Цель занятия: Ознакомления с основными методами очистки веществ, в частности, с фильтрованием под обычным давлением (простым и складчатым фильтром), горячим, под вакуумом.
План занятия:
1. Закрепить знания и навыки по основным методам очистки веществ.
2. По заданию преподавателя провести очитку загрязненной соли методом фильтрования.
Материалы и оборудование: стаканы, стеклянные палочки, плоскодонные и конические колбы, воронки, штатив, фильтровальная бумага, раствор поваренной соли, песок.
Лабораторный практикум
Для очистки веществ в зависимости от агрегатного состояния применяются различные методы. Очистка твердых веществ обычно осуществляется двумя методами: перекристаллизацией и возгонкой, жидкостей - фильтрованием и перегонкой, газов - поглощением примесей различными химическими реагентами.
Для отделения (очистки) жидкостей от нерастворимых твердых веществ применяется фильтрование. Фильтрование осуществляется путем пропускания жидкости через пористые материалы - фильтры.
В качестве фильтрующих материалов могут быть использованы кварцевый песок, асбест, стеклянная вата, фарфоровые пластинки (тигли Гуча), прессованное стекло (тигли Шотта), текстильные ткани, вата, бумажные фильтры (фильтровальная бумага различной платности).
Выбор фильтрующего материала зависит от свойств фильтруемой жидкости, размеров твердых частиц. В лаборатории чаще всего используют бумажные
фильтры - простые или складные. Простой фильтр применяется тогда, когда осадок необходим для дальнейшей работы. Простой фильтр готовят из квадратного листа бумаги, соответствующего по размерам ворони, складывают его пополам (рис. 33), как показано пунктирной линией и еще раз пополам
Внешние углы обрезают по дуге с таким расчетом, чтобы край фильтра был ниже края воронки на 0,5-1 см. Отворачивают одну четвертую часть сложенного фильтра и вставляют в
воронку, прижимают пальцами к стенкам воронки, смачивая дистиллированной водой. Необходимо, чтобы фильтр плотно прилегал к станкам воронки.
Складчатый фильтр. Внимательно ознакомьтесь с изготовлением складчатого фильтра. Проверьте правильность ваших умений по изготовлению складчатого фильтра у преподавателя.
Для легко фильтрующихся жидкостей применяется фильтрование под обычным давлением, трудно фильтруемых - фильтрование под вакуумом. Для вязких жидкостей и насыщенных растворов горячее фильтрование.
Для фильтрования под обычным давлением собирают прибор. Когда жидкости останется немного, осадок взбалтывают и переносят на фильтр. Жидкость, прошедшая через фильтр, называется фильтратом или маточным раствором. Остатки осадка смывают на фильтр дистиллированной водой из промывалки.
Промывание осадков производится водой или специальным растворителем, наливая его небольшими порциями, дают раствору полностью стечь и только после этого наливают следующую порцию. После 4-5 промывок проверяют качественно полноту отмывки от тех или иных примесей. Для этого в чистую пробирку отбирают несколько капель вытекающей жидкости и проводят реакцию на отмываемый ион (например, ион Сl – AgNO 3 ; ион SO 4 – ВаСl 2). Появление мути требует дальнейшего промывания осадка. Промывную жидкость собирают отдельно от основного фильтрата.
Для отделения и промывания труднорастворимых и медленно фильтрующихся осадков применяется метод декантации. До начата фильтрования образовавшемуся осадку дают осесть на дно сосуда. Осветленный раствор осторожно сливают с осадка на фильтр. К осадку вновь приливают растворитель, перемешивают, дают раствору отстояться. Жидкость снова сливают, а к осадку приливают растворитель и так повторяют несколько раз. Затем осадок переносят на фильтр для дальнейшей промывки.
Задание. Собрать прибор для фильтрования под обычным давлением. Ознакомиться со штативом и его сборкой. Отфильтровать по заданию преподавателя 50 мл
взвеси - песок вода, глина - вода. Освоить методик количественного перенесения осадка, пользуясь палочкой и промывалкой.
Для более быстрого отделения твердых веществ от жидкости применяют фильтрование под вакуумом. Фильтрование под уменьшенным давлением производится в приборе, который состоит из толстостенной колбы Бунзена (1) с боковым отростком и вставленной в нее, с помощью резиновой пробки, фарфоровой воронки Бюхнера (2) с решетчатым дном. На дно воронки помешают два фильтра один по диаметру дна воронки, а другой на 0,5 см больше первого. Обрезав по контуру воронки, фильтр окончательно подгоняют к воронке. Меньший фильтр кладется на дно воронки, смачивается водой и прижимается к дну воронки, а сверху кладется второй фильтр, края которого расправляются по стенкам воронки. Разряжение создается с помощью насоса. Прибор присоединяют к насосу для того, чтобы
фильтры плотно присосались к дну и стенкам воронки, затем прибор отключают. В воронку Бюхнера при помощи стеклянной палочки, наливают раствор с осадком, после чего прибор присоединяют к насосу через предохранительную склянку. Разряжение в колбе следует создавать постепенно по мере накопления осадка. Осадок на фильтре следует отжать.
После окончания фильтрования колбу следует отсоединить от предохранительной склянки и только после этого закрыть водопроводный кран.
Для извлечения осадка из воронки ее вынимают из колбы, переворачивают на лист фильтровальной бумаги и, ударяя рукой по воронке, удаляют осадок. Вместо воронки Бюхнера для этих же целей можно пользоваться тиглями Гуча или стеклянными воронками Шотта с различным диаметром пор.
Лапание По указанию преподавателя собрать прибор с воронкой Бюхнера и стеклянной воронкой Шотта. Ознакомиться с работой водоструйного или др. насоса.
Вопросы и задания
1. Для чего служит фильтрование?
2. Зачем используются простые и складчатые фильтры?
3. Назовите материалы из которых сделаны фильтры?
4. Методика фильтрования при обычном давлении.
5. Методика фильтрования под вакуумом.
6. Темы рефератов
7. Опыты, доказывающие сложность строения атома.
8. Попытки систематизации элементов. Открытие периодического закона.
Задачи и упражнения для СРС
Н.Л.Глинка Задачи и упражнения по общей химии. 140-164 задачи и вопросы. Стр.37-39.
Лабораторная работа №3
Тема:Основные приемы работы в химической лаборатории. Весы. Взвешивание
Цель занятия: освоить основные приемы работы в химической лаборатории и овладеть техникой взвешивания Познакомиться с различными видами весов.
План занятия:
1. Ознакомится с работой технических, технохимических, аналитических, электронных весов.
2. По заданию преподавателя провести взвешивание необходимого количества вещества.
Материалы и оборудование: технические весы, технохимические весы, аналитические весы, электронные весы, разновесы.
Лабораторный практикум
Взвешиванием на рычажных весах называют сравнение массы данного тела с массой гирь, масса которых известна и выражена в определенных единицах (мг, г, кг и др.). Весы являются важнейшим прибором в химической лаборатории, так как почта ни одна работа в ней не обходится без определения массы того или иного вещества или тары, в которую помешают взвешиваемое вещество.
Для взвешивания веществ с точностью до 0,01 г применяют техно-химические весы (рис.1)
Рис. 1. Техно-химические весы и разновес (1 - колонка, 2-аррегир, 3 - чашки весов, 4 - стрелка, 5 шкала, 6 отвес, 7 - винты для установки весов в горизонтальном положении, 8 - коромысло, 9 - винты для уравновешивания пустых чашек весов)
Принцип устройства техно-химических и аналитических весов один и тог же. На металлическом коромысле (равноплечий рычаг) имеются три призмы: два на концах и одна посередине его (рис. 2).Средняя призма покоится на пластинке, находящейся на центральной колонке весов и являющейся точкой опоры. В аналитических весах пластинка сделана из агата. На боковых призмах лежат пластинки, к которым подвешиваются чашки весов. Коромысло снабжено длинной стрелкой, которая показывают на шкале величину отклонения коромысла от горизонтального положения. При горизонтальном положении коромысла стрелка находится на нулевом делении шкалы.
Перед взвешиванием необходимо установить весы по отвесу. Переносить или сдвигать весы с места после установки не разрешается. Прежде чем приступить к взвешиванию, необходимо проверить весы. Для этого плавным поворотом винта, приподнимающего и опускающего коромысло (арретир), весы приводят в рабочее положение и наблюдают за качанием стрелки в ту и другую сторону от среднего деления шкалы, находящейся в нижней части весов. Если при этом стрелка отклоняется от средней линии шкалы на равное число делений в обе стороны, или же в одну сторону на 1-2 деления больше, чем в другую, то весы можно считать пригодными к работе. По окончании проверки весы необходимо арретировать, т.е, перевести в нерабочее положение обратным поворотом арретира.
При взвешивании необходимо соблюдать следующие правила:
Ставить предметы и разновесы на чашки весов, снимать их оттуда, касаться чем бы то ни было рабочей части весов можно только после того, как весы полностью арретированы.
Не ставить на чашку весов горячих, мокрых или грязных предметов. При работе с жидкостями ни в коем случае не допускать попадания жидкости на весы и разновесы.
Взвешиваемый предмет помещать на левую чашку весов, а разновесы на правую.
Не класть взвешиваемое вещество непосредственно на чашку весов. Твердые вещества взвешивать на часовых (вогнутых) стеклах, в бюксах, в тиглях или на листочках глянцевой бумаги.
Разновесы брать только пинцетом и при снятии с весов класть их в те гнезда, откуда они были взяты. Ни в коем случае разновесы не класть на стол,
Сначала надо взять разновес, приблизительно соответствующий весу предмета Если разновес оказался больше необходимого, то нужно взять следующий за ним и т.д., до тех пор, пока не будет достигнуто равновесие, т.е. приблизительно такое отклонение стрелки в обе стороны от середины шкалы, какое было перед взвешиванием.
Подсчитав общий вес разновесов, записать его в рабочую тетрадь. Не записывать величину навески на отдельных листах, клочках бумаги.
Не брать гири из другого набора разновесов.
При последовательных взвешиваниях одного или различных предметов, которые производятся в связи с одной работой, следует пользоваться одними и теми же весами и разновесами.
После взвешивания весы обязательно арретировать. Навесах ничего не оставлять.
Каждое взвешивание неизбежно сопровождается ошибкой. Поэтому в целях нахождения веса, возможно более приближающегося к истинному, необходимо произвести 4-5 взвешиваний. При последовательных взвешиваниях предмет с весов каждый раз не снимать. Одно взвешивание отделяется от другого только аррегированием весов.
Допускаемую при взвешивании ошибку можно выразить в виде средней квадратичной ошибки. Расчет средней квадратичной ошибки производится следующим образом. Допустим, что произведено 1,2,3... взвешиваний и получены следующие результаты:
а 1 , а 2 ,.. а п
находим среднее арифметическое из этих значений
Средняя квадратичная ошибка 6 определяется следующим выражением
Таким образом, вес предмета равен: А = а ± 6
Задание, Произвести взвешивание натехно-химических весах двух небольших предметов, взятых у лаборанта (весом от 1 до 100 г), с точностью до 0,01 г. Определить среднюю квадратичную ошибку взвешиваний.
Вопросы и задания
1. Общие правила работы в химической лаборатории.
2. Устройство весов. Точность весов. Методика взвешивания.
3. Ошибки при взвешивании. Среднеквадратичная ошибка взвешивания.
Задачи и упражнения для СРС
Н.Л.Глинка Задачи и упражнения по общей химии. Л» 99-114 задачи и вопросы. Стр.26-27.
Лабораторная работа № 4
Тема: Возгонка.
Цель занятия: Ознакомление с методами очитки веществ: возгонкой, перегонкой, перекристализацией.
Материалы и оборудование: круглодонные колбы, стаканы, воронки, штатив, горелка, ступка, фарфоровая чашка, йод.
Лабораторный практикум
При обычных условиях йод твердое вещество с молекулярной кристаллической решеткой. Когда молекулы улетучиваются с поверхности твердого вещества - это называется возгонкой. И при испарении, и при возгонке получаются пары. Фиолетовый дым - это пары йода, на наших глазах при легком нагревании происходит возгонка йода: переход из твердого состояния в газообразное, минуя жидкое. Пары йода поднимаются и оседают на более холодных стенках пробирки в верхней ее части. Здесь снова образуется твердый йод. Твердый йод становится жидким при 113°С, жидкий йод закипает при 184 ◦ С.
Задание: По указанию преподавателя к 6 массовым частям технического I 2 добавить 2 ч СаО и 1 ч KI, смесь растереть в ступке. На дно стакана помещают техническийиод, подлежащий отчистке. Стакан накрывают круглодонной колбой, заполненной холодной водой, ставят на песочную баню и включают нагрев.
Лабораторная работа №5
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ
ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ
ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ
ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ
«Башкирский государственный педагогический
университет им.М. Акмуллы»
(ФГБОУ ВПО БГПУ им.М. Акмуллы)
План-конспект урока на тему:
« Методы очистки веществ»
Выполнил: Маркова Е.
Проверил: к.х.н. Рашидова С.Т.
Методы очистки веществ
Теоретическая часть
Методы очистки и разделения веществ основаны на использовании их различий в химических и физических свойствах. Примерами подобных способов разделения являются перекристаллизация, возгонка и поглощение.
Перекристаллизация - метод очистки, основанный на использовании зависимости растворимости веществ от температуры. Обычно перекристаллизация сводится к растворению вещества в подходящем растворителе при одной температуре и последующем выделении кристаллического осадка при другой температуре, когда раствор становится пересыщенным. Пересыщение одного раствора солей можно достигнуть также путем добавления различных добавок, например, спирта.
Возгонка или сублимация - непосредственное превращение твердого вещества в пар (обычно - при нагревании) минуя жидкое состояние. В дальнейшем пар может быть сконденсирован в кристаллы на охлаждаемой поверхности. Возгонка всегда происходит при температуре ниже температуры плавления вещества. Способностью к возгонке обычно обладают твердые вещества с молекулярной структурой (йод, нафталин, нашатырь, бензойная кислота). Очистка методом возгонки становится возможной в том случае, когда примеси не возгоняются.
Перегонка или дистилляция - метод очистки, основанный на превращении жидкости в пар с последующей конденсацией пара в жидкость. Метод обычно используют для отделения жидкости от растворенных в ней твердых веществ или других нелетучих примесей. Этим методом невозможно разделить компоненты с близкими способностями к парообразованию.
Вода, полученная в результате перегонки, называется дистиллированной.
Метод перекристаллизации основан на различной зависимости растворимости вещества и загрязняющих его примесей от температуры. Перекристаллизацию проводят следующим образом: при повышенной температуре (60 °С) готовят насыщенный раствор очищаемого вещества, полученный раствор фильтруют через воронку для горячего фильтрования для удаления нерастворимых примесей, затем раствор охлаждают. При понижении температуры растворимость вещества понижается и основная часть очищаемого вещества выпадает в осадок. Примеси остаются в растворе, поскольку полученный раствор относительно их остается ненасыщенным. Полученные кристаллы отфильтровывают. Метод позволяет очищать вещества, растворимые в воде, например: хлорид натрия, хлорид аммония, дихромат калия, сульфат меди и др.
Метод сублимации (возгонки) используется для очистки твердых веществ, способных при нагревании переходить из твердой фазы непосредственно в газовую, минуя жидкую фазу. Образующийся газ конденсируется в охлаждаемой части прибора. Возгонку проводят при температуре близкой к температуре плавления вещества. Возможна очистка только от примесей, не способных возгоняться. Метод позволяет очищать вещества, способные возгоняться, например: йод, сера, хлорид аммония и др.
Экспериментальная часть
Опыт 2.1. Очистка йода возгонкой
1. На технохимических весах взвесили 0,3 г кристаллического йода и 0,1 г йодида калия, поместили их в термостойкий стакан для возгонки.
2. Стакан накрыли круглодонной колбой с холодной водой.
3. Стакан осторожно нагревали на электроплите под тягой. Наблюдали возникновение фиолетовых паров и оседание йода на стенках круглодонной колбы.
4. После завершения возгонки нагрев прекратили, кристаллы йода осторожно перенесли на предварительно взвешенную бумагу.
5. Определили массу йода, полученного при возгонке. Она оказалась равной 0,23 г.
6. Определили практический выход йода при очистке по формуле:
Провели очистку йода методом возгонки. Практический выход очищенного йода составил
Опыт 2.2. Очистка воды перегонкой
Рисунок 1. Прибор для перегонки
1. Собрали установку для перегонки воды, схема которой приведена на рисунке 1
Цифрами обозначены:
1 - колба Вюрца с очищаемой водой;
2 - термометр;
3 - холодильник Либиха;
4 - приемник для перегнанной жид-
5 - холодная вода из водопровода;
6 - слив охлаждающей воды
2. Нагревали воду в колбе Вюрца до кипения.
3. Отбросили первые порции дистиллированной воды.
4. Собрали 20 мл дистиллированной воды в коническую колбу.
5. Провели выпаривание на стекле дистиллированной воды и обычной водопроводной воды. Обнаружили, что при выпаривании водопроводной воды остается сухой остаток (белый налет), указывающий на наличие примесей в ней. При выпаривании дистиллированной воды никакого остатка не образуется.
Провели очистку воды методом дистилляции. Обнаружили, что в дистиллированной воде отсутствуют примеси нелетучих веществ.
Опыт 2.3. Очистка углекислого газа
Для получения углекислого газа использовали аппарат Киппа, снаряженный кусками мрамора и 20%-ной соляной кислотой. Образование CO2 происходит по реакции:
CaCO3(тв.) + 2HCl(вод.) CaCl2(вод.) + CO2(газ) + H2O
В качестве примесей к основному продукту могут выступать пары воды и хлороводород.
1. Получаемый в аппарате Киппа газ пропускали через воду в пробирке в течение 2 минут.
2. Проверили наличие хлорид-ионы в полученном растворе с использованием раствора азотнокислого серебра. Наблюдали возникновение помутнения, указывающее на образование AgCl. Данный результат подтверждает присутствие HCl в газообразных продуктах реакции.
3. Получаемый в аппарате газ пропускали через хлоркальциевую трубку, заполненную безводным сульфатом меди (II). Наблюдали возникновение синего окрашивания твердого вещества, указывающего на наличие паров воды в газообразных продуктах реакции.
4. Собрали установку по получению чистого углекислого газа согласно схеме, приведенной на рисунке 2.
5. Экспериментально подтвердили отсутствие примесей HCl и H2O в получаемом углекислом газе.
Опыт 2.4 Очистка твердых веществ.
Задача лабораторной работы: получить m г чистого дихромата калия методом перекристаллизации. Значение m указывается преподавателем каждому учащемуся. Перед выполнением лабораторной работы необходимо выполнить предварительные расчеты.
Предварительные расчеты (пример при m = 10 г):
1. Используя справочную литературу, по таблице растворимости солей при различных температурах определяем растворимость дихромата калия при 20 °С и при 60 °С. Растворимость при 20 °С составляет 11,1 г соли в 100 г раствора, при 60 °С – 31,2 г в 100 г раствора.
2. Вычислим количество соли, которое можно получить при охлаждении до 20 °С 100 г раствора, насыщенного при 60 °С: при 60 °С в насыщенном растворе содержится 31,2 г соли и 68,8 г воды (100 – 31,2), при охлаждении этого раствора до 20 °С количество воды останется неизменным – 68,8 г, а 31,2 г соли распределятся между раствором, насыщенным при 20 °С, и осадком. Определим количество соли, которое останется в растворе. При 20 °С насыщенный раствор массой 100 г содержит 11,1 г соли и 88,9 г воды. Составим пропорцию:
11,1 г соли растворятся в 88,9 г воды,
m г соли растворяется в 68,8 г воды, тогда
(г);
следовательно, в растворе останется:
m (соли) р-р = m (соли) исх. - m (соли) осадок = 31,2 - 8,6 = 22,6 (г).
Таким образом, при охлаждении до 20 °С 100 г раствора, насыщенного при 60 °С, содержащего 31,2 г соли и 68,8 г воды, образуется 22,6 г осадка (чистой соли).
3. Вычислим количество соли и воды, необходимых для получения 10 г чистой соли. Составим пропорции:
если взять 31,2 г соли, образуется 22,6 г осадка,
если взять m 1 г соли, образуется 10 г осадка, тогда
(г);
если взять 68,8 г воды, образуется 22,6 г осадка,
если взять m 2 г воды, образуется 10 г осадка, тогда
(г).
Вычислим объем воды. Плотность воды равна 1 г/мл, следовательно:
(мл).
Таким образом, для получения 10 г чистой соли необходимо взять 13,8 г дихромата калия и 30,4 мл воды. К массе соли добавим 10 %, учитывая массу содержащихся примесей:
m (соли) = 13,8 + 0,1 · 13,8 = 15,2 (г).
Порядок выполнения работы
1. Наливаем в стакан отмеренное мерным цилиндром рассчитанное количество воды.
2. Взвешиваем на весах рассчитанное количество соли.
3. Растираем соль в фарфоровой ступке.
4. Помещаем растертую соль в стакан с водой и нагреваем раствор почти до кипения на электрической плитке с асбестовой сеткой, перемешивая стеклянной палочкой.
5. Полученный раствор отфильтровываем через складчатый фильтр, используя воронку для горячего фильтрования для удаления нерастворимых примесей.
6. Охлаждаем полученный раствор до 20 °С.
7. Выпавшие кристаллы отфильтровываем через предварительно взвешенный фильтр.
8. Несколько кристалликов полученной соли растворяем в 2 мл дистиллированной воды и добавляем 1–2 капли раствора нитрата серебра для определения наличия хлоридов.
9. Несколько кристалликов полученной соли растворяем в 2 мл дистиллированной воды и добавляем 1–2 капли раствора хлорида бария для определения наличия сульфатов.
10. Если образуются осадки хлорида серебра и/или сульфата бария, то проводим повторную перекристаллизацию, предварительно рассчитав количество воды, необходимое для приготовления насыщенного при 60 °С раствора, содержащего полученную массу соли.
11. Перекристаллизованный чистый дихромат калия на фильтре помещаем в фарфоровую чашку и высушиваем в сушильном шкафу при 60 °С до постоянной массы (взвешивание проводим каждые 15–20 минут, если после 2 взвешиваний масса не изменилась, то соль высушена).
12. Определяем массу полученной соли, отняв из массы соли с фильтром массу фильтра.
13. Рассчитываем практический выход:
Выход должен составлять не менее 80 %.
Разделение и очистка веществ являются операциями, обычно связанными между собой. Разделение смеси на составляющие чаще всего преследует цель получения чистых, по возможности без примесей, веществ. Однако само понятие о том, какое вещество следует считать чистым, еще окончательно не установлено, так как требования к чистоте вещества меняются. В настоящее время методы получения химически чистых веществ приобрели особое значение.
Разделение и очистка веществ от примесей основываются на использовании их определенных физических, физико-химических или химических свойств.
Техника важнейших методов разделения и очистки веществ (перегонка и сублимация, экстракция, кристаллизация и перекристаллизация, высаливание) описана в соответствующих главах. Это - наиболее распространенные приемы, чаще всего используемые не только в лабораторной практике, но и в технике.
В отдельных наиболее сложных случаях используют специальные методы очистки.
Диализ может быть использован для разделения и очистки веществ, растворенных в воде или в органическом растворителе. Этим приемом чаще всего пользуются для очистки высокомолекулярных веществ, растворенных в воде, от примесей низкомолекулярных или от неорганических солей.
Для очистки методом диализа необходимы так называемые полупроницаемые перегородки, или мембраны» Особенность их заключается в том, что они имеют поры, позволяющие проходить через них веществам, размер молекул или ионов которых меньше размеров пор, и задерживать вещества, размеры молекул или ионов которых больше размеров пор мембраны. Таким образом, диализ можно рассматривать как особый случай фильтрования.
Рис. 477. Диализатор с мешалкой.
В качестве полупроницаемых перегородок или мембран могут быть использованы пленки из очень многих высокомолекулярных и высокополимерных веществ. В качестве мембран применяют пленки из желатина, из альбумина, пергамент, пленки из гидратцел-люлозы (типа целлофана), из эфпров целлюлозы (ацетат, пи грат н пр.), из многих продуктов полимеризации п конденсации. Из неорганических веществ находят применение: иеглазуроваииый фарфор, плитки из некоторых сортов обожженной глины (типа коллоидных глин, как бентонит), прессованное мелкопористое стекло, керамика и др.
Основными требованиями к мембранам являются: 1) нерастворимость в том растворителе, на котором приготовлен диализируемый раствор; 2) химическая инертность по отношению как к растворителю, так и к растворенным веществам; 3) достаточная механическая прочность.
Многие мембраны способны набухать в воде или другом растворителе, теряя при этом механическую прочность. Набухшая пленка может быть легко повреждена или разрушена. В подобных случаях пленку для диализа изготовляют на какой-нибудь прочной основе, например на ткани, инертной к растворителю (хлопчатобумажная, шелковая, из стекловолокна, из синтетического волокна и др.), или па фильтровальной бумаге. Иногда для придания мембранам механической прочности их укрепляют металлическими сетками (армирование) из соответствующего металла (бронза, платина, серебро и пр.).
Для получения различной пористости у мембран из эфиров целлюлозы или из некоторых других высокополимерных веществ в соответствующие лаки вводят различное количество воды. При высыхании лаковой пленки получается мембрана молочного цвета, имеющая заданную пористость (об этом см. гл. 9 «Фильтрование»).
Для диализа применяют приборы называемые диализаторами (рис. 477). Они могут иметь различную конструкцию. Техника работы с диализаторами очень проста. Полупроницаемая мембрана разделяет прибор обычно на две части *. В одну половину прибора наливают раствор, подлежащий диализу, а в другую половину - чистый растворитель, причем последний обычно обновляют (постоянный ток жидкости). Если чистый растворитель не менять, то концентрации проходящих через мембрану веществ с обеих сторон ее в конце концов уравновесятся и диализ практически остановится. Если же растворитель все время обновлять, то из диализируемого раствора можно практически удалить все растворимые вещества, способные проникать через мембрану.
Скорость диализа неодинакова для различных веществ и зависит от ряда условий и свойств вещества, которое очищают. Повышение температуры раствора и обновление растворителя способствуют ускорению диализа.
Во многих случаях вместо обычного диализа применяют электродиализ**. Применение электрического тока при диализе ускоряет процесс и создает ряд других преимуществ.
Осаждение малорастворимых веществ. Этим приемом широко пользуются для аналитических целей, получая осадки, содержащие только какое-нибудь одно, неорганическое или органическое, вещество. Полученный осадок может быть дополнительно очищен или промыванием («Фильтрование», или повторным переосаждением после растворения осадка, или экстрагированием соответствующими растворителями в определенных для каждого случая условиях.
Аппаратура, применяемая для проведения этого метода, зависит от свойств веществ и свойств растворителей. Часто операцию можно проводить просто в стакане или в колбе. В других же случаях собирают герметизированную аппаратуру, подобную той, которая описана в гл. 10 «Растворение». Осадки отфильтровывают, промывают и затем подвергают дальнейшей обработке (перекристаллизации, сушке и т. д.).
* Имеются диализаторы, состоящие из трех частей и двух мембраи, разделяющих их.
** РЖХим., 1957, Ni 10, 247, реф. 34670.
Отделение малора«гворимого осадка от маточного раствора можно достичь отстаиванием с последующим промыванием осадка с применением декантации или центрифугирования. Чем продолжительнее отстаивание, тем больше уплотняется слой осадка. Однако не рекомендуется давать осадкам отстаиваться слишком долго, так как со временем между осадком и маточным раствором могут возникать побочные процессы (адсорбция других ионов, комп-лексообразование с растворителем), затрудняющие последующую "обработку отделяемого осадка.
Комплексообразование является одним из приемов выделения чистых веществ , особенно неорганических. Комплексные соединения могут быть или труднорастворимыми в воде, но легкорастворимыми в органических растворителях, или наоборот. В первом случае осадки обрабатывают, как описано выше. Если же комплексное соединение легко растворяется в воде, его можно извлечь в чистом виде из водного раствора путем экстрагирования подходящим органическим растворителем или же разрушить комплекс тем или иным путем.
Приемом комплексообразования можно выделить металлы в очень чистом виде. Это особенно касается редких и рассеянных металлов, которые могут быть выделены в виде комплексов с органическими веществами.
Образование летучих соединений. Этим приемом можно пользоваться в том случае, если образуется летучее соединение только выделяемого вещества, например какого-либо металла. В том случае, если одновременно образуются летучие соединения примесей, этот прием применять не рекомендуется, так как освобождение от летучих примесей может оказаться затруднительным. Во многих случаях образование летучих галогенидов (хлористые или фтористые соединения) некоторых веществ может оказаться очень эффективным как метод очистки, особенно в сочетании с вакуум-перегонкой. Чем ниже температура возгонки или кипения интересующего нас вещества, тем легче его отделить от других и очистить фракционной перегонкой или диффузией.
Скорость диффузии газообразных веществ через полупроницаемые перегородки зависит от плотности и молекулярной массы очищаемого вещества и почти обратно пропорциональна им,
Зонная плавка. Зонную плавку можно рассматривать как частный случай экстракции расплавленным веществом, когда твердая фаза вещества находится в равновесии с его жидкой фазой. Если растворимость в жидкой фазе какой-либо примеси, содержащейся в очищаемом веществе, отличается от растворимости в твердой фазе, то очистка от этой примеси теоретически возможна *. Этот метод особенно ценен для очистки таких соединений (преимущественно органических), которые имеют низкое давление паров или разлагаются при перегонке. Для соединений, имеющих низкую теплопроводность, зону плавления можно создать, применяя высокочастотный нагрев с диэлектрическим сопротивлением. Метод зонной плавки дает возможность полностью использовать исходные вещества и позволяет получать большие монокристаллы органических веществ и некоторых металлов (например, алюминия, германия и др.).
В простейшей форме метод зонной плавки в применении к металлам состоит в медленном перемещении расплавленной зоны вдоль стержня из металла.
Метод зонной плавки может найти широкое применение для приготовления чистых органических соединений.
Очистка бензойной кислоты . Цилиндрический сосуд наполняют расплавленной бензойной кислотой. Этот цилиндр с затвердевшей кислотой медленно пропускают через обогреваемое кольцо таким образом, чтобы расплавленная зона передвигалась вверх по цилиндру. Двукратная обработка бензойной кислоты таким приемом заменяет 11 перекристаллизации из бензола.
Очистка нафталина от антрацена **. Загрязненный нафталин помещают в трубку (из стекла пирекс) длиной около 900 мм и диаметром 25 мм. Эту трубку пропускают через небольшой цилиндрический нагреватель (может быть использована трубчатая печь для микроанализа, снабженная реостатом). Печь передвигают вниз с такой скоростью, чтобы расплавленная зона длиной около 50 мм могла бы переместиться по всей длине трубки за 24 ч. После этого нагреватель возвращают в исходное положение и цикл обработки повторяют. После 8 циклов содержание антрацена в верхней половине взятого для обработки нафталина составляло 1-10-4%
* P f а п n W. S. J„ MeUIs1 4, 747 (1952). ** Ind. Chemist, 31, Кз 370, 535 (1955).
Метод зонной плавки используют для получения чистого германия, а также для очистки соединений, когда один или оба компонента смеси летучи или разлагаются при нагревании **.
В настоящее время делаются попытки применить метод зонной плавки для очистки жидкостей. Этот метод оказался применим для"очистки только предварительно замороженной жидкости. Для этого жидкость помещают в узкую и длинную стеклянную лодочку (шириной 12 мм, длиной 110 мм) и замораживают при -30° С, с помощью циркуляционного охлаждающего устройства, работающего на смеси твердой углекислоты с ацетоном. Замороженную жидкость в лодочке медленно протягивают с помощью моторчика Уоррена со скоростью 1 см/ч через несколько последовательных зонных нагревателей, расположенных на расстоянии около 1,8 см друг от друга и представляющих собой витки нихро.мовой проволоки диаметром 0,5 мм (0,5 ом/м) в пазах небольших керамических блоков. Силу тока подбирают такой, чтобы температура расплавленных узких зон в замороженной жидкости была 3--4° С. Расплавленные зоны, перемещаясь одна за другой, увлекают за собой примеси, имевшиеся в жидкости. Примеси концентрируются в конечной части бруска замороженной жидкости. Таким приемом можно очищать водные и неводные растворы и выделять растворенные или только тонко диспергированные вещества.
Аппаратурное оформление метода зонной плавки зависит от свойств взятых веществ, и рекомендовать какую-либо стандартную аппаратуру в этом случае трудно.
Хроматография и ионный обмен. Эти методы основаны на использовании явления сорбции для извлечения веществ, содержащихся в растворах.
Метод хроматографии особенно важен для концентрирования веществ, содержание которых в исходном растворе очень мало, а также для получения чистых препаратов. При помощи этого метода были получены редкоземельные и заураповые элементы высокой чистоты. Многие фармацевтические и органические препараты очищают и получают в чистом виде при помощи этого метода. Почти во всех случаях, когда поставлена задача очистки или отделения какого-либо вещества из смеси, находящейся в растворе, хроматография и ионный обмен могут оказаться надежными методами.
Для ионного обмена применяют так называемые иониты, представляющие собой неорганические или органические адсорбенты (преимущественно смолы разных марок). По своим химическим свойствам они разделяются на следующие группы: катнониты, ани-ониты и амфолиты. Катиониты обменивают катионы. Аниониты обладают способностью обменивать анионы. Амфожгты способны обменивать как катионы, так и анионы-в зависимости от рН среды и свойств вещества, которое должно быть поглощено ионитом.
Для хроматографии в ряде случаев применяют очень простую аппаратуру (рис.478).
Иониты способны к ионному обмену до полного насыщения их поглощаемым ионом. Отработанные иониты регенерируют путем промывания катионитов кислотой, анионитов-щелочами.* В элюате (жидкость, получаемая при промывании ионита) будут находиться адсорбируемые ионитом ионы.
Для разделения и фракционирования полимеров предложен способ фильтрации их растворов через гель, названный «сефадекс» (Швеция). Этот способ называют г е л ь - ф и л ь т р а ц и е й. По существу он является хроматографическим разделением высокомолекулярных веществ на колонке.
Сефадекс выпускается в виде мелких зерен, набухающих в воде. Ниже приведены типы сефадскса и для примера - молекулярные веса разделяемых полисахаридов:
При использовании других веществ границы молекулярных весов могут отклоняться от приведенных значений в ту или иную сторону. Так, для белковых веществ диапазоны молекулярных весов шире, чем в случае полисахаридов. Для использования сефадекса сконструирована хро-матографическая колонка с рубашкой; колонка выполнена из боросиликатного стекла.
Вначале сефадекс смешивают с водой, взмучивают полученную смесь, вливают в колонку и дают осесть. Затем в колонку добавляют концентрированный раствор исследуемого вещества так, чтобы не взмучивался верхний слой сефадекса. Равновесие устанавливается очень быстро, поэтому скорость вымывания по сравнению с обычными иопитами может быть большой. Фракции контролируют или спектрофотометрически (органические полимеры), или по электропроводности (растворы неорганических веществ). Метод гель-фильтрования полностью заменяет диализ и электродиализ. При его помощи можно очень тонко фракционировать полимеры, которые мало отличаются между собой по молекулярным массам.
О зонной плавке льда см. Shildknecht H., M а п п 1 A., Angew. Chem., 69, Ня 20, 634 (1957); РЖХим, 1958, Ms 11, 107, реф. 35844; П ф а и н В. Дж., Зонная плавка, Металлургиздат, 1960.
Об автоматической аппаратуре для зонной плавки малых ко-: личеств веществ см. W i I m a n W. G., Chem. a. lnd., № 45, 1825 (1961); РЖХим, 1962, реф. 9Е34.
Приборы для зонной плавки органических соединении см. Ma ire J., Moritz J. С, Kief с г R., Symposium fiber Zoncn-schmelzen und Kolonnen - kristallisiereii, Karlsruhe, S. 1, s, a, 121 (1963); РЖХим, 1965, 14Д76.
Получение органических веществ высокой чистоты путем непрерывной кристаллизации в колонках и зонной плавки описали Schildknecht H., Ma as К., Kr a us W., Chem. lug. Techn.. 34, № 10, 697 (1962); РЖХим, 1964, 6Д70.
Зоиная плавка органических веществ, Херингтон E., пер. с англ., Изд. «Мир», I9G5; РЖХим, 1965, 13Б363К.
О зонной плавке органических соединений см. Wilcox W. R., Friedenberg R„ Back N., Chem. Revs, 64, Ki 2, 186 (1964); РЖХим, 1964, 19Б359.
Установка для зонной плавки см. Абакумов Б. И., Коновалов Э. Е„ Зав. лаб., 29, Ki 12, 1506 (1963); РЖХим, 1964, 24Д93.
Установку для бестигельной зонной плавки веществ с малым поверхностным натяжением описали Шплкин А. И., Ки-лиев А. А., Зав. лаб., 29, Ki 12, 1504 (1953); РЖХим, 1964, 24Д94.
О новых методах разделения в химии см. Muss о H., Natur-wiss., 45, № 5, 97 (1958); РЖХим, 1958, № 21, 148, реф. 70711.
О хроматографических методах очистки и выделения веществ см. Хроматографический метод разделения ионов. Сборник статей, Издатинлит, 1949; Ионный обмен. Сборник статей, Издатинлит, 1951; Лннстед Р., Эльвидж Дж., В о л л и M., В и л к и н с о н Дж., Современные методы исследования в органической химии, Издатинлит, 1959.
О молекулярных ситах см. Minkoff G. I., Duffett R. Н. E., BPMag., Ks 13, 16 (1964); РЖХим, 1965, 17А28.
Изготовление, свойства и применение синтетических цеолитов (молекулярных сит) см. Espe W., Hvbl С, 9 Internal Kolloq. Techn. Hochschule Ilmenau; РЖХим, 1966, 20Б814.
Об использовании синтетического цеолита типа А для очистки рубидия от калия, цезия и натрия непрерывным протнвоточным ионообменным методом см. Горшков В. И., Федоров В. А., Толмачев A. M., ЖФХ, 40, Ki 7, 1436 (1966); РЖХим, 1966, 24 Б1268.
О методе разделения растворенных веществ, основанном на различии в скоростях диффузии см. N i е s е 1 W., Roskenblock H., Naturwis., 50, Ki 8, 328 (1963); РЖХим, 1964, 5Б612.
Кристаллизация в колонке - лабораторный метод для тонкого
Разделения кристаллизующихся веществ см. Schild-Knecht H., lossler S., Ma a s K-, Glas- u. Instr.-Techn., 7, № 6, 281, 285, 289 (1963); РЖХим, 1964, 7Д66.
Применение хроматографии, основанной на проникновении вещества в гель, к веществам с низким и высоким молекулярным весом см. M а 1 е у L. E., Am. Chem. Soc. Polymer Preprints, 5, Ki 2, 720 (1964); РЖХим, 1965, 10Б1346.
Сефадекс и гель-фильтрация см. Ing. chim., 1963, № 3, 7 (1963); РЖХим, 1965, 10Б1344
Чистое вещество содержит частицы только одного вида. Примерами могут служить серебро (содержит только атомы серебра), серная кислота и оксид углерода (IV ) (содержат только молекулы соответствующих веществ). Все чистые вещества имеют постоянные физические свойства, например, температуру плавления (Т пл ) и температуру кипения (Т кип ).
Вещество не является чистым, если содержит какое-либо количество одного или нескольких других веществ – примесей .
Загрязнения понижают температуру замерзания и повышают температуру кипения чистой жидкости. Например, если в воду добавить соль, температура замерзания раствора понизится.
Смеси состоят из двух или более веществ. Почва, морская вода, воздух – все это примеры различных смесей. Многие смеси могут быть разделены на составные части – компоненты – на основании различия их физических свойств.
Традиционными методами, которые используются в лабораторной практике с целью разделения смесей на отдельные компоненты, являются:
фильтрование,
отстаивание с последующей декантацией,
разделение с помощью делительной воронки,
центрифугирование,
выпаривание,
кристаллизация,
перегонка (в том числе фракционная перегонка),
хроматография,
возгонка и другие.
Фильтрование. Для отделения жидкостей от взвешенных в ней мелких твердых частиц применяют фильтрование (рис.37) , т.е. процеживание жидкости через мелкопористые материалы – фильтры , которые пропускают жидкость и задерживают на своей поверхности твердые частицы. Жидкость, прошедшая через фильтр и освобожденная от находившихся в ней твердых примесей, называется фильтратом .
В лабораторной практике часто применяют гладкие и складчатые бумажные фильтры (рис.38) , сделанные из непроклеенной фильтровальной бумаги.
Для фильтрования горячих растворов (например, с целью перекристаллизации солей), применяют специальную воронку для горячего фильтрования (рис.39) с электрическим или водяным обогревом).
Часто применяют фильтрование под вакуумом . Фильтрование под вакуумом используют для ускорения фильтрования и более полного освобождения осадка от раствора. Для этой цели собирают прибор для фильтрования под вакуумом (рис.40) . Он состоит из колбы Бунзена, фарфоровой воронки Бюхнера, предохранительной склянки и вакуум-насоса (обычно водоструйного).
В случае фильтрования суспензии малоорастворимой соли кристаллы последней могут быть промыты дистиллированной водой на воронке Бюхнера для удаления с их поверхности исходного раствора. Для этой цели используют промывалку (рис.41) .
Декантация . Жидкости могут быть отделены от нерастворимых твердых частиц декантацией (рис.42) . Этот метод можно применять, если твердое вещество имеет большую плотность, чем жидкость. Например, если речной песок добавить в стакан с водой, то при отстаивании он осядет на дно стакана, потому что плотность песка больше, чем воды. Тогда вода может быть отделена от песка просто сливанием. Такой метод отстаивания и последующего сливания фильтрата и называется декантацией.
Центрифугирование. Д ля ускорения процесса отделения очень мелких частиц, образующих в жидкости устойчивые суспензии или эмульсии, используют метод центрифугирования . Этим методом можно разделить смеси жидких и твердых веществ, различающихся по плотности. Разделение проводится в ручных или электрических центрифугах (рис.43) .
Разделение двух несмешивающихся жидкостей, имеющих различную плотность и не образующих устойчивых эмульсий, можно осуществить с помощью делительной воронки (рис.44) . Так можно разделить, например, смесь бензола и воды. Слой бензола (плотность = 0,879 г/см 3 ) располагается над слоем воды, которая имеет большую плотность ( = 1,0 г/см 3 ). Открыв кран делительной воронки, можно аккуратно слить нижний слой и отделить одну жидкость от другой.
Выпаривание (рис.45) – этот метод предусматривает удаление растворителя, например, воды из раствора в процессе нагревания его в выпарительной фарфоровой чашке. При этом выпариваемая жидкость удаляется, а растворенное вещество остается в выпарительной чашке.
Кристаллизация – это процесс выделения кристаллов твердого вещества при охлаждении раствора, например, после его упаривания. Следует иметь в виду, что при медленном охлаждении раствора образуются крупные кристаллы. При быстром охлаждении (например, при охлаждении проточной водой) образуются мелкие кристаллы.
Перегонка - метод очистки вещества основанный на испарении жидкости при нагревании с последующей конденсацией образовавшихся паров. Очистка воды от растворенных в ней солей (или других веществ, например, красящих) перегонкой называется дистилляцией , а сама очищенная вода – дистиллированной.
Фракционная перегонка (рис.46) применяется для разделения смесей жидкостей с различными температурами кипения. Жидкость с меньшей температурой кипения закипает быстрее и раньше проходит через фракционную колонку (или дефлегматор ). Когда эта жидкость достигает верха фракционной колонки, то попадает в холодильник , охлаждается водой и через алонж собирается в приемник (колбу или пробирку).
Фракционной перегонкой можно разделить, например, смесь этанола и воды. Температура кипения этанола 78 0 С, а воды 100 0 С. Этанол испаряется легче и первым попадает через холодильник в приемник.
Возгонка – метод применяется для очистки веществ, способных при нагревании переходить из твердого состояния в газообразное, минуя жидкое состояние. Далее пары очищаемого вещества конденсируются, а примеси, не способные возгоняться, отделяются.
Занятие 8 ХИМИЧЕСКИЕ РЕАКТИВЫ И СПОСОБЫ ИХ ОЧИСТКИ
Значение темы
Проведение анализа в лаборатории невозможно без использования химических веществ, называемых реактивами. Количество различных веществ, используемых в анализе огромно. Знания свойств реактивов, правил их хранения и работы с ними необходимо в каждодневной работе медицинского лабораторного техника. В лаборатории может не оказаться реактива нужной степени чистоты. Кроме того, многие соли, содержащие кристаллизационную воду, при хранении теряют часть этой воды. Гигроскопичные вещества при хранении поглощают пары воды из воздуха. Такие реактивы, как спирт, бензол, эфир, содержат большее или меньшее количество воды. Во всех этих случаях реактивы очищают.
знать:
Классификацию химических реактивов;
Правила хранения и пользования химическими реактивами;
Методы очистки химических реактивов от примесей;
Устройство дистиллятора, правила работы.
уметь:
Проводить очистку химических реактивов методом возгонки, перекристаллизации;
Демонстрировать работу дистиллятора.
Химические реактивы (реагенты химические, или химреактивы) – это химические вещества, которые используют для анализа в исследовательских, лабораторных работах. В теории для проведения исследований было бы здорово использовать абсолютно чистые химреактивы (состоящие из одного вида частиц), но на практике чистым реагентом считает такое вещество, в котором присутствует наименьшее количество примесей, которого можно достичь при современном развитии науки и техники. Таким образом, все химические реактивы можно классифицировать по степени их чистоты.
КЛАССИФИКАЦИЯ РЕАКТИВОВ
По степени чистоты
Характеристика
цвет полосы на этикетке
Технический
тех.
Содержание основного вещества от 70 %. Такие реактивы содержат много примесей и применяются для выполнения вспомогательных работ.
светло-коричневая
Очищенный
ч.
содержание основного вещества от 98%. Такие реактивы содержат всего 2 % примесей.
зеленая
Чистый для анализа
ч.д.а.
содержание основного вещества около 99 %, % зависит от сферы применения. С помощью таких реактивов проводятся точные аналитические исследования. Реактивы содержат 0,5-1 % примесей.
синяя
химически чистый
х.ч.
Содержание основного компонента составляет 99 % и выше. Они содержать не более 0,001-0,00001 % примесей.
красная
Для специальных целей:
К ним относятся вещества высокой чистоты. Содержание основного компонента составляет почти 100 %. Содержание примесей составляет 10 -5 -10 -10 %.
Спектрально чистые
с.п.ч.
Эталонной чистоты
э.ч.
Коричневая
Особо чистые
о.ч.
Желтая
По употреблению
Общеупотребительные индикаторы
Красители для микроскопии,
Красители для хроматографии,
Реактивы для дезинфекции.
III. По свойствам
А) Гигроскопичные (влагочувствительные) реактивы. Поглощение влаги может Поглощение влаги может происходить при негерметичной упаковки реактива и может привести не только к увлажнению вещества, но и изменению его свойств.
Б) Светочувствительные реактивы. Некоторые вещества под действием света изменяются, вступая в реакции окисления, восстановления, изомеризации и т.п.
В) Пожароопасные реактивы. К ним относятся такие соединения, которые способны от кратковременного контакта с источником зажигания (искра, пламя, нить накала) или самопроизвольно воспламеняться.
Г) Ядовитые реактивы. Многие химические реактивы в большей или меньшей степени ядовиты. Особенно опасно систематическое попадание в организм человека в течение длительного времени соединений, вызывающих хронические отравления (соединения ртути, мышьяка, синильной кислоты, ментол и др.). Даже соединения, которые используются каждодневно в больших количествах, могут быть токсичными. Работать с такими веществами нужно только в вытяжном шкафу.
Примеры реактивов, относящихся к различным группам
Группы реактивовПримеры реактивов
Условные обозначения
Гигроскопичные
реактивы
гидроксиды калия и натрия, хлорид аммония, ангидриды кислот и др.
Светочувствительные реактивы
раствор йода, пероксида водорода, соединения серебра.
Пожароопасные
реактивы
легко воспламеняющиеся жидкости (спирт, ацетон, бензол, эфиры и др.)
Ядовитые реактивы
соединения ртути, мышьяка, синильной кислоты, ментол и др.
Этикетки химических реактивов
Все химические вещества, находящиеся в лаборатории должны быть снабжены этикетками.
Без этикетки вещество хранить нельзя!
Согласно ГОСТ 3885-73, реактивы (препараты) должны быть упакованы в соответствующую потребительскую тару, герметически упакованы и снабжены стандартной этикеткой.
Для реактивов каждой классификации этикетка на таре должна быть определенного цвета или на ней должна быть цветная полоса.
При наличии у реактивов ядовитых, огнеопасных, взрывчатых свойств наклеивается отдельная этикетка с надписью определенного цвета.
Определенные вещества помечаются на этикетках рисунками:
Способы написания этикеток:
Печатные этикетки
Универсальные с клеящей лентой
Временные (карандашом по стеклу)
Масляными красками или лаком
Парами фтороводородной кислоты – «вечные этикетки».
Правила хранения химических реактивов
В лабораторном помещении должны храниться небольшие запасы химических реактивов. Их держат в банках, склянках с пришлифованными стеклянными пробками или пластмассовыми крышками из полиэтилена, а наиболее летучие (хлороводородная кислота, раствор аммиака, бром) – на специальных полках в вытяжном шкафу. Общий запас одновременно хранящихся в каждом рабочем помещении лаборатории огнеопасных жидкостей не должен превышать суточные потребности. Склянки, в которых содержится более 50 мл. ЛВЖ, должны храниться в железных ящиках для горючего с плотно закрывающейся крышкой, со стенками и дном, выложенными асбестом. Светочувствительные реактивы хранят в темных склянках или банках, обернутых черной бумагой. Сильные яды должны храниться в опечатанных шкафах и сейфах. Хранить реактивы допускается лишь в специально оборудованных и хорошо вентилируемых помещениях, в строгом порядке. Не разрешается совместное хранение реактивов, способных взаимодействовать друг с другом, например, окислители и восстановители, кислоты и щелочи.
Обособленно следует хранить следующие группы реактивов:
Взрывчатые вещества,
Горючие и сжиженные газы,
Самовозгорающиеся или самовоспламеняющиеся вещества,
Яды.
Реактивы, не требующие специальных условий хранения, размещают на стеллажах. Неорганические вещества расставляют по общеизвестной классификации: простые вещества (металлы, неметаллы), оксиды, основания, соли. Соли лучше расставлять по катионам. Кислоты хранят отдельно. Органические вещества удобно расставлять по алфавиту. Нормы и правила хранения реактивов разрабатываются и утверждаются отдельно в каждой организации в зависимости от особенностей работы, наличия оборудования и складских помещений.
При хранении химических веществ не маловажен выбор пробки . О пробках и обращении с ними нужно помнить следующее:
Выбор пробки для химической посуды осуществляют в зависимости от реактива. Выбирают пробку:
Прежде надо подобрать пробку к сосуду, а уже потом помещать в него вещества. Пробки от разных сосудов нельзя путать; у каждого сосуда должна быть своя пробка, особенно это относится к стеклянным пробкам.
Если сосуд с притертой пробкой пуст, то обязательно надо положить кусочек бумаги между горлышком и пробкой.
Если корковой пробкой надо закрыть сосуд с кислотой или щелочью, то вначале пробку следует обработать.
Хранить щелочи в сосудах с притертыми пробками нельзя, так как в этом случае пробку неизбежно "заест".
Правила пользования реактивами
1. Главное требование к реактивам - их чистота. Реактив нужно беречь от загрязнения.
2. Нельзя ссыпать и сливать реактив из посуды, в которой проводится реакция, обратно в посуду для хранения.
3. Нельзя путать пробки от посуды с разными реактивами, а также хранить реактивы без пробок. Необходимо строго учитывать, какой пробкой закрывать бутылки или склянки. Резиновыми пробками нельзя закрывать склянки с такими реактивами, как бензин, керосин, бензол, толуол и другие жидкие углеводороды, а также дихлорэтан, эфир и др., от паров которых резина набухает и размягчается.
4. Нельзя брать реактив руками.
5. Банки с летучими веществами должны открываться в момент непосредственного пользования ими.
6. Работы с ядовитыми и плохо пахнущими, воспламеняющимися веществами проводят в вытяжном шкафу.
7. При необходимости определения запаха осторожно направлять пары вещества рукой от сосуда к себе.
8. Ядовитые и едкие реактивы после проведения работы сливать в специальные склянки.
Правила работы с кислотами и щелочами
Все концентрированные растворы должны храниться в специальных бутылях с притертыми пробками, поверх которых необходимо надевать притертый колпачок. Щелочи рекомендуется хранить в широкогорлых банках темно-оранжевого стекла, закрытых корковыми или полиэтиленовыми пробками и залитых слоем парафина.
Кислоты и щелочи должны храниться на нижних полках шкафов отдельно от реактивов и красок.
Посуда для хранения ядовитых веществ, щелочей и кислот должна иметь четкие надписи (чернилами по стеклу или другим способом).
Биксы, банки, бутыли с летучими веществами необходимо открывать только в момент непосредственного пользования ими.
5. Открывать сосуды с концентрированными кислотами и щелочами и летучими веществами и готовить растворы из них разрешается только в вытяжном шкафу с включенной принудительной вентиляцией.
Щелочи следует брать из банки шпателем.
Бутыли с кислотами, щелочами и другими едкими веществами следует переносить вдвоем в специальных ящиках или корзинах или перевозить на специальной тележке.
При разбавлении крепких кислот следует кислоту наливать в воду, а не наоборот.
При работе с кислотами, щелочами запрещается насасывать жидкость в пипетку ртом. Для набора жидкости следует использовать резиновые груши с трубками.
Растворы для нейтрализации концентрированных кислот и щелочей должны находиться на стеллаже (полке) в течение всего рабочего дня.
Посуду, содержащую растворы едких веществ, во избежание ожогов рук следует мыть в резиновых перчатках.
Техника безопасности при работе с химическими реактивами
Опыты с ядовитыми и плохопахнущими веществами проводят в вытяжном шкафу.
Для определения запаха газа или жидкости осторожно вдыхают воздух, слегка направляя испарения рукой от сосуда к себе.
Пр наливании реактивов не наклоняться над сосудом во избежание попадания брызг на лицо и одежду.
Все опыты с воспламеняющимися веществами проводят в вытяжном шкафу.
МЕТОДЫ ОЧИСТКИ ХИМИЧЕСКИХ РЕАКТИВОВ
Если в лаборатории отсутствует химический реактив определенной степени чистоты, его приходится дополнительно очищать. Самыми распространенными методами очистки являются:
фильтрование,
центрифугирование,
перекристаллизация,
перегонка (дистилляция),
возгонка (сублимация),
абсолютирование (высушивание).
Очистка методом декантации
Декантация – это отстаивание твердых частиц, содержащихся в жидкости, под воздействием силы тяжести. После декантации осветленная жидкость отделяется от осадка твёрдых частиц; при этом происходит очистка от примесей. Достоинство метода – его простота, а недостаток – замедленное отстаивание мелких частиц. Значительно быстрее происходит разделение смеси жидких и твердых частиц путем центрифугирования.
Очистка центрифугированием
Центрифугирование основано на использовании центробежной силы, возникающей при быстром вращении. В обычных лабораторных центрифугах скорость вращения составляет около 1000 оборотов в минуту, а в специальных (ультрацентрифугах) – до 6000 об/мин. Искусственная сила тяжести в центрифугах превышает земное притяжение в де-сятки-сотнитысяч раз, вследствие чего отстаивание твёрдых частиц происходит за несколько минут.
Очистка фильтворанием
Фильтрование заключается в пропускании суспензии через пористую перегородку – фильтр, задерживающий твердые частицы. Фильтром может служить специальная бумага, ткань, пористая керамика, пористое стекло, слой песка и другие пористые материалы. При обычных условиях фильтрование идет медленно. Для ускорения его проводят под вакуумом: в приемнике для жидкости с помощью насоса создают разрежение, вследствие чего на жидкость над фильтром начинает действовать атмосферное давление, и чем больше разность давлений (атмосферного и в приемнике), тем быстрее идет фильтрование.
Очистка методом перекристаллизации
Перекристаллизация применяется для очистки различных растворимых солей и многих твердых органических веществ. Перекристаллизация – один из наиболее распространенных методов очистки и разделения кристаллических веществ. Этот метод основан на различной растворимости вещества в холодном и горячем растворителе и на различной растворимости компонентов смеси в одном и том же растворителе.
Процесс перекристаллизации включает в себя несколько стадий:
1. Выбор растворителя. Выбор проводится опытным путем. Растворитель должен отвечать следующим требованиям:
1) не взаимодействовать с веществом,
2) не растворять вещество при комнатной температуре и хорошо растворять при нагревании,
3) при охлаждении горячего раствора должны выпадать кристаллы,
4) хорошо растворять примеси при комнатной температуре или не растворять их при кипячении,
5) температура кипения растворителя должна быть ниже температуры плавления вещества на 10-15ºС,
6) растворитель должен легко удаляться с поверхности кристаллов при промывании и сушке.
2. Приготовление насыщенного при температуре кипения растворителя раствора .
3. Фильтрование горячего раствора через складчатый фильтр для избавления от механических примесей.
4. Охлаждение раствора, вызывающее кристаллизацию . Охлаждение ведут с такой скоростью, чтобы выпадали кристаллы средних размеров. Обычно раствор оставляют стоять при комнатной температуре 20-30 минут, а затем помещают в ледяную баню. Если кристаллы не выпадают, то можно поместить в раствор кристаллик данного вещества («затравку») или потереть стеклянной палочкой о внутреннюю стенку стакана с раствором.
5. Отделение кристаллов от маточного раствора (фильтрование при пониженном давлении).
6. Промывание кристаллов холодным растворителем . Если при комнатной температуре вещество практически не растворимо, то кристаллы можно промывать растворителем комнатной температуры.
7. Сушка кристаллов . Сушат кристаллы обычно на воздухе или в вакуумном кристаллизаторе.
Установки для проведения всех стадий перекристаллизации изображены на рисунке № 4
1- Установка для приготовления насыщенного раствора (а – круглодонная колба, б – обратный холодильник, в – плитка)
2- Установка для горячего фильтрования (а – стакан, б – химическая воронка, в – складчатый фильтр)
3- Установка для фильтрования при пониженном давлении (а – фильтр Шотта, б – колба Бунзена)
Очистка методом перегонки или дистилляции
Перегонка или дистилляция - один из важнейших методов очистки жидкостей. При перегонке жидкость путем нагревания переводят в парообразное состояние, затем снова конденсируют, т. е. превращают в жидкость. При этом все твердые примеси и более высококипящие жидкие примеси остаются в колбе, а более низкокипящие примеси отгоняются раньше основной жидкости. Перегонкой очищают воду и другие жидкости. В колбу Вюрца (1) вставляют воронку с длинной трубкой и аккуратно наливают жидкость, подлежащую перегонке, бросают несколько капилляров с одним запаянным концом (запаянный конец должен находиться над жидкостью), это необходимо для равномерного кипения. Закрывают горло колбы пробкой с термометром (2). После этого подставляют приемник для дистиллята (5) и начинают нагревать.
При перегонке необходимо внимательно следить. Чтобы жидкость кипела равномерно и не бурлила. Перегонка не должна проходить слишком быстро. Как только жидкость закипит, внимательно следят за показаниями термометра. Первая небольшая порция дистиллята - это примеси. Когда показания термометра будут соответствовать температуре кипения перегоняемого вещества подставляют другой приемник, куда собирают перегоняемое вещество. Перегонку заканчивают тогда, когда в колбе Вюрца остается небольшое количество жидкости. Перегонять досуха не разрешается.
Большое значение в лаборатории придают перегонке воды, так как все растворы готовят только на дистиллированной воде. Ее расходуют в больших количествах и для других целей. Для получения дистиллированной воды в лабораториях применяют дистилляторы.
Очистка методом возгонки.
Некоторые твердые вещества, например йод, обладают способностью при нагревании не плавясь переходить в твердое состояние. Это явление называется сублимацией или возгонкой. Возгонка применяется для очистки веществ от нелетучих примесей. Этим методом можно очистить йод, хлорид аммония, серу и др. Для очистки небольших количеств вещества путем возгонки пользуются двумя часовыми стеклами одинаковой величины, пришлифованными друг к другу. На нижнее стекло помещают возгоняемое вещество, а между стеклами зажимают продырявленный в нескольких местах кружок фильтровальной бумаги, назначение которого - препятствовать падению образующихся кристаллов на нижнее нагретое стекло. Нижнее стекло подогревают на песчаной бане или очень осторожно, маленьким пламенем, на асбестовой сетке; верхнее стекло охлаждают кусочком влажной фильтровальной бумаги.
Возгонку больших количеств вещества производят в нагреваемом на масляной или воздушной бане стакане. В стакан опускают охлаждаемую изнутри проточной водой колбу, на поверхности которой оседают кристаллы возгоняемого вещества.
Обезвоживание органических реактивов.
При работе в лаборатории часто приходится очищать различные растворители (спирт, эфир, бензол и др.). Все эти реактивы содержат воду в том или ином количестве, присутствие которой может мешать работе. Поэтому эти реактивы, прежде чем перегонять, высушивают. Очищенные таким образом жидкости называются абсолютными. Поскольку органические реактивы обладают разными свойствами, способы их высушивания различны.
Абсолютирование спирта.
Для высушивания спирта в круглодонную колбу помещают обезвоженный сульфат меди CuSO4 и наливают спирт. Колбу подключают к обратному холодильнику, который закрывают пробкой с хлоркальциевой трубкой. В хлоркальциевую трубку помещают прокаленный хлорид кальция для поглощения паров воды из воздуха. Прибор устанавливают на водяной бане и кипятят в течение 6-8 часов. По окончании кипячения обратный холодильник заменяют холодильником Либиха и спирт перегоняют в чистую колбу. Прибор во время перегонки тщательно защищают от попадания влаги воздуха.
Абсолютирование бензола.
В бензол помещают прокаленный хлорид кальция, закупоривают и дают постоять в течение суток. Отфильтровывают и добавляют мелко нарезанный, хорошо очищенный от керосина и оксидной плѐнки металлический натрий. Собирают прибор с обратным холодильником и кипятят в течение 3-4 часов на песочной бане. После этого бензол перегоняют над натрием, тщательно защищая его от попадания влаги воздуха. Категорически запрещается нагревать бензол с металлическим натрием на водяной бане или газовой горелке. Абсолютирование эфира. Эфир, хранившийся долгое время, может содержать примеси пероксида диоксэтила. Поэтому в первую очередь эфир энергично взбалтывают в делительной воронке с концентрированным раствором гидроксида натрия или калия. Отделѐнный от щелочи эфир взбалтывают в делительной воронке с равной порцией воды и отделяют от воды. После промывания эфира водой к нему добавляют прокалѐнный хлорид кальция и дают постоять в течение суток. Затем эфир отфильтровывают, добавляют мелко нарезанный металлический натрий, кипятят с обратным холодильником, как при обезвоживании бензола, и перегоняют, нагревая на песочной бане.
Вопросы для самоподготовки:
1. На какие группы делят химические реактивы по их свойствам? Приведите примеры.
2. Особенности хранения различных групп химических реактивов?
3. Назовите основные правила пользования химическими реактивами.
4. Как следует подбирать пробки для хранения разных химических реактивов?
5. Что означают условные значки на этикетках химических реактивов?
6. Методы очистки химических реактивов.
Самостоятельная работа:
Подготовить конспект на тему «Виды дистилляции. Условия проведения»
Тест «Химические реактивы. Методы очистки.»
1. Марка реактива, в котором содержание примесей не превышает 0,5-1 %
а) ч. б) х.ч. в) ч.д.а. г) техн.
2. Гидроксид натрия, гидроксид калия, оксид кальция относятся к группе веществ
а) гигроскопичные б) светочувствительные в) пожароопасные г) ядовитые
3. Свойства соединений ртути, мышьяка, синильной кислоты, метанола
а) гидроскопичные б) светочувствительные в) пожароопасные г) ядовитые
4. Ядовитые вещества хранят
а) в вытяжном шкафу б) в опечатанном шкафу или сейфе в) в железном ящике вместе с ЛВЖ г) на стеллажах в лабораторном шкафу
5. Метод очистки иодида калия от кристаллов йода
а) перегонка б) возгонка в) дистилляция г) перекристаллизация
6. Метод очистки нитрита натрия от растворимых химических примесей
а) перекристаллизация б) возгонка в) фильтрование г) перегонка
7.Метод очистки для получения дистиллированной воды
а) перегонка б) возгонка в) перекристаллизация г) фильтрование
8.Колба, используемая для перегонки, дистилляции жидкостей
а) коническая б) Вюрца в) круглодонная г) мерная д) плоскодонная
9. Метод очистки твердых реактивов
а) перекристаллизация б) фильтрование в) дистилляция г) центрифугирование д) осаждение
10. Метод очистки жидких реактивов
а) перекристаллизацией б) возгонкой в) перегонкой г) центрифугированием д) осаждением
Ситуационные задачи
1. В ходе генеральной уборки лаборант случайно просыпал реактив иодида калия и йод. Составьте методику очистки иодида калия, содержащего механические примеси и кристаллы йода.
2. Составьте методику очистки натрия хлорида, содержащего механические примеси и примесь натрия сульфата.
3. В лабораторию поступил реактив гидроксида калия (техн.). Для лабораторных исследований необходимо очистить реактив. Составьте методику очистки КОН, который содержит механические примеси.
4. Составьте методику очистки натрия нитрата, содержащего механические и химические примеси.
Эталоны ответов на задачи
1. Сначала из смеси выделяют кристаллы йода методом возгонки. Реактив йодида калия и механические примеси растворяют в воде (готовят насыщенный раствор), отфильтровывают механические примеси и выпаривают кристаллы иодида калия.
2. Смесь хлорида натрия, натрия сульфата и механические примеси растворяют в воде. Для этого готовят горячий насыщенный раствор хлорида натрия с примесями, отфильтровывают и остужают.
3. Для очистки реактива гидроксида калия от механических примесей применяют фильтрование. Для этого смесь растворяют в воде, отфильтровывают и затем кристаллы выпаривают.
4. Смесь, содержащую механические и химические примеси растворяют в воде. Для этого готовят горячий насыщенный раствор, отфильтровывают и затем остужают.