Kako kristalizirati organska jedinjenja: 11 koraka (sa slikama)

2024 Autor: Jason Gerald | [email protected]. Zadnja izmjena: 2023-12-16 10:58

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, kristalizacija otopine, izoliranje filtracijom, ispiranje njegove površine hladnim otapalom radi uklanjanja zaostalih nečistoća i sušenje.

Ovaj postupak najbolje je izvesti u kontroliranoj kemijskoj laboratoriji, 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

Zapamtite izraz "slično se rastvara poput" ili Similia similibus solvuntur, što znači da se tvari slične strukture rastvaraju 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:

  • Topivi spojevi su vrući, ali se ne otapaju kada su hladni.
  • Ne otapajući nikakve nečistoće (tako da se mogu filtrirati kada se otopi nečist spoj), ili otapanje svih nečistoća (tako da ostanu u otopini kada se željeni spoj kristalizira).
  • Ne reagira sa spojevima.
  • Ne može se zapaliti.
  • Otrovno.
  • Jeftino.
  • Vrlo isparljivo (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 sljedećom listom 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 su podebljana.

  • Voda (H₂O) je nezapaljivo, netoksično otapalo i otapa mnoga polarna organska jedinjenja. Nedostatak je visoka temperatura ključanja (100 stepeni Celzijusa), zbog čega je relativno nehlapiv 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 stepeni Celzijusa).
  • Dimetil sulfoksid (DMSO), metil sulfoksid (CH₃SOCH₃) uglavnom se koristi kao otapalo za reakcije, rijetko za kristalizaciju. Ova tvar ključa na 189 stepeni Celzijusa i teško ju je odvojiti.
  • Metanol (CH₃OH) je korisno otapalo za otapanje različitih spojeva s većim polaritetom od drugih alkohola. Tačka ključanja: 65 stepeni Celzijusa. C.
  • Aceton (CH3COCH3) je vrlo dobro otapalo, nedostatak je što ima nisku tačku ključanja od 56 stepeni Celzijusa, pa je razlika u temperaturi mala u rastvorljivosti spoja na tački ključanja i na sobnoj temperaturi.
  • 2-Butanon, metil etil keton, MEK (CH₃COCH₂CH₃) je savršeno otapalo sa tačkom ključanja od 80 stepeni Celzijusa.
  • Etil acetat (CH₃COOC₂H₅) je savršeno otapalo sa tačkom ključanja od 78 stepeni Celzijusa.
  • Diklormetan, metilen klorid (CH₂Cl₂) koristan kao partner otapala s ligroinom, ali njegova vrelišta od samo 35 stupnjeva Celzijusa suviše su niska da bi se napravilo dobro otapalo za kristalizaciju. Kako god. tačka mržnjenja mu je -78 stepeni Celzijusa. korištenje sapuna od leda ili acetona,
  • Dietil eter (CH₃CH₂OCH₂CH₃) koristan 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 više tačke ključanja, 52 stepena Celzijusa.
  • Dioksan (C.₄H₈O₂) je tvar koja se lako odvaja od kristala, blagi je kancerogen, stvara perokside i ima tačku ključanja 101 stepen Celzijusa.
  • Toluen (C.₆H₅CH₃) je dobro otapalo za kristalizaciju arilnih spojeva i zamijenilo je prethodno najčešće korištene spojeve benzena (slabi kancerogeni). Nedostatak je visoka temperatura ključanja, 111 stepeni Celzijusa, što otežava odvajanje od kristala.
  • Pentan (C.₅H₁₂) Široko se koristi za nepolarna jedinjenja, često kao otapalo za uparivanje s drugim otapalima. Njegova niska tačka ključanja znači da je ovo otapalo korisnije kada se koristi zajedno sa ledom ili acetonom.
  • Heksan (C.₆H₁₄) koristi se za nepolarna jedinjenja, inertan, često se koristi kao par otapala, tačka ključanja 69 stepeni Celzijusa.
  • Cikloheksan (C.₆H₁₂) slično heksanu, ali jeftinije i ima tačku ključanja od 81 stepen Celzijusa.
  • Naftni eter je zasićena smjesa ugljikovodika čija je glavna komponenta pentan, jeftina je i može se koristiti naizmjenično s pentanom. Tačka ključanja je 30-60 stepeni Celzijusa.

  • Ligroin je zasićena smjesa ugljikovodika koja ima svojstva heksana.

    Koraci za odabir otapala:

1. Stavite malu količinu kristala nečistoće u epruvetu i dodajte po jednu kap svakog otapala, tako da može otjecati sa strane epruvete.
2. Ako se kristali u epruveti odmah otope 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 vrućoj pješčanoj kupelji i promatrajte kristale. Dodajte još jednu kap otapala ako se kristali nisu otopili. Ako se kristali otope na tački ključanja otapala i ponovo kristaliziraju kada se ohlade na sobnu temperaturu, pronašli ste pravo otapalo. Ako ne, pokušajte s drugim otapalom.

4. Ako nakon procesa ispitivanja otapala nije nađeno zadovoljavajuće pojedinačno otapalo, upotrijebite par otapala. Rastvorite kristale u boljem otapalu (otapalu za koje je dokazano da otapa kristale), a zatim dodajte nepovoljnije otapalo u vruću otopinu dok ne postane mutna (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, dihlormetan - ligroin, toluen - ligroin.

   

   Korak 2. Rastvorite nečistoću

   Da biste izvršili ovaj postupak, stavite spoj u epruvetu. Velike kristale zdrobite štapom za miješanje kako biste ubrzali otapanje. Dodajte otapalo kap po kap. Za odvajanje nerastvorljivih čvrstih 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 tačke ključanja otopine bez da vri). Zrak koji je zarobljen u drvetu izaći će u jezgre tako da otopina može još vri. Alternativno, upotrijebite perforirani porculanski čips. Nakon što se uklone čvrste 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) i otopinu prokuhajte nekoliko minuta. Obojene nečistoće će se adsorbirati 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 u tom procesu ohladiti pa će se proizvod kristalizirati u filtru.

   • Gravitacijska filtracija: ovo je metoda izbora za odvajanje sitnog ugljena, prašine, vlakna itd. Uzmite tri Erlenmayerove 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. Stavite 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 Erlenmayerovu tikvicu. Otopinu koja se filtrira prokuhajte, uklonite je ručnikom, pa otopinu izlijte na filter papir. Dodajte kiselo otapalo iz treće Erlenmayerove tikvice u kristale nastale na filtriranom papiru, a za ispiranje prve Erlenmayerove tikvice koja sadrži filtriranu otopinu dodajte perilicu u filter papir. Uklonite višak otapala kuhanjem filtrirane otopine.
   • Dekantiranje: Ova metoda se koristi za velike čvrste nečistoće. Sipajte vrući rastvarač, tako da se nerastvorne čvrste materije ostave iza sebe.
   • Odvajanje rastvarača pipetom: Ova metoda se koristi za male količine rastvora ako je čvrsta nečistoća dovoljno velika. Umetnite pipetu s kvadratnim vrhom u dno epruvete (kružnog dna), a zatim odvojite tekućinu usisavajući je pipetom. Čvrste nečistoće će ostati iza.

   

   Korak 5. Kristalizirajte željeno jedinjenje

   Ovaj korak se izvodi pod pretpostavkom da su sve obojene i netopljive nečistoće odvojene odgovarajućim koracima opisanim gore. Uklonite sav višak otapala kuhanjem ili lagano protočnim zrakom. Počnite s otopinom koja je zasićena otopljenom tvari na tački ključanja. 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. Kada proces kristalizacije započne, nemojte ometati posudu da biste formirali velike kristale. Za sporo hlađenje (kako biste omogućili stvaranje većih kristala), spremnik možete izolirati pamukom ili papirnatim papirom. Veći kristali se lakše odvajaju od nečistoća. Kada se posuda potpuno ohladi na sobnoj temperaturi, ohladite na ledu oko pet minuta kako biste povećali broj kristala.

   

   Korak 6. Uzmite i operite kristale

   Da biste izveli ovaj postupak, odvojite kristale od ledeno hladnog otapala filtriranjem. Filtriranje se može izvesti Hirschovim lijevkom, Buchnerovim lijevkom ili odvajanjem otapala pomoću pipete.

   • Filtriranje s Hirschovim lijevkom: Postavite Hirsh lijevak s neočišćenim filter papirom u dobro zatvorenu vakuumsku tikvicu. Stavite posudu s filterom na led kako bi se otapalo ohladilo. Navlažite filter papir otapalom za kristalizaciju. Spojite bočicu na aspirator, uključite aspirator i pobrinite se da vakuum povuče filter papir u lijevak. Ulijte i sastružite kristale u lijevak i 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. Operite kristale nekoliko puta ledeno hladnim otapalom kako biste uklonili preostale nečistoće. Kada završite sa pranjem, ostavite usisavač da se osuši kristali.
   • Filtriranje pomoću Buchnerovog lijevka: Stavite komad neočišćenog filter papira na dno Buchnerova lijevka i navlažite ga otapalom. Pričvrstite lijevak na filter bocu gumenom ili sintetičkom gumenom spojnicom 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. Isperite tikvicu za kristalizaciju ledeno hladnim rastvaračem, dodajte opranim kristalima, ponovo instalirajte vakuum i uklonite kada se tečnost 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 kvadratnim vrhom u dno epruvete (zaobljeno dno) i odvojite tekućinu tako da ostane samo isprana čvrsta 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 svrha pročišćavanja kristalizacijom ne postiže. S druge strane, ako se koristi previše otapala, kristalizacija možda neće uopće doći. Najbolje je ako dodate još malo otapala nakon što se zasiti na tački ključanja. Pronalaženje prave ravnoteže zahtijeva praksu.
   • Kada pokušavate pronaći idealno otapalo kroz nekoliko eksperimenata, 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 pusti da se formiraju kristali. Vrlo je važno biti strpljiv i ne dodirivati otopinu koja se hladi.
   • Ako se doda previše otapala tako da nastane vrlo malo kristala, isparite dio otapala zagrijavanjem i ponovnim hlađenjem.