Методические указания по изучению методов очистки твердых органических веществ.

 

Большое значение в органическом синтезе имеют способы выделения и очистки веществ, так как процессы образования органических соединений обычно сопровождаются побочными реакциями и интересующее исследователя вещество оказывается загрязненным.

 

6.1. Кристаллизация

 

Это один из важнейших методов очистки твердых веществ. Этот метод основан на физическом свойстве веществ – изменении растворимости с ростом температуры.

Последовательность операций при проведении кристаллизации следующая: готовят насыщенный раствор очищаемого вещества в подходящем растворителе при температуре кипения. Далее проводят горячее фильтрование, освобождаясь от механических примесей. Затем прозрачный фильтрат охлаждают. Выпавшие кристаллы, как правило, являются более чистыми, чем исходные. Их отделяют от маточного раствора, сушат и идентифицируют (определяют т. пл.).

 

 

6.1.1. Общие указания при проведении перекристаллизации

 

При проведении перекристаллизации следует руководствоваться следующими рекомендациями.

Растворитель берут в количестве, необходимом для полного растворения очищаемого вещества без учета примесей. Необходимо выработать привычку взвешивать очищаемое вещество и отмеривать мерным цилиндром количество растворителя, чтобы оценить процесс кристаллизации количественно и иметь возможность его полностью воспроизвести.

Выбор растворителя имеет решающее значение для успешного проведения перекристаллизации. Растворитель считают пригодным, если он:

· плохо растворяет кристаллизуемое вещество на холоду, но хорошо – при кипячении;

· хорошо растворяет примеси на холоду (тогда при охлаждении примеси останутся в растворе), либо их вовсе не должен растворять при кипячении (в этом случае примеси можно отделить при горячем фильтровании);

· растворяет вещество в 3 мл растворителя при кипячении;

· не реагирует с очищаемым веществом;

· способствует образованию кристаллов при комнатной температуре или при охлаждении (холодной водой или льдом) или при потирании стенок пробирки (колбы, стакана) стеклянной палочкой;

· легко удаляется с поверхности кристаллов при отмывании и высушивании.

При выборе растворителя часто пользуются правилом «подобное растворяется в подобном». Вещество, молекулы которых полярны, лучше растворяется в полярных растворителях. По полярности (в порядке снижения) наиболее распространенные растворители представляют ряд: вода > метанол > этанол > хлороформ > бензол > четыреххлористый углерод. Вещество, растворимое в двух несмежных растворителях этого ряда, растворяется во всех промежуточных растворителях. Приведенные выше растворители достаточно летучи, чтобы не загрязнять выделенные из них кристаллы после высушивания.

В некоторых случаях очень эффективно применять кристаллизацию из смеси двух растворителей, из которых один должен хорошо растворять очищаемое вещество, а второй – плохо. Растворители между собой должны смешиваться. При применении смесей растворителей сначала растворяют вещество в небольшом количестве хорошо растворяющего растворителя, затем к раствору медленно добавляют горячий плохо растворяющий растворитель до тех пор, пока осадок, образующийся в месте падения капли (наблюдается помутнение раствора) еще будет растворяться. Здесь нужно следить за тем, чтобы суммарное количество растворителя было не слишком велико. Далее эту смесь нагревают до получения прозрачного раствора и оставляют для кристаллизации.

Окончательный выбор растворителя и его ориентировочное количество при кристаллизации проводят опытным путем в пробирках с малым количеством вещества. Взвешивают необходимое количество (приблизительно 0,1г) очищаемого вещества, помещают его в пробирку и прибавляют несколько капель растворителя. Отмечают растворимость вещества при нагревании и на холоду, кристаллическую форму выделившегося осадка, его чистоту (т. пл.). Если вещество растворяется уже на холоду, то данный растворитель не пригоден для перекристаллизации. Если растворение на холоду идет плохо, пробирку осторожно нагревают до кипения. Если необходимо, добавляют еще несколько капель растворителя, чтобы добиться полного растворения. Объем использованного растворителя фиксируется либо мерным цилиндром, либо градуированной пипеткой.

При соблюдении и выполнении рекомендаций по выбору растворителя, изложенных выше, химические (растворимые) примеси обычно остаются в маточном растворе, а физические (нерастворимые) отделяются при горячем фильтровании.

Иногда органические соединения содержат смолистые примеси, которые могут окрашивать раствор. Окрашенные растворы, как правило, затрудняют кристаллизацию основного продукта (часто снова его загрязняют). Для обесцвечивания окрашенных растворов полярных растворителей применяют активированный древесный или животный уголь. Его добавляют (в количестве 2-5% от массы кристаллизуемого вещества) к теплому раствору. Температура раствора должна быть много ниже температуры кипения во избежание бурного вскипания и выброса жидкости. Затем все тщательно перемешивают, кипятят и в горячем виде фильтруют.

Неполярные растворители (гексан, четыреххлористый углерод, дихлорэтан, бензол и др.) обесцвечивают оксидом алюминия. В этом случае горячее фильтрование проводят через слой адсорбента (оксид алюминия), который помещают в воронку Бюхнера или на стеклянный фильтр (рис.12, 13).

Горячее фильтрование нужно вести в подогретой химической воронке через складчатый фильтр или в специальных воронках для горячего фильтрования (рис.23а, б).

 

 

Рис. 23. Воронки для горячего фильтрования

 

Если на фильтре выпадают кристаллы, то их смывают небольшим количеством горячего растворителя.

Процесс охлаждения маточного раствора (фильтрата) оказывает влияние на степень чистоты выпадающих кристаллов. При быстром охлаждении, как правило, образуются мелкие кристаллы. При медленном – крупные, которые могут включать микрокапельки фильтрата. Мелкие кристаллы, имеющие большую общую поверхность, в большей степени адсорбируют из раствора примеси. Охлаждение должно быть умеренным. Практикой отмечено, что чем чище вещество, тем оно лучше кристаллизуется.

Иногда кристаллическое вещество выделяется из раствора в виде масла. Его кристаллизацию можно вызвать введением затравки – кристаллика того же вещества. Выделение вещества из пересыщенного раствора можно ускорить потиранием стеклянной палочкой стенки сосуда с раствором.

Для отделения кристаллических осадков обычное фильтрование малопригодно. В этом случае используют отсасывание через бумажные (или пористые) фильтры, колбу Бунзена, воронку Бюхнера (или Хирша), в которые помещают плотно прилегающие бумажные фильтры. Колбу Бунзена вакуумируют водоструйным или масляным насосом. Размер воронки, применяемый для фильтрования с отсасыванием, должен соответствовать количеству осадка. Слой кристаллов, находящийся на фильтре, не должен быть слишком толстым. Бумажный фильтр (хорошо подогнанный к диаметру воронки Бюхнера) предварительно смачивают растворителем и включают насос. Фильтр должен очень плотно (без зазоров) прижаться к воронке. После этого через воронку пропускают холодный раствор с находящимися в нем кристаллами. Поверхность осадка не должна в воронке растрескиваться, иначе происходит неполное отсасывание (удаление маточного раствора). Для полного удаления маточного раствора, отжатые влажные кристаллы промывают небольшим количеством чистого холодного растворителя. Далее осадок «отжимают» вакуумом до тех пор, пока с носика воронки не перестанут стекать капли растворителя.

При использовании воды в качестве растворителя кристаллизацию можно проводить в конической плоскодонной колбе (рис. 24) или химическом стакане.

Рис. 24. Установка для перекристаллизации из воды

 

 

Рис. 25. Установка для проведения перекристаллизации:

1- круглодонная колба; 2- двурогий форштос;

3- капельная воронка; 4- обратный холодильник

 

 

При работе с органическим растворителем к колбе, в которой ведут перекристаллизацию, присоединяют двурогий форштос. В одно отверстие форштоса вставляют капельную воронку, в другое – обратный холодильник (рис.25). Через капельную воронку в колбу добавляют растворитель, если его бывает недостаточно.

Вообще, при перекристаллизации рекомендуется готовить немного недонасыщенный раствор, чтобы избежать кристаллизации на фильтре при горячем фильтровании.

 

6.1.2. Порядок выполнения работы по перекристаллизации.

 

1. Получить задание у преподавателя.

2. Отвесить необходимое количество загрязненного вещества на технических весах.

3. Подобрать подходящий растворитель, определить ориентировочно его количество либо опытным (пробирочным) путем, либо по справочнику, используя данные по растворимости очищаемого вещества в данном растворителе.

4. Собрать прибор (рис.24 или 26)

5. Смешать растворитель и вещество. Растворитель берется в большем на 2-3 мл количестве, чем это необходимо до полного растворения. Смесь доводят до кипения, время от времени помешивая. Если вещество не растворилось, добавляют небольшое (3-5 мл) количество растворителя и снова доводят до кипения. Так повторяют до тех пор, пока очищаемое вещество полностью не растворится при кипении.

Если вещество растворилось раньше, чем закипел раствор, необходимо излишек растворителя удалить выпариванием. При необходимости маточный раствор обесцвечивают (очищают) активированным углем.

6. Провести фильтрование горячего раствора (рис.26), предварительно подогрев химическую воронку, если растворителем является вода. При использовании органического растворителя фильтровать следует в коническую колбу (а не в стакан).

7. Охладить маточный раствор (фильтрат) до комнатной температуры. Можно использовать для охлаждения проточную воду из-под крана. Скорость кристаллизации часто бывает мала, и для ее ускорения следует потереть стенки сосуда стеклянной палочкой.

8. Отделить выпавшие кристаллы вакуум-фильтрованием (рис.16).

9. Высушить кристаллы на воздухе или в сушильном шкафу для сушки веществ. Обратите внимание на температуру сушильного шкафа во избежание расплавления вашего вещества.

10. Определить температуру плавления, и сравнить температуры плавления очищаемого вещества со справочными данными.

11. Оформить протокол опыта. Образец оформления протокола см. стр. 40-42.

 

Рис. 26. Установка для горячего фильтрования

 

6.2. Переосаждение

 

Для очистки твердых органических кислот и оснований очень часто вместо перекристаллизации применяют переосаждение.

Натриевые соли многих карбоновых кислот растворимы в воде значительно лучше, чем сами кислоты. Поэтому последние очищают переосаждением из содовых растворов.

Практически эту операцию проводят следующим образом: к кристаллической кислоте, находящейся в конической колбе прибавляют постепенно при перемешивании горячий 10%-ный раствор соды до полного растворения кислоты. Для ускорения процесса в раствор можно подавать пар из парообразователя (рис.27). Не рекомендуется нагревать колбу с раствором на плите или газовой горелке, так как возможно осмоление.

Рис. 27. Схема установки для проведения переосаждения

1- парообразователь; 2- коническая колба;

3- капельная воронка

 

Если при нагревании в колбе остается взвесь (нерастворимые примеси), то прибавление соды заканчивается, когда среда горячего раствора будет щелочной (проба по индикаторной бумажке).

Если раствор окрашен, то в него вносят со всеми предосторожностями активированный уголь, снова пропускают пар в течение 2-3 минут и фильтруют через воронку со складчатым фильтром (рис.26) в большую колбу.

Прозрачный раствор охлаждают снаружи ледяной водой, подкисляют, хорошо перемешивая 10%-ным раствором соляной кислоты до рН 3-4 (проба по конго или универсальному индикатору). Подкисление ведут осторожно, т.к. происходит сильное вспенивание вследствие выделения углекислого газа. Иногда при быстром подкислении выпадает масло, которое при энергичном перемешивании и охлаждении закристаллизовывается.

Осажденную кислоту хорошо охлаждают, проводят вакуум-фильтрование. Кристаллы тщательно отмывают от избытка соляной кислоты. Промывку ведут малыми порциями ледяной воды. Окончание процедуры определяют по индикаторной бумаге.

Переосаждение оснований ведут аналогично, растворяя их в 10%-ной соляной или серной кислоте. Полученный раствор соли отфильтровывают от примесей, и основание выделяют подщелачиванием раствором соды или щелочи (5-10%-ным).

Схема установки для проведения переосаждения приведена на рис.27. Протокол оформляется по образцу на стр. 40-42.

 

6.3. Возгонка (сублимация)

 

Возгонка – это процесс испарения твердого вещества с последующей конденсацией пара в твердое состояние.

Возгонка имеет ряд преимуществ по сравнению с кристаллизацией: при возгонке в большинстве случаев получают очень чистое вещество, и, кроме того, этим путем можно очистить малые количества вещества (например, 0,1г).

Возгонка применяется в тех случаях, когда кристаллизацией не удается очистить вещество от смолистых примесей. Но этим способом очищают твердые вещества, которые имеют большое давление пара при невысокой температуре.

Возгонка – медленный (!) процесс. Ее скорость прямо пропорциональна давлению пара вещества при данной температуре, величине поверхности возгоняемого вещества и обратно пропорциональна внешнему давлению. Поэтому возгонку благоприятно вести в вакууме, при нагревании и вещество нужно тонко измельчить. Нагрев должен быть ниже температуры плавления грязного вещества, следовательно, перед проведением возгонки необходимо определить температуру плавления, чтобы выбрать режим нагрева.

Возгонку проводят как при атмосферном, так и при пониженном давлении (рис.28, 29) для малых количеств веществ.

Рис. 28. Схема установки для возгонки при атмосферном давлении

1- фарфоровая чашка; 2- бумажный фильтр с отверстиями;

3- химическая воронка

Рис. 29. Прибор для вакуум-возгонки

1- стакан со шлифом; 2- колпак с пальчиковым холодильником; 3,4-трубка для ввода и вывода воды; 5- патрубок для присоединения к вакуум-насосу; 6- возгоняемое вещество

При атмосферном давлении возгонку ведут в фарфоровой чашке, закрытой широким концом химической воронки, диаметр которой несколько меньше диаметра чашки. Отводную трубку воронки неплотно закрывают ватой (рис.28). Для того чтобы сублимат (возгон) не попадал обратно в чашку, ее накрывают листом фильтровальной бумаги, загибая небольшие края вниз. На фильтровальной бумаге делают отверстия (ø 1-2 мм). Рваные края отверстий должны быть обращены к химической воронке, чтобы не мешать прохождению паров возгоняемого вещества. Чашку с веществом нагревают, не допуская плавления. Для лучшей конденсации паров на внешнюю поверхность воронки накладывают влажный (хорошо отжатый) кусок ткани или ваты. Оформление протокола см. стр. 40-42.

 

6.4. План оформления протокола по очистке твердых веществ

 

1. Дата выполнения и номер лабораторной работы.

2. Название лабораторной работы.

3. Допуск…. Выполнение…. Защита….

4. Цель работы (например, ознакомление с методикой проведения перекристаллизации).

5. План работы. Левая часть листа – описание последовательности операций (каждый пункт нумеруется); правая – наблюдения (наблюдения должны соответствовать пункту действия).

6. Схемы установок и приборов, используемых в ходе работы.

7. Характеристика используемых веществ (табл. 4)

 

Таблица 4

Характеристика используемых веществ

№ п/п	Название вещества и формула	Справочные данные	Примечание (литература)
т.пл., ОС	т.кип.,ОС	r, г/мл	Растворимость	Токсическое действие (инд. вещества или класса)
	Ацетанилид С6H5NHCOCH3	114,3		1,2190	P:бз, в2, хлор, эт., эф.	Действует на нервную и со-судистую си-стемы, особен-но на печень	Cвойства органи-ческих соединений. Справочник под ред. А.А.Потехина (1984)с.358, У75.
	Вода H2O			1,0000	-	-

 

 

8. Определение степени очистки вещества путем сравнения т. пл. очищенного продукта со справочными данными и т. пл. «грязного» вещества.

9. Результаты работы сводятся в таблицы (см. ниже).

10. Выводы.

 

 

Дополнения к протоколам

Перекристаллизация

После п.4 Подбор растворителя; если он не задан преподавателем.

Образец: вода – не растворяет при кипении;

бензол – хорошо растворяет на холоду;

этиловый спирт – хорошо растворяет при нагревании, при охлаждении выпадают кристаллы.

Растворитель для перекристаллизации – этиловый спирт.

 

Таблица 5

Результаты работы по перекристаллизации (пример)

 

Масса вещества (г)	Растворитель	Ориенти-ровочный объем (мл)	Температура плавления (ОС)	Название вещества и формула
До очистки	После	Неочищен.	Очищен.	Справ.
2,0	1,5	этанол			121-2		b-нафтол

Переосаждение

Таблица 6

Результаты работы по переосаждению

Масса вещества (г)	Объем соды (щелочи) (мл)	Объем кислоты (мл)	Температура плавления (ОС)	Название вещества и формула
До очистки	После	Неочищ.	Очищ.	Справ.
1,5	0,7	10%NaOH 2 мл	10% HCl 5 мл	109-13	120-2		бензойная кислота C6H5COOH

 

Возгонка. Таблица аналогична к работе по переосаждению, исключая колонки с объемами кислот и оснований.

 

Протокол работы для проведения возгонки оформляется по стандартному образцу (см. стр. 40-41).

 

 

6.5. Контрольные вопросы к теме «Методы очистки твердых органических веществ»

 

1. На каком свойстве вещества основан метод перекристаллизации?

2. Основные этапы перекристаллизации.

3. Каким требованиям должен удовлетворять растворитель? Как его подбирать для вещества?

4. Как определяют оптимальный объем растворителя?

5. Как проводят перекристаллизацию с органическим растворителем (схема установки)? С водой (схема установки)?

6. Как удаляют излишек растворителя (органического и воды)?

7. Зачем и когда вносят активированный уголь в раствор? Какие меры предосторожности необходимо при этом принять?

8. Что такое горячее фильтрование? Какие существуют воронки для его проведения?

9. Как освобождают насыщенный раствор от механических примесей?

10. Как следует вести охлаждение маточного раствора? Почему?

11. Каким образом отделяют кристаллы от маточного раствора (схема прибора)?

12. Как нужно подготовить воронку Бюхнера (или фильтр Шотта) для отсасывания, чтобы в колбе Бунзена образовался вакуум?

13. Каким образом и зачем окончательно отмывают от маточного раствора кристаллы?

14. Как можно сушить кристаллы после перекристаллизации?

15. Какую температуру называют «температурой плавления»?

16. Как определяют температуру плавления? Какие существуют для этого приборы?

17. Как следует нагревать прибор (скорость нагрева) при определении температуры плавления?

18. Какие требования к веществу необходимы при определении температуры плавления?

19. Как наполняют капилляр исследуемым веществом?

20. Какие выводы можно сделать о степени чистоты вещества по определенной температуре плавления?

21. Какое вещество можно считать вполне чистым?

22. Что такое «проба смешения»? В каких случаях ее используют?

23. На чем основан метод переосаждения?

24. Какие вещества можно очищать переосаждением?

25. Этапы переосаждения. Приведите схему установки для проведения переосаждения.

26. Как необходимо проводить стадию «подкисления» или «подщелачивания» (скорости добавления реагента и температура смеси)? Зачем нужно проводить при этом энергичное перемешивание?

27. Как отмывают кристаллы после переосаждения от избытка минеральной кислоты (щелочи или соды)?

28. На чем основан метод возгонки? Приведите схему установки.

29. Какие вещества можно очищать возгонкой?

30. В каких случаях применяют возгонку?

31. От каких факторов зависит скорость возгонки?

32. Почему недопустимо при проведении возгонки расплавление вещества?

33. Как ориентировочно определить температуру, при которой следует вести возгонку?

34. В каких случаях возгонка предпочтительнее перекристаллизации?

 

6.6. Экстракция

 

Экстракция (извлечение) – это перевод вещества из одной фазы, в которой оно находится (напр., растворено или суспендировано в жидкости или в твердой смеси) в другую - жидкую фазу. Она используется для очистки веществ от примесей и для разделения смеси веществ. Способ основан на различной растворимости веществ в подходящем растворителе (извлечение из твердой смеси) или же в двух несмешивающихся растворителях (извлечение из жидкой фазы).

 

 

6.6.1. Экстракция жидкостей

 

Очень часто в органическом синтезе используют экстракцию веществ из растворов, большей частью из водных, которая заключается во встряхивании раствора с определенным растворителем (экстрагентом).

Наиболее употребляемыми в качестве экстрагирующих растворителей являются легко летучие жидкости. Распространенными экстрагентами, плотность которых меньше единицы, являются диэтиловый эфир (т.кип. 34,6⁰С), петролейный эфир (смесь низкокипящих углеводородов), бензин (смесь углеводородов), бензол (т.кип. 80⁰С), этилацетат (т.кип. 77⁰С). Следует запомнить, что диэтиловый эфир летуч, огнеопасен, склонен к образованию взрывоопасных перекисей, заметно растворим в воде (около 8% от объема). Чтобы понизить растворимость органического вещества и эфира в воде, иногда перед экстракцией проводят высаливание. Добавляют к водному раствору минеральные соли: хлорид натрия, сульфат аммония, карбонат натрия или другие соли до насыщения. В полученном солевом растворе органические вещества практически нерастворимы, благодаря чему происходит разделение на два слоя.

Экстрагенты - растворители тяжелее воды – метиленхлорид (т.кип. 40⁰С), хлороформ (т.кип. 61,7⁰С), четыреххлористый углерод (т.кип. 76,5⁰С) (не огнеопасен).

При проведении экстракции выбирают такой растворитель, в котором хорошо растворяется экстрагируемое вещество, а сам он легко удаляется из вытяжки (экстракта).

Вещества, плохо растворимые в воде, извлекают из водного раствора петролейным эфиром, бензином, бензолом. Те, которые хорошо растворимы в воде, экстрагируют диэтиловым эфиром. Он обладает большой способностью растворять органические соединения.

Экстрагирование из растворов (или суспензий) проводят с помощью делительных воронок (рис.10а, б). Смешивают в делительной воронке водный раствор с экстрагентом-растворителем, объем которого составляет 1/5-1/3 объема раствора. Делительная воронка должна быть заполнена не более, чем на 2/3. Воронку закрывают пробкой, смазанной незначительным количеством вазелина. Осторожно взбалтывают, придерживают одной рукой пробку, другой – кран. Затем делительную воронку переворачивают краном вверх и, осторожно открывая кран, выпускают образующиеся пары. Осторожное встряхивание с периодическим выпусканием паров продолжают до тех пор, пока давление внутри воронки не станет равным атмосферному. После этого энергично встряхивают в течение 1-2 мин.

Далее делительную воронку укрепляют вертикально и дают жидкости полностью расслоиться на два слоя (оба слоя должны быть прозрачны).

Нижний слой отбирают через кран делительной воронки, верхний выливают через верхнее отверстие.

Так как однократная операция приводит к неполному извлечению вещества, то экстрагирование повторяют несколько раз (3-4). Целесообразнее проводить экстракцию несколько раз, используя небольшие количества растворителя, чем пытаться извлечь вещество большим объемом при однократной экстракции. Этот факт согласуется с законом распределения Нернста:

К=С_А/С_В,

где С_А,С_В – концентрации вещества, растворенного в обоих несмешивающихся растворителях при данной температуре;

К – коэффициент распределения в системе, находящейся в равновесии.

 

Конец экстрагирования можно определить, взяв пробу (несколько капель) последней порции экстракта. Пробу помещают на часовое стекло и упаривают. Если проба испаряется без остатка, экстрагирование прекращают.

Часто при экстрагировании образуются трудно разделяющиеся эмульсии. Образующуюся эмульсию можно разрушить добавлением нескольких капель этилового спирта, фильтрованием с отсасыванием, путем длительного отстаивания или насыщением раствора поваренной солью. Эти приемы способствуют уменьшению поверхностного натяжения, что приводит к уничтожению эмульсионного эффекта.

Вытяжки экстракта объединяют, очищают от посторонних веществ, чаще всего от кислот и оснований, увлеченных с растворителем. Для этого вытяжки встряхивают в делительной воронке 1-2 раза с разбавленными водными растворами щелочей (обычно сода или бикарбонат натрия) или кислот, далее промывают водой до нейтральной реакции (проба на индикаторную бумажку). Всегда следует помнить, что при промывании экстракта содой может выделяться газ, и давление в делительной воронке может повыситься, поэтому газ осторожно выпускают через кран.

Затем промытый экстракт сушат, удаляют растворители либо перегонкой, либо на роторном испарителе (рис.30). Остаток очищают путем кристаллизации, возгонки или перегонки.

 

Рис. 30. Схема роторного испарителя:

 

1- водяная баня; 2- испаритель (вращающаяся колба); 3- мотор и уплотнение; 4- переход с двумя горловинами и отводом;

5- холодильник; 6- переход с отводом для подключения испарителя к вакуумному насосу; 7,8- краны; 9- трехходовой кран; 10- отход для соединения с атмосферой; 11- отвод для всасывания раствора; 12- приемник

 

 

6.6.2. Экстракция твердых веществ

 

В лаборатории довольно часто приходится проводить экстракцию твердых веществ. Для этого целесообразно использовать специальные автоматически работающие приборы. Одним из таких приборов является аппарат Сокслета (рис.31).

Рис. 31. Схема установки непрерывной экстракции

1- холодильник; 2- гильза; 3- пароотводная трубка; 4- трубка для стока экстракта; 5- насадка Сокслета; 6- колба; 7- тренога;

8- баня; 9- газовая горелка

 

К колбе с растворителем присоединяют экстрактор, в который вводят экстрагируемое вещество, плотно завернутое в фильтровальную бумагу или помещенное в специальную гильзу. Вещество, подвергаемое экстракции, должно быть тяжелее, чем растворитель. Растворитель нагревают до кипения. Пары его поступают в экстрактор, а затем в холодильник. Конденсат стекает и контактирует с экстрагируемым веществом, извлекая требуемое соединение, и через трубку для отвода экстракта переливается в колбу (экстракт периодически сливается только тогда, когда уровень жидкости в насадке поднимется до верхнего колена сифона). В колбе постепенно накапливается извлекаемое вещество, причем количество жидкости практически не изменяется.

Это позволяет ограниченным объемом растворителя извлечь неограниченное количество экстрагируемого вещества, так как оно все время обрабатывается чистым растворителем.

По окончании экстракции прибору дают остыть, из экстрактора сливают в колбу остатки жидкости, затем отгоняют растворитель.

Работа с низкокипящими, летучими и легковоспламеняющимися растворителями требует чрезвычайной осторожности. К таким, часто употребляемым растворителям относятся диэтиловый и петролейный эфиры, этилацетат. Пары этих веществ воспламеняются не только от соприкосновения с открытым пламенем, но и от соприкосновения с поверхностью, имеющей температуру 150-160^ОС. Для отгонки таких растворителей собирают прибор, изображенный на рис.32. Капельную воронку используют в том случае, если следует отогнать большое количество растворителя от небольшого количества вещества. Если капельная воронка не нужна, в колбу Вюрца вставляют термометр. Необходимо проследить, чтобы не было зажженных горелок в радиусе 2-3 м. Подогрев бани с водой производят в другом месте, вдали от прибора. Приемник для конденсата должен иметь наименьшую поверхность соприкосновения с воздухом, при этом необходимо отвести пары с помощью каучуковой трубки в канализацию.

Рис. 32. Прибор для отгонки растворителя от кристаллического вещества

1- водяная баня; 2- колба Вюрца; 3- капельная воронка;

4- холодильник Либиха; 5- аллонж; 6- изогнутая рубка;

7- приемник

 

Прибор для отгонки растворителя от кристаллического вещества изображен на рис.33. В этом приборе вместо круглодонной колбы берут коническую, чтобы легче было извлечь кристаллы, которые выпадают после отгонки растворителя. В качестве приемника используют колбу Вюрца, если растворитель летуч или алонж – если растворитель мало летучий и негорючий.

Рис. 33. Прибор для отгонки легколетучих растворителей

1- баня; 2- плоскодонная коническая колба; 3- стеклянный уголок; 4- холодильник Либиха; 5- колба Вюрца

 

Свойства наиболее часто употребляемых растворителей приведены ниже:

Таблица 7

Свойства растворителей, используемых в органической лаборатории

Растворитель	Температура кипения, ОС	Воспламеняемость, ядовитость	Растворяет органические вещества
Вода		-	Спирты, карбоновые кислоты, фенолы, альдегиды, амины
Этиловый спирт		воспламеняется	Спирты, кетоны, альдегиды, амины, кислоты
Продолжение табл. 7
Метиловый спирт	64,7	воспламеняется, ядовит	Спирты, кетоны, альдегиды, амины, кислоты
Ацетон	56,4	легко воспламеняется	Альдегиды, кетоны и др.
Уксусная кислота (ледяная)	117,7	воспламеняется, пары очень едкие	Карбоновые кислоты
Петролейный (нефтяной) эфир	30-70	очень легко воспламеняется	Углеводороды, жиры и др.
Бензин	70-90	очень легко воспламеняется	Углеводороды, жиры и др.
Лигроин	90-110	легко воспламеняется	Углеводороды, жиры и др.
Бензол		легко воспламеняется	Углеводороды, спирты, альдегиды, кетоны, нитросоединения и др.
Толуол		воспламеняется, ядовит	Применяется как бензол, обладает лучшей растворяющей способностью
Диэтиловый эфир	35,6	очень легко воспламеняется, взрывоопасен	Очень хороший растворитель для многих веществ, но требует особых мер предосторожности
Этилацетат		воспламеняется	Очень хороший растворитель для многих веществ
Хлористый метилен		не горюч, пары ядовиты	Галогенопроизводные, жиры и другие вещества
Хлороформ		не горюч, пары ядовиты	Галогенопроизводные, жиры и другие вещества
Четыреххлористый углерод	76,5	не горюч, пары ядовиты	Как и хлороформ, но проявляет меньшую растворяющую способность

 

 

6.6.3. Пример выполнения работы по очистке твердых веществ методом экстракции

 

Цель работы: Ознакомление с оригинальной химической посудой и освоение метода экстракции

 

Посуда: аппарат Сокслета, обратный и прямой холодильники, грушеобразная колба на 150 мл, термометр, алонж, приемник.

 

Реактивы: ацетон(возможны другие органические растворители)

 

В аппарат Сокслета вставляют стаканчик, сделанный из фильтрованной бумаги. В стаканчик помещают отвешенное количество твердой смеси. Соединяют Сокслет с колбой, в которой находится 40 мл ацетона, и обратным холодильником. Греют на водяной бане при кипении ацетона. Извлечение вещества из смеси ведут в течение 30 мин (время, в течение которого конденсирующийся ацетон омывает смесь в стаканчике).

Далее колбу охлаждают, соединяют ее с прямым холодильником и ведут отгонку ацетона. На стенках колбы осаждаются кристаллы, которые выделяют, взвешивают и определяют температуру плавления. результаты работы заносят в таблицу 8.

Таблица 8

 

Формула очищаемого вещества и растворителя	Масса смеси (г)	Объем раствора, мл	Масса после экстракции, г	Температура плавления опытная, 0С	Справочные данные очищаемого вещества и растворителя (t кип 0С; ρ г/мл; растворимость в H2O)

 

6.6.4. Контрольные вопросы к теме «Экстракция»

 

1. На чем основан метод экстракции?

2. Какие виды экстракции существуют?

3. Каким требованиям должен удовлетворять растворитель, используемый для проведения экстракции?

4. Какие растворители наиболее часто применяются для экстракции? Почему? Их характеристики (т.кип., плотность, растворимость в воде).

5. Как понижают растворимость органических веществ в воде?

6. Как следует проводить экстракцию, чтобы полнее использовать имеющийся растворитель?

7. Какую посуду и какие приборы применяют для экстракции?

8. Как влияет рН среды на процесс экстракции?

9. Как предотвращают образование эмульсий?

10. Как отбирают нужный слой (верхний или нижний) из делительной воронки?

11. Как проводят экстракцию из твердых веществ?

12. Что такое однократная, многократная и непрерывная экстракция?

13. В каких случаях используется непрерывная экстракция, а в каких многократная?

14. Опишите принцип действия аппарата Сокслета.

15. В чем преимущество непрерывной экстракции перед другими видами экстракции?

16. Как следует отгонять низкокипящие и легковоспламеняющиеся растворители? Изобразите схему прибора.

17. Как проводят отгонку растворителя от кристаллического вещества? Изобразите схему прибора.