Воронка Бюхнера или фильтр Шотта, 2 – резиновая пробка, 3 – колба Бунзена, 4 – соединительный резиновый шланг, 5 – водоструйный насос
Воронка Бюхнера(Т) представляет собой фарфоровую воронку с широкими отверстиями, предназначенную для фильтрования растворов при пониженном давлении. При фильтровании на ее дно помещается кружок фильтровальной бумаги размером чуть меньше внутреннего диаметра воронки, но полностью закрывающий все отверстия в дне.
ФильтрШотта (Т), или стеклянныйфильтр, предназначен для тех же целей, что и воронка Бюхнера. Фильтрование производится через пористую стеклянную пластинку, которая может иметь различный диаметр пор, обозначающийся (в порядке увеличения) маркировкой 16, 40, 100 и 160. Обычно на дно фильтра Шотта при фильтровании дополнительно помещают кружок фильтровальной бумаги для более легкого отделения осадка от фильтра. Фильтры Шотта нельзя сушить при температуре более 90–100оС, так как они могут треснуть в месте соединения фильтрующей пластинки с воронкой из-за неравномерного теплового расширения.
Колба Бунзена (Т, П) предназначена для фильтрования в нее жидкости под пониженным давлением с использованием воронки Бюхнера или фильтра Шотта (см. рис. 2.4). К боковому отводу колбы Бунзена присоединяется шланг водоструйного насоса, при открытии крана в колбе возникает разрежение, ускоряющее процесс фильтрования. Чтобы прекратить фильтрование, не следует сразу выключать водоструйный насос, так как при этом воду может перебросить в колбу. Необходимо сначала осторожно отсоединить шланг от системы или снять воронку (фильтр Шотта), а уже затем закрыть кран насоса.
Клапан Бунзена – устройство, служащее для предохранения реакционной смеси от излишнего контакта с газами атмосферы, обычно кислородом или углекислым газом. Представляет собой пробку с вставленной в нее стеклянной трубкой, к которой присоединен отрезок резиновой трубки, закрытый с другого конца. На резиновой трубке имеется небольшой продольный разрез, который позволяет газам, образующимся при реакции, свободно выходить в атмосферу, в то же время значительно замедляя диффузию атмосферных газов внутрь реакционного сосуда (колбы, пробирки и т.д.
Некоторые методы и приемы работы
Промывка осадка методом декантации
В неорганическом синтезе часто возникает необходимость промывки вещества, выпавшего в осадок, чтобы освободить его от растворимых примесей. При этом можно использовать фильтрование, но для тяжелых, плотных кристаллических осадков часто применяется другой метод – декантация. Суть его в том, что к осадку приливают порцию дистиллированной воды, тщательно перемешивают и дают отстояться, а затем жидкость над осадком аккуратно сливают, стараясь не потерять часть осадка вместе с ней. Операцию многократно повторяют, до тех пор, пока в жидкости над осадком не будут отсутствовать растворенные примеси. Критерием при этом служит качественная реакция на один из примесных ионов. Например, если проводилось осаждение сульфата бария действием серной кислоты на хлорид бария, то в растворе над осадком будут присутствовать хлорид-ионы и избыток сульфат-ионов. Поэтому необходимо после каждой промывки проверять слитую жидкость на предмет наличия в ней тех или других ионов, пока качественная реакция не будет давать отрицательный результат.
Центрифугирование
Если осадок очень мелкокристаллический или имеет аморфную структуру (как, к примеру, большинство нерастворимых гидроксидов), его целесообразно отделять от раствора центрифугированием. Для этого раствор вместе с осадком переливают в центрифужную пробирку, смывая остатки вещества со стенок сосуда дистиллированной водой. Если полностью жидкость в одну пробирку не помещается, используют две или более пробирки, равномерно размещая их по окружности центрифуги. Если пробирка одна, то для равновесия вторую пробирку заполняют водой до того же уровня и помещают в центрифугу напротив первой. (Это обязательно нужно сделать, так как при неравномерной загрузке центрифуги очень вероятна ее поломка или даже несчастный случай!) Затем центрифугу закрывают и включают на 1-2 минуты на скорости 2000 – 3000 об/мин. (Центрифугу включает ТОЛЬКО преподаватель или лаборант!) После этого жидкость над осадком сливают, а к осадку прибавляют дистиллированную воду того же объема, хорошо перемешивают и вновь проводят центрифугирование. Эти операции повторяют до тех пор, пока в жидкости над осадком не перестанут обнаруживаться посторонние ионы. Например, при осаждении какого-либо гидроксида действием щелочи следует каждый раз выполнять пробу на гидроксид-ионы с помощью индикаторной бумаги и продолжать центрифугирование до нейтральной реакции (обычно для этого требуется 3-4 промывки).
Перекристаллизация
Одним из основных методов очистки веществ в неорганическом синтезе является метод перекристаллизации. Он основан на зависимости растворимости веществ от температуры. При близких значениях растворимости основного вещества и примесей перекристаллизацией в один этап можно очищать лишь соединения, содержащие относительно небольшое количество примесей. Общая схема процесса для неорганических солей и других растворимых ионных соединений заключается в следующем:
Проведя предварительный расчет, при повышенной температуре (обычно около 90 – 100оС) готовят водный раствор вещества, который будет насыщенным при 60—70оС. Не допуская охлаждения раствора, фильтруют его через складчатый фильтр для удаления механических примесей(горячее фильтрование). Охлаждают до более низкой температуры (комнатной или ниже). Иногда после этого прибавляют реагент для высаливания (снижения растворимости путем добавления общего иона) или органический растворитель, в котором растворимость данной соли низка.
Выделившиеся кристаллы вещества выдерживают некоторое время при пониженной температуре для полного отделения и отфильтровывают при пониженном давлении на воронке Бюхнера или с использованием фильтра Шотта. Промывают осадок на фильтре, используя для этого небольшое количество чистой ледяной воды или смесь ледяной воды с органическим растворителем, а затем чистый органический растворитель, обычно этанол. Высушивают полученные кристаллы подходящим методом, взвешивают и определяют выход в %.
Расчет проводится исходя из справочных данных по растворимости вещества. При этом надо иметь в виду, что растворимость в справочниках приводится в г на 100 г растворителя (а не раствора!). Обычно для расчета используют данные по растворимости при 60—70оС, а воду для перекристаллизации нагревают до 90 – 100оС, чтобы остывание раствора, неизбежное при горячем фильтровании, не привело к кристаллизации вещества на воронке.
Для горячего фильтрования небольших количеств раствора используется воронка с обрезанным носиком. Ее предварительно разогревают в сушильном шкафу, вкладывают складчатый фильтр, предварительно изготовленный из фильтровальной бумаги, и быстро проводят операцию фильтрования. Профильтрованный раствор (фильтрат) закрывают листом бумаги, чашкой Петри или часовым стеклом.
Охлаждение фильтрата проводится в кристаллизаторе, заполненном ледяной водой или смесью льда с солью. Если после остывания раствора кристаллы не выделяются, кристаллизацию ускоряют трением стеклянной палочки о стенки сосуда или добавлением затравки – маленького кристаллика очищаемого вещества, служащего центром кристаллизации.
Выпавшие кристаллы вместе с раствором (который называется маточным) переносят на фильтр как можно полнее при помощи стеклянной палочки и включают водоструйный насос. Фильтрование проводят до прекращения образования капель раствора на носике фильтра (или воронки Бюхнера), затем водоструйный насос отсоединяют и к осадку на фильтре приливают охлажденную смесь для промывания (обычно для этих целей используется смесь воды со спиртом или ацетоном, содержащая 20—80% органического растворителя по объему), после чего вновь подключают насос. Промывка водно-органической смесью необходима для того, чтобы удалить следы маточного раствора, обогащенного примесями. Заключительную промывку для лучшего удаления остаточной влаги и более быстрой сушки проводят чистым органическим растворителем.
Способ сушки вещества зависит от его природы. Термически устойчивые вещества можно сушить в сушильном шкафу; менее стойкие – на воздухе при комнатной температуре либо в эксикаторе над водоотнимающим средством, при нормальном или пониженном давлении; самые неустойчивые, в частности, многие кристаллогидраты, – отжимая их между листами фильтровальной бумаги.
Пример проведения расчета:необходимо очистить 10,0 г вещества, растворимость которого составляет 7,0 г на 100 г воды при 0оС и 25,0 г на 100 г воды при 70оС. Необходимое количество воды для приготовления насыщенного при 70оС раствора составляет:
На 25,0 г требуется 100 г воды
На 10,0 г требуется х г воды, откуда х = 40,0 г.
При охлаждении до 0оС в растворе останется:
7,0 г – при использовании 100 г воды;
y г – при использовании 40,0 г воды, откуда y = 2,80 г
Теоретический выход (ТВ) вещества составляет 10,0 – 2,80 = 7,20 г.
Если реально было выделено z г, то практический выход составляет:
(z/ТВ)*100% = (z/7,20)*100%.
При расчете с участием кристаллогидратов необходимо иметь в виду, что все данные в справочниках приводятся в расчете набезводную сольи что массу кристаллизационной воды необходимо учитывать при подсчете массы растворителя!