena za dietil eter zbog višeg vrelišta, 52 stupnja Celzijusa.
  • Dioksan (C₄H₈O.₂) je tvar koja se lako odvaja od kristala, blag je kancerogen, stvara perokside i ima vrelište 101 stupanj Celzijusa.
  • Toluen (C₆H₅CH₃) je dobro otapalo za kristalizaciju arilnih spojeva i zamijenilo je prethodno najčešće korištene spojeve benzena (slabi kancerogeni). Nedostatak je njegova visoka vrelišta, 111 stupnjeva Celzijusa, što otežava odvajanje od kristala.
  • Pentan (C.₅H₁₂) Široko se koristi za nepolarne spojeve, često kao otapalo za uparivanje s drugim otapalima. Njegovo nisko vrelište znači da je ovo otapalo korisnije kada se koristi zajedno s ledom ili acetonom.
  • Heksan (C.₆H₁₄) koristi se za nepolarne spojeve, inertan, često se koristi kao par otapala, vrelište 69 stupnjeva Celzijusa.
  • Cikloheksan (C₆H₁₂) sličan heksanu, ali jeftiniji i ima vrelište 81 stupanj Celzijusa.
  • Naftni eter je zasićena smjesa ugljikovodika čija je glavna komponenta pentan, jeftina je i može se koristiti naizmjenično s pentanom. Vrelište je 30-60 stupnjeva Celzijusa.

  • Ligroin je zasićena smjesa ugljikovodika koja ima svojstva heksana.

    Koraci za odabir otapala:

1. Stavite malu količinu kristala spoja nečistoće u epruvetu i dodajte po jednu kap svakog otapala, tako da može otjecati sa strane epruvete.
2. Ako se kristali u epruveti otope odmah na sobnoj temperaturi, odbacite otapalo jer će velike količine spoja ostati topljive na niskim temperaturama. Pokušajte s drugim otapalom.
3. Ako se kristali ne otope na sobnoj temperaturi, zagrijte epruvetu u kupelji s vrućim pijeskom i promatrajte kristale. Dodajte još jednu kap otapala ako se kristali nisu otopili. Ako se kristali otapaju na vrelištu otapala i ponovno kristaliziraju kada se ohlade na sobnu temperaturu, našli ste pravo otapalo. Ako ne, pokušajte s drugim otapalom.

4. Ako nakon postupka ispitivanja otapala ne pronađete zadovoljavajuće pojedinačno otapalo, upotrijebite par otapala. Otopite kristale u boljem otapalu (otapalu za koje je dokazano da otapa kristale), a zatim dodajte nepovoljnije otapalo u vruću otopinu dok se ne zamuti (otopina je zasićena otopljenom tvari). Parovi otapala moraju se međusobno miješati. Neki korisni parovi otapala su octena kiselina - voda, etanol - voda, dioksan - voda, aceton - etanol, etanol - dietil eter, metanol - 2 -butanon, etil acetat - cikloheksan, aceton - ligroin, etil acetat - ligroin, dietil eter - ligroin, diklormetan - ligroin, toluen - ligroin.

   

   Korak 2. Otopite nečistoću

   Za izvođenje ovog postupka, spoj stavite u epruvetu. Velike kristale zdrobite štapićem za miješanje kako biste ubrzali otapanje. Dodavati otapalo kap po kap. Za odvajanje netopivih krutih nečistoća, upotrijebite višak otapala za otapanje otopine i filtrirajte krute nečistoće na sobnoj temperaturi (pogledajte postupak filtriranja u koraku 4), a zatim otapalo isparite. Prije zagrijavanja, umetnite drvo aplikatora u epruvetu kako biste izbjegli pregrijavanje (zagrijavanje otopine iznad vrelišta otopine, a da zapravo ne zavrije). Zrak zarobljen u drvu izaći će u jezgre, tako da otopina može još vri. Alternativno, upotrijebite perforirani porculanski čip za vrenje. Nakon što se uklone krute nečistoće i otapalo ispari, dodajte otapalo kap po kap uz miješanje kristala staklenom miješalicom i zagrijavanje epruvete u pari ili pijesku dok se spoj potpuno ne otopi s minimalnim otapalom.

   

   Korak 3. Uklonite boju otopine

   Preskočite ovaj korak ako je otopina bezbojna ili samo blago žuta. Ako je otopina obojena (kao rezultat stvaranja nusproizvoda velike molekulske mase u kemijskoj reakciji), dodajte višak otapala i aktivni ugljen (ugljik), te otopinu prokuhajte nekoliko minuta. Nečistoće u boji adsorbirat će se na površinu aktivnog ugljena zbog visokog stupnja mikroporoznosti. Odvojite ugljen koji već sadrži adsorbirane nečistoće filtriranjem, kako će biti objašnjeno u sljedećem koraku.

   

   Korak 4. Odvojite krute tvari filtriranjem

   Filtriranje se može izvršiti gravitacijskom filtracijom, dekantiranjem ili odvajanjem otopine pomoću pipete. Općenito, nemojte koristiti vakuumsko filtriranje jer će se otapalo tijekom procesa ohladiti pa će se proizvod kristalizirati u filtru.

   • Gravitacijska filtracija: ovo je metoda izbora za odvajanje finog ugljena, prašine, vlakna itd. Uzmite tri Erlenmeyerove tikvice zagrijane na vrućoj pari ili na vrućoj ploči: prva sadrži otopinu za filtriranje, druga sadrži nekoliko mililitara otapala i lijevak bez stabljika, dok treća sadrži nekoliko mililitara kristalizirajuće otopine koja se koristi za pranje. Postavite naborani filter papir (koji se koristi jer ne koristite vakuum) na lijevak bez stabljike (bez stabljike kako se zasićena otopina ne bi ohladila i začepila levak s kristalima) u drugu Erlenmeyerovu tikvicu. Otopinu koja se filtrira zakuhajte, uklonite je ručnikom, a zatim otopinu izlijte na filter papir. Dodati vrelo otapalo iz treće Erlenmeyerove tikvice kristalima nastalim na filtriranom papiru, a za ispiranje prve Erlenmeyerove tikvice koja sadrži filtriranu otopinu, perilicu dodati u filter papir. Višak otapala uklonite kuhanjem filtrirane otopine.
   • Dekantiranje: Ova se metoda koristi za velike krute nečistoće. Ulijte vruće otapalo, tako da se netopljive krutine ostave.
   • Odvajanje otapala pipetom: Ova metoda se koristi za male količine otopine ako je kruta nečistoća dovoljno velika. Umetnite pipetu s četvrtastim vrhom u dno epruvete (kružnog dna), a zatim odvojite tekućinu usisavajući je pipetom. Čvrste nečistoće će ostati iza.

   

   Korak 5. Kristalizirajte željeni spoj

   Ovaj korak se provodi pod pretpostavkom da su sve obojene i netopljive nečistoće odvojene odgovarajućim koracima opisanim gore. Višak otapala uklonite kuhanjem ili lagano strujećim zrakom. Počnite s otopinom koja je zasićena otopljenom tvari na vrelištu. Pustite da se polako ohladi na sobnu temperaturu. Kristalizacija će početi. U suprotnom, pokrenite postupak umetanjem kristala sjemena ili počnite u cijevi sa staklenom miješalicom na sučelju tekućina-zrak. Kad proces kristalizacije započne, nemojte ometati spremnik da biste stvorili velike kristale. Za sporo hlađenje (kako bi se omogućilo stvaranje većih kristala), spremnik možete izolirati pamukom ili papirnatim papirom. Veći kristali se lakše odvajaju od nečistoća. Kad se spremnik potpuno ohladi na sobnoj temperaturi, ohladite na ledu oko pet minuta kako biste povećali broj kristala.

   

   Korak 6. Uzmite i operite kristale

   Za izvođenje ovog postupka, odvojite kristale od ledeno hladnog otapala filtriranjem. Filtriranje se može provesti Hirschovim lijevkom, Buchnerovim lijevkom ili odvajanjem otapala pomoću pipete.

   • Filtriranje s Hirschovim lijevkom: Postavite Hirsh lijevak s neopranim filtrirnim papirom u dobro zatvorenu vakuumsku tikvicu. Stavite posudu s filterom na led kako bi se otapalo ohladilo. Navlažite filter papir otapalom za kristalizaciju. Spojite tikvicu na aspirator, uključite aspirator i pobrinite se da vakuum povuče filter papir u lijevak. Ulijte i stružite kristale u lijevak, te uklonite vakuum čim se tekućina odvoji od kristala. Upotrijebite nekoliko kapi ledeno hladnog otapala za ispiranje kristalizacijske tikvice i ulijte je u lijevak uz ponovno umetanje vakuuma, te uklonite vakuum čim se sva tekućina odvoji od kristala. Kristale operite nekoliko puta s ledeno hladnim otapalom kako biste uklonili preostale nečistoće. Kad završite s pranjem, ostavite vakuum da se osuši kristali.
   • Filtriranje pomoću Buchnerova lijevka: Stavite komad neočišćenog filtriranog papira na dno Buchnerova lijevka i navlažite ga otapalom. Pričvrstite lijevak za tikvicu s filterom pomoću gume ili sintetičkog kaučuka kako biste omogućili usisavanje vakuumom. Ulijte i sastružite kristale u lijevak, a zatim uklonite vakuum čim se tekućina odvoji u tikvicu i kristali ostanu na papiru. Isprati kristalizacijsku tikvicu ledeno hladnim otapalom, dodati opranim kristalima, ponovno postaviti vakuum i ukloniti kada se tekućina odvoji od kristala. Ponovite i operite onoliko kristala koliko je potrebno. Ostavite vakuum da se kristali osuše na kraju.
   • Operite pipetom, ova metoda se koristi za pranje kristala u malim količinama. Umetnite pipetu s četvrtastim vrhom u dno epruvete (zaobljeno dno) i odvojite tekućinu tako da ostane samo isprana kruta tvar.

   

   Korak 7. Osušeni oprani proizvod osušite

   Konačno sušenje malih količina kristaliziranog proizvoda može se postići istiskivanjem kristala između dva komada filtriranog papira i sušenjem na staklu za promatranje.

   Savjeti

   • Ako se koristi premalo otapala, kristalizacija može nastupiti prebrzo kada se otopina ohladi. Ako je kristalizacija prebrza, nečistoće se mogu zarobiti u kristalu, tako da se ne postiže svrha pročišćavanja kristalizacijom. S druge strane, ako se koristi previše otapala, kristalizacija se uopće neće dogoditi. Najbolje je ako dodate još malo otapala nakon što se zasiti na vrelištu. Pronalaženje prave ravnoteže zahtijeva praksu.
   • Kada pokušavate pronaći idealno otapalo kroz nekoliko pokusa, počnite prvo s otapalima s nižim vrelištem i s više hlapivih tvari jer se lakše odvajaju.
   • Možda je najvažniji korak pričekati da se vruća otopina polako ohladi i dopusti stvaranje kristala. Vrlo je važno biti strpljiv i ne dodirivati otopinu koja se hladi.
   • Ako se doda previše otapala pa nastane vrlo malo kristala, isparite dio otapala zagrijavanjem i ponovnim hlađenjem.