Рекристаллизация (химия)
 | Эта статья нуждается в дополнительных цитатах для проверки . ( октябрь 2009 г. ) |
В химии перекристаллизация — это метод очистки химических веществ. Растворяя смесь соединения и примесей в подходящем растворителе, либо желаемое соединение, либо примеси можно удалить из раствора, оставив другие. Он назван в честь кристаллов, которые часто образуются при выпадении соединения. Альтернативно, рекристаллизация может относиться к естественному росту более крупных кристаллов льда за счет более мелких.
Химия
[ редактировать ]В химии рекристаллизация [1] : 127–132 это процедура очистки соединений . Наиболее типичная ситуация состоит в том, что желаемое «соединение А» загрязнено небольшим количеством «примеси Б». Можно использовать различные методы очистки (см. Процесс разделения ), одним из которых является перекристаллизация. Также можно использовать различные методы рекристаллизации, такие как:
Рекристаллизация в одном растворителе
[ редактировать ]Обычно смесь «соединения А» и «примеси Б» растворяют в наименьшем количестве горячего растворителя, чтобы полностью растворить смесь, образуя таким образом насыщенный раствор . Затем раствору дают остыть. По мере охлаждения раствора растворимость соединений в растворе падает. Это приводит к выпадению (перекристаллизации) желаемого соединения из раствора. Чем медленнее скорость охлаждения, тем крупнее образуются кристаллы.
В идеальной ситуации произведение растворимости примеси B не превышается ни при какой температуре. В этом случае твердые кристаллы будут состоять из чистого А, а все примеси останутся в растворе. Твердые кристаллы собирают фильтрованием и фильтрат отбрасывают. Если произведение растворимости примеси превышено, некоторые примеси выпадут в соосаждение. Однако из-за относительно низкой концентрации примеси ее концентрация в выпавших кристаллах будет меньше ее концентрации в исходном твердом веществе. Повторная перекристаллизация приведет к образованию еще более чистого кристаллического осадка. Чистоту проверяют после каждой перекристаллизации путем измерения температуры плавления, поскольку примеси понижают температуру плавления . ЯМР-спектроскопию также можно использовать для проверки уровня примесей. Повторная перекристаллизация приводит к некоторой потере материала из-за ненулевой растворимости соединения А.
Процесс кристаллизации требует начального этапа, такого как добавление «затравочного» кристалла. В лаборатории крошечный фрагмент стекла, полученный путем царапин на стенке стеклянного сосуда для рекристаллизации, может стать зародышем, на котором могут расти кристаллы. Успешная перекристаллизация зависит от выбора правильного растворителя. Обычно это комбинация прогноза/опыта и проб/ошибок. Соединения должны быть более растворимы при более высоких температурах, чем при более низких температурах. Любые нерастворимые примеси удаляются методом горячей фильтрации .
Рекристаллизация с использованием нескольких растворителей
[ редактировать ]Этот метод аналогичен описанному выше, но в нем используются два (или более) растворителя. Это зависит от того, что как «соединение А», так и «примесь B» растворимы в первом растворителе. Медленно добавляют второй растворитель. Либо «соединение А», либо «примесь В» будут нерастворимы в этом растворителе и выпадут в осадок, в то время как другое соединение «А»/«примесь В» останется в растворе. Таким образом, соотношение первого и второго растворителей имеет решающее значение. Обычно второй растворитель добавляют медленно до тех пор, пока одно из соединений не начнет кристаллизоваться из раствора, а затем раствор охлаждают. Для этого метода нагревание не требуется, но его можно использовать.
Обратный метод можно использовать, когда смесь растворителей растворяет и А, и В. Затем один из растворителей удаляют перегонкой или с помощью вакуума. Это приводит к изменению пропорций растворителя, вызывая осаждение либо «соединения А», либо «примеси Б».
Горячая фильтрация-перекристаллизация
[ редактировать ]Горячая фильтрация [1] : 74 может использоваться для отделения «соединения А» как от «примеси Б», так и от некоторого «нерастворимого вещества С». В этом методе обычно используется система с одним растворителем, как описано выше. Когда и «соединение А», и «примесь В» растворяются в минимальном количестве горячего растворителя, раствор фильтруют для удаления «нерастворимого вещества С». Это вещество может быть чем угодно: от третьей примеси до осколков битого стекла. Для успешной процедуры необходимо убедиться, что фильтрационный аппарат горячий, чтобы растворенные соединения не кристаллизовались из раствора во время фильтрации и не образовывали кристаллы на фильтровальной бумаге или воронке.
Один из способов добиться этого — нагреть коническую колбу, содержащую небольшое количество чистого растворителя, на горячей плите. Фильтрующая воронка опирается на рот, а горячие пары растворителя сохраняют ножку в тепле. Также можно использовать фильтрующие воронки с рубашкой. Фильтровальная бумага предпочтительно имеет рифленую форму, а не сложена вчетверо; это обеспечивает более быструю фильтрацию и, следовательно, меньшую возможность охлаждения и кристаллизации желаемого соединения из раствора.
Часто проще фильтрацию и перекристаллизацию проводить как две независимые и отдельные стадии. То есть растворите «соединение А» и «примесь Б» в подходящем растворителе при комнатной температуре, отфильтруйте (для удаления нерастворимого соединения/стекла), удалите растворитель и затем перекристаллизуйте, используя любой из методов, перечисленных выше.
Посев
[ редактировать ]Кристаллизация требует стадии инициирования. Это может происходить спонтанно или путем добавления небольшого количества чистого соединения ( затравочного кристалла ). [1] в насыщенный раствор, или это можно сделать, просто поцарапав поверхность стекла, чтобы создать затравочную поверхность для роста кристаллов . Считается, что даже частицы пыли могут действовать как простые семена.
Одиночные совершенные кристаллы (для рентгеноструктурного анализа)
[ редактировать ]Выращивание кристаллов для рентгеновской кристаллографии может оказаться весьма сложной задачей. Для рентгеноструктурного анализа необходимы одиночные совершенные кристаллы. Обычно используется небольшое количество (5–100 мг) чистого соединения, а кристаллам дают расти очень медленно. Для выращивания этих идеальных кристаллов можно использовать несколько методов:
- Медленное испарение одного растворителя – обычно соединение растворяют в подходящем растворителе и растворителю дают медленно испаряться. После насыщения раствора могут образовываться кристаллы.
- Медленное испарение системы с несколькими растворителями – то же, что описано выше, однако состав растворителя изменяется из-за испарения более летучего растворителя. Соединение более растворимо в летучем растворителе, поэтому соединение становится все более нерастворимым в растворе и кристаллизуется.
- Медленная диффузия – аналогично описанному выше. Однако второму растворителю позволяют испариться из одного контейнера в контейнер, содержащий раствор соединения (диффузия газа). Поскольку состав растворителя изменяется из-за увеличения количества растворителя, газ которого диффундирует в раствор, соединение становится все более нерастворимым в растворе и кристаллизуется.
- Интерфейс/медленное смешивание (часто выполняется в пробирке ЯМР ). Аналогично вышеописанному, но вместо диффузии газа одного растворителя в другой, два растворителя смешиваются (диффундируют) за счет диффузии жидкость-жидкость. Обычно второй растворитель осторожно «наслаивают» поверх раствора, содержащего соединение. Со временем два раствора смешиваются. Поскольку состав растворителя изменяется в результате диффузии, соединение становится все более нерастворимым в растворе и кристаллизуется, обычно на границе раздела фаз. Кроме того, лучше использовать более плотный растворитель в качестве нижнего слоя и/или более горячий растворитель в качестве верхнего слоя, поскольку это приводит к более медленному смешиванию растворителей.
- Для выполнения вышеизложенного можно использовать специальное оборудование в форме буквы «Н», где одна из вертикальных линий буквы «Н» представляет собой пробирку, содержащую раствор соединения, а другая вертикальная линия буквы «Н» представляет собой пробирку, содержащую раствор соединения. трубка, содержащая растворитель, в котором соединение не растворяется, а горизонтальная линия буквы «H» представляет собой трубку, соединяющую две вертикальные трубки, которая также имеет мелкозернистый стеклянный спеченный материал, ограничивающий смешивание двух растворителей.
- После получения отдельных совершенных кристаллов рекомендуется хранить их в герметично закрытом сосуде с небольшим количеством кристаллизационной жидкости, чтобы предотвратить «высыхание» кристаллов. растворитель кристаллизации Одиночные совершенные кристаллы могут содержать в кристаллической решетке . Потеря этого внутреннего растворителя из кристаллов может привести к разрушению кристаллической решетки и превращению кристаллов в порошок.
Лед
[ редактировать ]Для льда рекристаллизация означает рост более крупных кристаллов за счет более мелких. некоторые биологические белки-антифризы ингибируют этот процесс, и этот эффект может иметь значение для организмов, устойчивых к замораживанию. Было показано, что [2]
См. также
[ редактировать ]- Трубка Крейга — аппарат для мелкомасштабной рекристаллизации.
- Кристаллическая структура
- Кристаллизация
- Фракционная кристаллизация (химия)
- Рост пьедестала с лазерным нагревом
- Затравочный кристалл
- Монокристалл
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Jump up to: а б с Харвуд, Лоуренс М.; Муди, Кристофер Дж. (1 января 1990 г.). Экспериментальная органическая химия: принципы и практика (Иллюстрированное издание). Научные публикации Блэквелла. ISBN 978-0-632-02016-4 . LCCN 88007680 . OCLC 18816225 . ОЛ 2032038М . Викиданные Q107313989 . Проверено 22 июня 2021 г. - из Интернет-архива .
- ^ Кумар Верма, Ашок (2014). «Рекристаллизация льда» . Энциклопедия снега, льда и ледников . Серия Энциклопедия наук о Земле. п. 932. дои : 10.1007/978-90-481-2642-2_439 . ISBN 978-90-481-2641-5 .
Справочники
[ редактировать ]- Лоуренс М. Харвуд; Кристофер Дж. Муди; Джонатан М. Перси (1999). Экспериментальная органическая химия: стандартная и микромасштабная . Уайли. ISBN 9780632048199 .
- Джон Леонард; Б. Лиго; Гарри Проктер (2 июня 1994 г.). Передовая практическая органическая химия . ЦРК Пресс. ISBN 9780748740710 .
