Фильтрование и центрифугирование

Фильтрование. Простейшим способом отделения жидкости от находящихся в ней частиц твердого вещества является декантация, т. е. сливание жидкости с отстоявшегося осадка. Однако с помощью декантации трудно отделить полностью жидкую фазу от твердой. Это достигается фильтрованием — пропусканием жидкости с осадком через фильтрующий материал. Существуют различные фильтрующие материалы и различные способы фильтрования.

Наиболее распространенным фильтрующим материалом в лаборатории является фильтровальная бумага. Из нее изготавливают бумажные фильтры. Размер фильтра определяется массой осадка, а не объемом фильтруемой жидкости. Отфильтрованный осадок должен занимать не более половины объема фильтра. Перед началом работы фильтр смачивают тем растворителем, который предстоит фильтровать. Во время фильтрования уровень жидкости должен быть немного ниже верхнего края бумажного фильтра.

Простой фильтр изготавливают из квадратного кусочка фильтровальной бумаги, как это показано на рис. 20, а. Фильтр должен плотно прилегать к внутренней поверхности стеклянной воронки.

Складчатый фильтр имеет большую фильтрующую поверхность, и фильтрование через него идет быстрее. При его изготовлении сложенный вдвое простой фильтр складывают гармошкой, которую затем разворачивают (рис. 20, б).

Если в растворе содержатся сильные кислоты или другие агрессивные вещества, разрушающие бумагу, для фильтрования используют стеклянные тигли с пористым стеклянным дном или стеклянные воронки с впаянными в них пористыми стеклянными пластинками (рис. 20, в—д). Стеклянные фильтры в соответствии с размером пор имеют четыре номера (маркировка сделана на самом фильтре). Чем больше номер фильтра, тем меньше сечение пор и тем более мелкие осадки можно на нем фильтровать.

Рис. 20. Фильтры а— изготовление простого фильтра; б—изготовление складчатого фильтра; в—фильтрующий тигель со стеклянной пористой пластинкой; г, д—воронки со стеклянной пористой пластинкой

Простое фильтрование — это обычный способ фильтрования через бумажный фильтр с использованием стеклянной воронки (рис. 21).

Рис. 21. Простое фильтрование

Воронку вставляют в кольцо, под нее ставят стакан или плоскодонную колбу для сбора отфильтрованной жидкости (фильтрата). Носик воронки должен быть немного опущен в приемник и касаться его стенки. Фильтруемую жидкость переносят на фильтр по стеклянной палочке.

Фильтрование в вакууме используют для ускорения и более полного отделения осадка от фильтрата. Иногда этот процесс называют отсасыванием. Обычный прибор для фильтрования в вакууме показан на рисунке 22,а. В плоскодонную толстостенную колбу Бунзена с помощью резиновой пробки вставлена фарфоровая воронка Бюхнера, имеющая плоскую дырчатую перегородку, на которую кладут бумажный фильтр. Фильтр вырезают по размеру дна воронки. Вакуум создают водоструйным насосом. При ослаблении напора в водопроводной сети вода из насоса может попасть в прибор. Во избежание этого устанавливают предохранительную склянку.

При проведении фильтрования в вакууме соблюдается определенная последовательность операций. Вначале подключают водоструйный насос и присоединяют его к системе. Затем смачивают фильтр небольшим количеством того растворителя, который предполагается фильтровать. Если при фильтровании возникает свистящий звук, то это указывает на неплотно прилегающий или прорвавшийся фильтр. В этом случае фильтр заменяют. Собранный на фильтре осадок отжимают стеклянной пробкой, пока из воронки не перестанет капать маточный раствор.

Если осадок на воронке Бюхнера требуется промыть, то сначала соединяют колбу Бунзена с атмосферой (это удобно делать с помощью трехходового крана), затем осадок пропитывают промывающей жидкостью и фильтруют, вновь подключив вакуум. После окончания фильтрования сначала отключают всю систему от вакуума и лишь после этого выключают водоструйный насос.

Для фильтрования в вакууме небольших количеств веществ применяют прибор на шлифах со стеклянным фильтром (рис. 22,6) или воронку со стеклянным гвоздиком (рис. 22, в). На шляпку гвоздика кладут бумажный фильтр несколько большего диаметра, чем размер шляпки.

Рис. 22. Фильтрование в вакууме: а—обычный прибор (1 — колба Бунзена; 2 — воронка Бюхнера; 3—бумажный фильтр; 4—предохранительная склянка; 5— водопроводный кран; 6—водоструйный насос; 7— трехходовой кран); б—прибор для фильтрования на шлифах; в—прибор для фильтрования на воронке с гвоздиком

Горячее фильтрование используют для повышения скорости фильтрования. Горячие растворы фильтруются быстрее, чем холодные, так как нагретая жидкость имеет меньшую вязкость. Горячее фильтрование проводят в стеклянных воронках, обогреваемых снаружи тем или иным способом (рис. 23).

Простейший способ, наиболее применимый для фильтрования водных растворов, состоит в использовании воронки с укороченным хвостом, которую помещают в стакан без носика с диаметром несколько меньшим, чем верхний край воронки. На дно стакана наливают немного воды, а воронку закрывают часовым стеклом. Воду в стакане доводят до кипения. Когда пары воды нагреют воронку, часовое стекло снимают и в воронку наливают горячую фильтруемую смесь. В течение всего процесса фильтрования раствор в стакане поддерживают в состоянии слабого кипения.

Рис.23.Горячее фильтрование: 1—часовое стекло; 2—фильтр; 3—воронка; 4— стакан; 5— электроплитка; 6—обогревающий кожух; 7—змеевик

Часто используют также устройство для горячего фильтрования, которое состоит из полого металлического кожуха с отводом и вставленной в него стеклянной воронки с бумажным фильтром (рис. 23). Кожух заполняют водой и с помощью горелки доводят воду до кипения. Затем проводят фильтрование.

● При работе с ЛВЖ горелку нужно предварительно выключить

Внешний нагреваемый кожух может представлять собой змеевик (рис. 23), обогреваемый водой или паром. Подогрев воронки может быть и электрическим.

Центрифугирование. Этот метод пригоден для отделения аморфных рыхлых осадков и незаменим для удаления остатков клеточных стенок при работе с растительным или животным сырьем.

Центрифуга представляет собой прибор, в котором используется принцип центробежных сил. Ротор центрифуги насажен на вертикальный вал электромотора и снабжен гнездами для пробирок, в которые помещают подлежащую центрифугированию взвесь. При быстром вращении ротора происходит оседание взвешенных частиц (седиментация) и их уплотнение в виде осадка на дне центрифужной пробирки.

Независимо от числа гнезд в роторе (а оно всегда бывает четным) работу проводят только с четным числом пробирок. Перед началом работы пробирки с содержимым уравновешивают на центрифужных или технических весах. После грубого уравновешивания всех пробирок проводят попарное точное уравновешивание. Взаимно уравновешенные пробирки устанавливают в роторе друг против друга. Центрифужные пробирки нельзя наполнять более чем на две трети объема.

● Категорически запрещается центрифугировать неуравновешенные пробирки или нечетное их число.

Скорость и продолжительность центрифугирования зависят от характера отделяемого осадка и обычно подбираются экспериментально. Кристаллические осадки оседают быстро, а для осаждения тонкой взвеси требуется значительно большая скорость вращения и длительное время.

После центрифугирования надосадочную жидкость (супернатант) отделяют либо декантацией (если осадок плотный), либо с помощью пипетки (если осадок рыхлый). Для промывания осадка в пробирку наливают промывную жидкость, осадок взмучивают и центрифугирование повторяют.

Высушивание

Под высушиванием обычно понимают удаление воды, хотя в более широком смысле это и удаление остатков органических растворителей из твердых веществ. Высушиванию подвергают газы, жидкости и твердые вещества. Высушивание можно осуществлять с помощью физических или химических способов.

Физическими способами высушивают путем пропускания через высушиваемое вещество сухого газа (воздуха), нагревания или выдерживания его в вакууме, охлаждения (вымораживания), дробной перегонки, азеотропной перегонки и т. д.

Химические высушивающие средства можно подразделить на вещества, образующие с водой гидраты (серная кислота, хлорид кальция, сульфаты меди, кальция, магния, натрия), и вещества, реагирующие с водой с образованием других соединений (оксид фосфора(V), оксид кальция, металлический натрий, магний, гидрид кальция и др.).

При выборе высушивающих средств необходимо руководствоваться правилом, что осушитель не должен реагировать с осушаемым веществом. Так, применение концентрированной серной кислоты ограничено из-за ее взаимодействия со многими органическими веществами (аминами, спиртами и др.), щелочи нельзя использовать для высушивания веществ кислотного характера. Один из наиболее распространенных осушителей безводный хлорид кальция — способен образовывать комплексные соединения с такими веществами, как спирты, амины, аминокислоты, амиды. Осушитель для веществ неизвестного строения следует выбирать с большой осторожностью.

Наиболее употребляемые осушители и классы органических соединений, для которых они применимы, представлены в табл. 3.

Таблица 3. Осушители, рекомендуемые для различных классов органических веществ

Высушиваемые вещества	Осушители
Алканы, циклоалканы, арены, простые эфиры	СаСl2, Nа2SО4, МgSО4, Na, СаН2
Галогеноалканы и галогеноарены	СаСl2, Nа2SО4, МgSО4
Спирты	К2СO3, Nа2SО4, МgSО4, CaO, Mg, СаН2
Альдегиды и кетоны	Nа2SО4, МgSО4
Органические основания	К2СO3, NаOH, KOH
Органические кислоты	Nа2SО4, МgSО4

При использовании осушителей, образующих с водой гидраты, нужно учитывать, что гидраты некоторых солей сравнительно слабо удерживают кристаллизационную воду. В этом случае очень важно знать, при какой температуре происходит высушивание.

Осушители, химически реагирующие с водой, как правило, более эффективны, потому что такое взаимодействие обычно представляет собой необратимую реакцию. Поэтому для наиболее полного обезвоживания, так называемого абсолютирования, органических растворителей применяют осушители именно этой группы. Так, продажный спирт-ректификат содержит 95,6% этанола и 4,4% воды. Кипячением со свежепрокаленным оксидом кальция можно получить абсолютный спирт (99,5% этанола). Для получения совершенно безводного этанола (99,95%) абсолютный спирт подвергают воздействию металлического магния или натрия.

Высушивание газов. Газы сушат путем пропускания их либо через слой водопоглощающей жидкости (обычно через концентрированную серную кислоту), налитой в промывную склянку Дрекселя (рис. 24, а), либо через слой гранулированного осушителя, помещенного в специальную колонку (рис. 24,б) или U-образную трубку (рис. 24, в). Наиболее эффективными осушителями адсорбционного типа являются оксид алюминия и оксид кремния (силикагель). Преимущество адсорбентов состоит в том, что они химически нейтральны, не расплываются при насыщении водой, легко регенерируются при нагревании.

Рис. 24. Высушивание газов: а—склянка Дрекселя; б—колонка с твердым осушителем; в — U -образная трубка; г, д, е — охлаждаемые ловушки (1—охлаждающая жидкость, 2— сосуд Дьюара)

В последние годы стали применяться молекулярные сита — гранулированные адсорбенты на основе алюмосиликатов, имеющие пористую поверхность с четко фиксированным размером пор. Они способны поглощать молекулы строго определенного размера. Молекулы, имеющие больший размер, чем размер пор используемого молекулярного сита, не сорбируются. Для удаления воды применяются молекулярные сита с размером пор 0,4 нм.

Сильное охлаждение является эффективным способом высушивания воздуха и газов. При пропускании тока газа через ловушку (рис. 24, г—е), охлаждаемую смесью ацетона с сухим льдом или жидким азотом, происходит вымораживание воды, которая осаждается на поверхности ловушки.

Высушивание жидкостей. Жидкость сушат с помощью непосредственного контакта с тем или иным осушителем. Например, твердый осушитель помешают в колбу, в которой находится высушиваемая органическая жидкость, или же высушиваемую жидкость пропускают через слой осушителя, помещенный в колонку. Следует учитывать, что применение слишком большого количества осушителя может привести к потере вещества в результате его сорбции. Жидкости можно сушить также путем дробной или азеотропной отгонки воды.

Из некоторых жидкостей, затвердевающих при плюсовых температурах (уксусная кислота, диоксан, диметилсульфоксид), воду можно удалить методом вымораживания. Например, уксусную кислоту, содержащую воду, охлаждают до температуры 0—5 °С. Уксусная кислота, температура плавления которой 16,6ºС затвердевает, а незастывшую воду отделяют декантацией. В результате получают так называемую ледяную уксусную кислоту. Недостаток метода вымораживания состоит в том, что не удается достичь полного обезвоживания.

Высушивание твердых веществ. Высушиваемое вещество помещают тонким слоем на лист чистой фильтровальной бумаги и оставляют при комнатной температуре. Высушивание ускоряется, если его проводят при нагревании, например в сушильном шкафу. Эффективность высушивания повышается при уменьшении давления, например при остаточном давлении 17 мм рт. ст. вода кипит уже при 20 °С. Поэтому в вакуумном сушильном шкафу сушка происходит гораздо интенсивнее. Особенно она целесообразна при высушивании термолабильных соединений.

Относительно небольшие количества твердых веществ сушат в обычных (рис. 25, а) или вакуумных эксикаторах (рис. 25, 6), которые представляют собой толстостенные сосуды с притертой шлифованной крышкой. Шлифованные поверхности крышки и самого эксикатора должны быть смазаны. Осушитель находится в нижней части эксикатора, а высушиваемые вещества в бюксах или чашках Петри размещают на фарфоровой перегородке. Вакуумный эксикатор отличается от обычного тем, что в его крышке есть кран для подключения к вакууму. Эксикаторы применяют только для работы при комнатной температуре, их нельзя нагревать.

● Эксикатор при вакуумировании обертывают полотенцем или помещают под специальный колпак из частой металлической сетки.

Рис. 25. Обычный (а) и вакуумный (б) эксикаторы: 1— бюксы с высушиваемым веществом; 2— фарфоровые перегородки; 3 — осушитель; 4— кран

В процессе высушивания веществ в вакуумном эксикаторе его следует держать постоянно присоединенным к водоструйному насосу. Если вакуумированная система герметична, то, как только будет достигнуто максимальное при данных условиях разрежение, движение воздуха из эксикатора к насосу прекратится и пары воды из насоса начнут диффундировать к высушиваемому веществу.

Небольшие количества веществ удобно высушивать в приборе, называемом пистолетом Фишера (рис. 26). Вещество в лодочке помещают в трубку обогреваемую парами кипящей в колбе жидкости. В ретортообразную часть пистолета помещают осушитель, например оксид фосфора(V). Систему при необходимости вакуумируют. Применяя для обогрева различные по температуре кипения жидкости, можно провести процесс высушивания при оптимальной температуре.

Рис. 26. Сушильный пистолет Фишера: 1— колба с жидкостью; 2— лодочка с высушиваемым веществом; 3— обратный холодильник; 4— осушитель; 5— кран