LEKCE 5
Krystalizace separace složek homogenních směsí -
krystalizace druhy krystalizace:
volná krystalizace rušená krystalizace frakční krystalizace krystalizace změnou složení rozpouštědla vykrývání
prasárničky
Volná krystalizace
pozvolné odpařování par rozpouštědla z
nasyceného roztoku při laboratorní teplotě
dlouhodobý proces (dny, týdny)
roztok se zakrývá obvykle filtračním papírem
(proti kontaminaci prachem)
výsledkem jsou obvykle velké, relativně
dobře vyvinuté krystaly
krystalizaci lze urychlit tzv. očkováním
(přidání malého krystalu téže látky)
urychlení odpařování lze realizovat
umístěním roztoku do exsikátoru s vhodným
sušidlem (vhodné pro malé objemy)
Rušená krystalizace
využívá se závislosti rozpustnosti na teplotě
(většina látek tuto závislost vykazuje)
za horka nasycený roztok se prudce zchladí
na nízkou teplotu (velký podíl látky
vykrystalizuje a oddělí se obvykle fitrací za
sníženého tlaku)
při prudkém chlazení vznikají velmi drobné
krystalky, které jsou však velmi čisté
(nedochází k zainkludování matečného
roztoku a nečistot)
zbylý roztok lze (po zahuštění) stejné
proceduře podrobit znovu, další frakce však
mají nižší čistotu
Rušená krystalizace
závislot rozpustnosti na teplotě lze nalézt v
tabulkách (buď jako jednotlivé hodnoty pro
konkrétní teploty nebo přímo s rovnicí
závislosti)
křivku rozpustnosti lze vytvořit např. v
Excelu nebo Originu (viz Chemická
informatika)
schopnost pracovat s těmito daty je stěžejní
jak pro přípravu do cvičení, tak i pro
vypracovávání protokolů a očekává se, že
studenti touto schopností již disponují
Krystalizace změnou složení rozpouštědla
založeno na přídavku třetí látky
využívá se rozdílné rozpustnosti v různě
polárních, ale mísitelných rozpouštědlech
(přídavek jiného rozpouštědla - typicky voda a
ethanol), příp. může být přidána látka, která se
pevně váže na rozpouštědlo
nebo se využívá tzv. vysolování (látka má s
rozpuštěnou látkou společný ion - např. z
roztoku Pb(NO3)2 lze přídavkem NaCl vyloučit
málo rozpustný PbCl2
jde-li o čistotu, látka se přidává za horka v
takovém množství, aby vznikl pouze zákal a ke
krystalizaci došlo až po ochlazení
Frakční krystalizace
používá se obvykle pro systémy s více
složkami, neboť je nelze oddělit od sebe v
jediném kroku
jedná se o využití předchozích kroků v po sobě
následujícím sledu, důležitá je znalosti systému
(rozpustnosti jednotlivých složek)
krystalizace se tedy provádí ve více krocích -
frakcionovaně:
zahuštění (platí pro zředěné roztoky)
ochlazení (a rekrystalizace podílů)
srážení
Vykrývání
jedná se o odstranění zbytků matečného louhu
(obsahuje nežádoucí nečistoty) z krystalů
zachycených na fritě či Büchnerově nálevce po filtraci
za sníženého tlaku
je samozřejmou součástí téměř všech preparativních
úloh
krystaly či sraženina se promývají malým množstvím
(obvykle vychlazeného) rozpouštědla
k tomuto postupu je nezbytně nutné perfektní
zvládnutí obsluhy aparatury (jinak je výtěžek velmi
rychle ztracen)
alternativou je použití kapaliny mísitelné s
rozpouštedlem, ale nerozpouštějící produkt
Destilace separace složek homogenních směsí - destilace typy destilace:
prostá destilace frakční destilace rektifikace destilace s vodní parou destilace za sníženého tlaku
prasárničky
Destilace
proces oddělování kapalných složek na základě
jejich rozdílné teploty varu (resp. těkavosti)
vznikající páry mají obvykle jiný poměr složek než
ve fázi kapalné (plynná fáze je bohatší na
těkavější složku)
vzniklé páry jsou odváděny do chladiče, kde
kondenzují a jímány jsou jako tzv. destilát
některé směsi snadno oddělit nelze - tvoří tzv.
azeotropy (směs s maximální či minimalní
teplotou varu, neideálně chovající se kapaliny)
v diagramu udává spodní křivka složení kapaliny
a horní křivka složení par (a tím i složení
destilátu)
Destilace
Fázový diagram azeotropické směsi s
maximem teploty varu (voda - HNO3)
Fázový diagram azeotropické směsi s
minimem teploty varu (CS2 - (CH3)2CO)
Jednoduchá (prostá) destilace
teploty varů jednotlivých složek by se
měly výrazně lišit (ideálně více než o
150 °C)
u látek s teplotou varu nižší než 40 °C
jsou citelné ztráty odpařováním
látky s teplotou varu vyšší než 150 °C se
často rozkládají (vhodná spíše destilace
za sníženého tlaku)
chlazení par s teplotou vyšší než 160 °C
je vhodné pomocí vzdušného chladiče
Liebigův chladič s destilačním
nástavcem a alonží je dodáván i v
jednom kuse
destilační baňka
alonž předloha
sestupný chladič
destilační nástavec
teploměr
přívod vody
odvod vody
Destilace za sníženého tlaku
obdobné destilaci prosté, na alonž je
připojen zdroj vakua
vhodné pro látky, rozkládající se pod
nebo při teplotě varu
zásadně baňky s kulatým dnem a
Claisenův nástavec (kapilára zajišťující
tlakový spád a ochrana proti utajenému
varu)
důležitá je těsnost zábrusů a kontrola
vybavení (u poškozeného skla riziko
imploze)
Frakční destilace
destilace, při níž jsou zachycovány
jednotlivé podíly (min. předkap, hlavní
podíl a dokap)
jednotlivé frakce lze podrobit další
destilaci a frakcionaci (zdlouhavé)
výhodnější je provedení této opakované
frakcionace v rámci jedné aparatury
(použití destilačních kolon) - tzv.
rektifikace
Rektifikace (kontinuální destilace)
v koloně dochází k opakovanému procesu
kondenzace a odpaření
část par s vyšším obsahem těkavější ze
složek v koloně kondenzuje, při stékání je
znovu zahřáta a vzniklá plynná fáze je
bohatší na těkavější složku než předchozí
v koloně se ustavuje tzv. stacionární stav
(v horní části kolony se hromadí těkavější
složka)
v horní části kolony lze odebírat téměř
čistou těkavější složku
hlava kolony
destilační kolona
Rektifikace - typy kolon
kolona umožňuje mnohonásobné opakování
procesu odpařování a kondenzace směsi
dle konstrukce se dělí na:
kolony se stékajícím filmem (s násypnou
náplní, vpichové apod. - viz předchozí obr.) -
dochází k plynulému styku stékající vrstvy
kondenzátu se stoupající parou
kolony patrové (provarové) - ke styku par a
kondezátu dochází jen na jednotlivých
patrech
dělicí účinnost destilačních kolon vyjadřuje počet
teoretických pater, refluxní poměr vyjadřuje
poměr látkového množství reflux / destilát
Destilace s vodní parou
využívá se k destilaci tepelně labilních látek s vysokou teplotou varu,
nemísitelných s vodou
každá z nemísitelných kapalin přispívá svým parciálním tlakem - bod varu je nižší
Extrakce
extrakce je založena na vyšší
rozpustnosti jedné ze složek směsi ve
vhodném rozpouštědle (extrahovadle)
extrahovadlo se nesmí se směsí mísit
existuje řada typů extrakcí s historicky
vžitými pojmy (macerace, digesce,
perkolace apod.)
velmi běžně se používá tzv. vytřepávání
(lze provádět jednou dávkou
rozpouštědla a nebo frakčně)
po extrakci lze vyextrahovanou látku
oddělit např. destilací (v případě
kapaliny)
Soxhletův extraktor
podstatou je provádění extrakce
regenerovaným rozpouštedlem
čerstvě předestilované rozpouštědlo
extrahuje látku umístěnou v patroně,
po naplnění extrakčního prostoru
roztok steče do baňky
z baňky se oddestilová opět pouze čisté
rozpouštědlo, které po kondenzaci v
chladiči stéká do extrakčního nástavce a
proces se opakuje
Sublimace
jedna ze základních metod čištění a separace
obvykle menší ztráty než při krystalizaci
nutno provádět za tlaku nižšího, než odpovídá
tlaku trojného bodu dané látky (pouze za
těchto tlaků je možnost přímého přechodu s →
g)
za normálního tlaku lze tedy sublimovat pouze
látky, které mají pT vyšší než atmosferický
i pro tyto látky má však snížení tlaku význam -
sublimaci lze provádět při nižší teplotě (důležité
i s ohledem na stabilitu látek)
čím větší je rozdíl teplot, tím menší krystalky při
sublimaci vznikají
Sublimace za normálního tlaku
pro malá množství sublimované látky jsou
nejjednodušší alternativou dvě hodinová skla
(ideálně zabroušená)
shora lze sklo chladit navlhčeným fltračním papírem
opadávání látky je možno zabránit vložením
perforovaného filtračního papíru
podobně lze použít i misku a nálevku
další alternativou je kádinka (nízká) zakrytá baňkou
s kulatým dnem (naplněná vodou, příp. ledem)
zahřívání přes keramickou síťku mírným plamenem
aparatura se rozebírá až po vychladnutí (!!!)
Sublimace vakuová
sublimace za sníženého tlaku
sublimační aparátek se umísťuje do
vodní nebo silikonové lázně
baňka je připojena na zdroj vakua
(olejová vývěva)
sublimační prst je chlazen vodou
(přívod ústí na dno sublimačního prstu)
při vyjímání sublimačního prstu je třeba
prst vyjímat opatrně, aby
nasublimovaná látka neopadala
lze použít zkumavku z těžkotavitelného
skla a kahan či pec