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

Vybrané vybavení související s destilací

Vybrané vybavení související s destilací

Extrakce extrakce vytřepáváním extrakce pomocí Soxhletova nástavce

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

Vybrané vybavení související s extrakcí

Sublimace sublimace za normálního tlaku sublimace vakuová

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

Vybrané vybavení související se sublimací

Vybrané vybavení související se sublimací