第三章　有机化合物的分离和提纯

实验五　重结晶及过滤

重结晶是纯化固体有机化合物的重要方法之一。固体有机物在溶剂中的溶解度随温度的变化而改变。通常升高温度溶解度增大，反之则溶解度降低。降低热饱和溶液温度，溶解度减小，溶液变成过饱和而析出结晶。重结晶方法的原理就是利用被提纯化合物和杂质在热和冷的溶剂中溶解度的不同，把杂质分离或留在溶液中，以达到分离提纯的目的。

【实验目的】

1.学习重结晶提纯固体有机化合物的原理和方法。

2.掌握抽滤和热过滤的操作方法。

3.了解活性炭脱色原理及操作方法。

【实验原理】

1.基本原理

固体有机物在溶剂中的溶解度与温度密切相关。一般是温度升高，溶解度增大。若把固体溶解在热的溶剂中达到饱和，冷却时即由于溶解度降低，溶液变成过饱和而析出晶体。利用溶剂对被提纯物质及杂质的溶解度不同，可以使被提纯物质从过饱和溶液中析出，而让杂质全部或大部分仍留在溶液中（若在溶剂中的溶解度极小，则配成饱和溶液后被过滤除去），从而达到提纯目的。

重结晶的一般过程是：

①选择合适溶剂，将待重结晶物质在较高的温度（接近溶剂沸点）下溶解在溶剂中。

②趁热过滤除去不溶性杂质。如溶液中含有色杂质，加活性炭煮沸脱色后一起热滤。

③将滤液冷却，使晶体从过饱和溶液中析出，而可溶性杂质仍留在溶液中。

④减压过滤，将晶体从母液中分离出来。

⑤洗涤晶体以除去吸附在晶体表面上的母液。

⑥干燥后测定熔点。如果经一次重结晶后，纯度还不合格，可再进行一次重结晶。

简单地说，重结晶的一般过程为：

溶解—脱色—热过滤—冷却结晶—抽滤—洗涤—晾干

必须注意，杂质含量过多对重结晶极为不利，影响结晶速率。有时甚至妨碍结晶的生成。重结晶一般只适用于杂质含量约在百分之几的固体有机物。所以在结晶之前，根据不同情况，分别采用其他方法进行初步提纯，如水蒸气蒸馏，减压蒸馏，萃取等，然后再进行重结晶处理。

2.基本操作

（1）选择溶剂

在进行重结晶时，选择合适的溶剂是一个关键问题。有机化合物在溶剂中的溶解性往往与其结构有关，易溶于与其结构相似的溶剂中。如极性化合物一般易溶于水、醇、酯等极性溶剂中，而在非极性溶剂如苯、四氯化碳中，要难溶得多。这种“相似者相溶”虽是经验规律，但对实验工作有一定的指导作用。选择适宜的溶剂应注意下列条件：

①不与被提纯化合物起化学反应。

②在降低和升高温度时，被提纯化合物的溶解度应有显著差别。低温时溶解度越小，回收率越高。

③溶剂对可能存在的杂质溶解度较大，杂质溶于溶剂中，可把杂质留在母液中；或对杂质溶解度很小，难溶于热溶剂中，趁热热过滤以除去杂质。

④能生成较好的结晶。

⑤溶剂沸点不宜太高，容易挥发，易与结晶分离。

在几种溶剂同样都合适时，则应注意产物的回收率、操作难易、毒性大小、易燃程度、价格及来源等。

若不能选出单一的溶剂进行重结晶，则可使用混合溶剂。一般是以两种能以任何比例互溶的溶剂组成，其中一种对被提纯的化合物溶解度较大，而另一种溶解度较小。

一般常用的混合溶剂如下：

乙醇-水　　丙酮-水　　乙醚-甲醇　　乙醚-石油醚

羧酸-水　　吡啶-水　　乙醚-丙酮　　苯-石油醚

具体选择溶剂时，一般化合物可先查阅手册中溶解度一栏，如没有文献资料可查，只能用实验方法决定。

（2）热滤

粗制品制成的热饱和溶液，为了避免在过滤过程中因温度下降而有晶体析出，必须趁热过滤，故用热滤法，以除去其中的不溶物质。常用的热过滤装置有热水漏斗和抽滤装置，如图1所示。

热水漏斗（保温漏斗）是一种防止热量散失的漏斗。该漏斗是把玻璃漏斗（漏斗应采用短颈或无颈漏斗）置于一个金属套内，如图1（a）所示，套内是水，漏斗中放入折叠滤纸。然后在侧管处加热至需要温度（如用易燃溶剂，在过滤前务必将火熄灭），接着把所制备的热溶液趁热过滤。

折叠滤纸的方法：将选定的圆滤纸（方滤纸可在折好后再剪）按图2先一折为二，再沿24线折成四分之一。然后将12的边沿折至42；23的边沿折至24，分别在25和26处产生新的折纹。继续将12折向26；23折向25，分别得到27和28的折纹。同样以23对26；12对25分别折出29和210的折纹。最后在8个等分的每一个小格中间以相反方向折成16等分。结果得到折扇一样的排列。再在12和23处各向内折一小折面，展开后即得到折叠滤纸或称扇形滤纸。在折纹集中的圆心处，折时切勿重压，否则滤纸的中央在过滤时容易破裂。在使用前，应将折好的滤纸翻转并整理好后再放入漏斗中，这样可避免被手指弄脏的一面接触滤过的滤液。

如果采用抽滤装置来热滤，则需要将布氏漏斗和吸滤瓶预先放在热水中烫热，然后迅速安好装置，再将热饱和溶液倒入布氏漏斗中抽滤。

若溶液中含有色物质，则应先加活性炭煮沸脱色，再进行过滤。但应注意在加入活性炭之前应先将溶液稍冷后再加入（否则会引起暴沸），再重新加热溶解。

（3）减压过滤

减压过滤（或抽滤）一般是在布氏漏斗上配置一橡皮塞与吸滤瓶相连，如图1（b）所示，吸滤瓶的侧管再用橡皮管与水泵或减压安全瓶连接。实验室常用的为循环水式多用真空泵。

布氏漏斗下端斜口应正对吸滤瓶的侧管。滤纸的大小要比布氏漏斗内径略小，但必须要将漏斗的小孔全部覆盖。滤纸也不能太大，否则会贴到漏斗壁上，造成溶液不经过滤直接漏入吸滤瓶中。

抽滤前应先用少量溶剂润湿滤纸，使其贴紧后再抽滤。停止抽滤前应将吸滤瓶侧管上的橡皮管拔去或打开安全瓶上的安全阀，使内外压力平衡，以防倒吸。

（4）结晶

将滤液在冷水浴中迅速冷却并剧烈搅动时，可得到颗粒很小的晶体。小晶体包含杂质较少，但其表面积较大，吸附于其表面的杂质较多。若希望得到均匀而较大的晶体，可将滤液（如在滤液中已析出结晶，可加热使之溶解）在室温或保温下静置使之缓缓冷却。这样得到的结晶往往比较纯净。

有时由于滤液中有焦油状物质或胶状物存在，使结晶不易析出，或有时因形成过饱和溶液也不析出结晶，在这种情况下，可用玻璃棒摩擦器壁以形成粗糙面，使溶质分子呈定向排列而形成结晶，在粗糙面上形成结晶的过程较在平滑面上迅速和容易；或者投入晶种（同一物质的晶体，若无此物质的晶体，可用玻璃棒蘸一些溶液，稍干后即会析出晶体），供给定型晶核，使晶体迅速形成。

有时被纯化的物质呈油状析出，油状物质长时间静置或足够冷却后虽也可以固化，但这样的固体往往含有较多杂质（杂质在油状物中溶解度常较在溶剂中的溶解度大；其次，析出的固体还会包含一部分母液），纯度不高，用溶剂大量稀释，虽可防止油状物生成，但将使产物大量损失。这时可将析出油状物的溶液加热重新溶解，然后慢慢冷却。一当油状物析出时便剧烈搅拌混合物，使油状物在均匀分散的状况下固化，这样包含的母液就大大减少。但最好还是重新选择溶剂，使之能得到晶形的产物。

【仪器试剂】

仪器：150mL锥形瓶，烧杯，循环水式多用真空泵，布氏漏斗，吸滤瓶，玻璃棒，电热套。

试剂：3.0g粗苯甲酸，活性炭。

【实验步骤】

1.溶剂的选取

根据原料苯甲酸选用合适的溶剂，本实验选用水为溶剂。苯甲酸在100g水中的溶解度为0℃ 0.02g，4℃ 0.18g℃，18℃ 0.27g，75℃ 2.2g。

2.溶解固体

称取3.0g粗苯甲酸，放在150mL锥形瓶中，加入适量纯水，加热至粗苯甲酸溶解，若不溶解，可适量添加少量热水，搅拌并加热至接近沸腾，使苯甲酸溶解，稍冷后，加入适量活性炭于溶液中，煮沸5～10min。注意判断是否有不溶或难溶性杂质存在，以免误加过多。以减少溶解损失。

3.趁热过滤

通过热过滤除去杂质：

方法一：用热水漏斗趁热过滤。若用有机溶剂，过滤时应先熄灭火焰或使用挡火板。用一烧杯收集滤液。注意每次倒入漏斗中的液体不要太满；也不要等溶液全部滤完后再加。

方法二：可把布氏漏斗预热，然后便可趁热过滤。可避免晶体析出而损失。

上述两种方法在过滤时，应先用溶剂润湿滤纸，以免结晶析出而阻塞滤纸孔。

本次实验用布氏漏斗和吸滤瓶来趁热过滤。

4.结晶析出

将上述热过滤后的溶液转移至烧杯静置、自然冷却，或使用相应的冰水浴或冰盐浴，使结晶慢慢析出。若放冷后也无结晶析出，可用玻璃棒在液面下摩擦器壁或投入该化合物的结晶作为晶种，促使晶体较快地析出。

5.抽滤分离结晶

用布氏漏斗和吸滤瓶抽滤上述含结晶的溶液，使结晶和母液迅速分离。用玻璃塞挤压晶体，尽量将母液除去。用少量溶剂洗涤几次，除去晶体表面吸附的杂质。停止抽滤时，先拔抽气管，再关泵，以防倒吸。

6.晶体的干燥

首先称出表面皿的质量，再用刮刀将结晶移至表面皿上。可采用以下几种方法干燥晶体，但不管采用何种方法，均应干燥至晶体恒重。

①摊开成薄层，置空气中晾干或在干燥器中干燥。

②用蒸气浴干燥：用小烧杯加入适量水加热至沸，产生蒸气，将表面皿置于烧杯上烘干。

③将滤饼置于表面皿上，用烘箱加热烘干，注意温度设置不得高于晶体的熔点。

若纯度不合格，可再进行一次重结晶，重复上述操作，直至获得纯品。

7.晶体的称量与回收

纯苯甲酸为无色针状晶体，熔点122.4℃。

【注意事项】

1.不要在沸腾的溶液中加入活性炭，以免暴沸冲出。

2.抽滤时防止倒吸。

3.洗涤晶体时，先关闭水泵，加入少量冷水，用玻璃棒松动晶体，然后开泵抽干。

【思考题】

1.加热溶解待重结晶的粗产品时，为什么加入溶剂的量要比计算量略少？然后逐渐添加到恰好溶解，最后再加入少量的溶剂。

2.用活性炭脱色为什么要待固体物质完全溶解后才能加入？为什么不能在溶液沸腾时加入活性炭？

3.使用有机溶剂重结晶时，哪些操作容易着火？

4.使用布氏漏斗过滤时，如果滤纸大于布氏漏斗瓷孔面时，有什么不好？

5.停止抽滤时，如不先打开安全活塞就关闭水泵，会有什么现象产生，为什么？

6.在布氏漏斗上用溶剂洗涤滤饼时应注意什么？

7.如何鉴定经重结晶纯化过的产品的纯度？

8.请设计用70%乙醇重结晶萘的实验装置，并简述实验步骤。