实验二十　重结晶和过滤

【实验目的】

1.学习重结晶法提纯固态有机化合物的原理和方法。

2.掌握抽滤、热滤操作和滤纸的折叠、放置方法。

【实验原理】

固体有机物在溶剂中的溶解度与温度有密切关系。一般情况下温度升高，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，则可以配成近饱和溶液后热滤除去），从而达到提纯目的。

假设一固体混合物由9.5g被提纯物A和0.5g杂质B组成，选择某溶剂进行重结晶，室温时A、B在此溶剂中的溶解度分别为SA和SB，通常存在下列三种情况。

1.室温下杂质较易溶解（SB＞SA）

设在室温下SB=2.5g·100mL-1，SA=0.5g·100mL-1，如果A在此沸腾溶剂中的溶解度为9.5g·100mL-1，则使用100mL溶剂即可使混合物在沸腾时全溶。若将此滤液冷却至室温时可析出A 9g（不考虑操作上的损失）而B仍留在母液中，A损失很小，即被提纯物回收率达到94%。如果A在此沸腾溶剂中的溶解度为47.5g·100mL-1，则只要使用20mL溶剂即可使混合物在沸腾时全溶，这时滤液可析出A 9.4g，B仍可留在母液中，被提纯物的回收率高达99%。

由此可见，如果杂质在冷时的溶解度大而产物在冷时的溶解度小，或溶剂对产物的溶解性能随温度的变化大，这两方面都有利于提高回收率。

2.杂质较难溶解（SB＜SA）　

设在室温下SB=0.5g·100mL-1，SA=2.5g·100mL-1，A在此沸腾溶剂中的溶解度仍为9.5g·100mL-1，则在100mL溶剂重结晶后的母液中含有2.5g A和0.5g（即全部）B，析出结晶A 7g，产物的回收率为74%。但这时，即使A在沸腾溶剂中的溶解度更大，使用的溶剂也不能再少了，否则杂质B也会部分析出，就需再次重结晶。如果混合物中杂质含量很多，则重结晶的溶剂量就要增加，或者重结晶的次数要增加，致使操作过程冗长，回收率也会极大地降低。

3.两者溶解度相等（SA=SB）

设在室温下A和B的溶解度皆为2.5g·100mL-1，若也用100mL溶剂重结晶，仍可得到纯A 7g。但如果这时杂质含量很多，则用重结晶分离产物就比较困难。在A和B含量相等时，重结晶方法就不能用来分离产物了。

从上述讨论可以看出，在任何情况下，杂质的含量过多都是不利的（杂质太多，还会影响结晶速度，甚至妨碍结晶的生成）。一般重结晶只适用于纯化杂质含量在5%以下的固体有机混合物。

在进行重结晶时，选择理想的溶剂是一个关键，理想的溶剂必须具备下列条件：

（1）不与被提纯物质起化学反应；

（2）被提纯物质在温度高时溶解度比较大，而在室温或更低温度时，溶解度比较小；

（3）杂质在热溶剂中不溶（或难溶），或者在冷溶剂中易溶；

（4）容易挥发，易与结晶分离；

（5）能得到较好的晶体。

除上述条件外，回收率高、便于操作、毒性小、易燃程度低、价格便宜的溶剂更佳。常用溶剂，如水、乙醇、丙酮、苯等。

【仪器与试剂】

1.仪器　锥形瓶、吸滤瓶、循环水泵、布氏漏斗。

2.试剂　粗乙酰苯胺。

【实验步骤】

称取4g粗乙酰苯胺进行重结晶。

1.溶剂的选择

一般化合物可以通过查阅手册或辞典中的溶解度一栏相关数据。但溶剂的最后选择是通过试验方法决定的，在进行试验时，必须严防易燃溶剂着火。本实验采用水作溶剂。

2.溶解

通过试验结果或查阅溶解度数据计算被提取物所需溶剂的量，再将被提取物晶体置于锥形瓶中，加入较需要量稍少的适宜溶剂，加热到微微沸腾一段时间后，若未完全溶解，可再添加溶剂，每次加溶剂后需再加热使溶液沸腾，直至被提取物晶体完全溶解（但应注意，在补加溶剂后，发现未溶解固体不减少，应考虑是不溶性杂质，此时就不要再补加溶剂，以免溶剂过量），然后再加入15%～20%溶剂。

（1）溶剂量的多少，应同时考虑溶解度和过滤操作两个因素。溶剂少，则收率高，但可能给热过滤带来麻烦，并可能造成更大的损失；溶剂过多，显然会影响回收率。故应综合考虑。一般可比需要量多加15%～20%的溶剂。

（2）可以在溶剂沸点温度时溶解固体，但必须注意实际操作温度是多少，否则会因实际操作时，被提纯物晶体大量析出。如对某些晶体析出不敏感的被提纯物，可考虑在溶剂沸点时溶解成饱和溶液，故应视具体情况决定。例如，本次实验在100℃时配成饱和溶液，而热过滤操作温度不可能是100℃，可能是90℃，甚至也可能是80℃，那么在考虑加多少溶剂时，应同时考虑热过滤的实际操作温度。

（3）为了避免溶剂挥发及可燃性溶剂着火或有毒溶剂中毒，应在锥形瓶上装置回流冷凝管，添加溶剂可从冷凝管的上端加入。

（4）若溶液中含有色杂质，则应加活性炭脱色，应特别注意活性炭的使用，禁止在沸腾时加入活性炭。应将溶液稍微冷却后，再加入活性炭（用量为固体物质的1%～5%），然后，再煮沸2min左右。

3.趁热过滤

（1）若为易燃溶剂，则应防止着火或防止溶剂挥发。

（2）若减压过滤，则应注意洗净抽滤瓶、滤纸的大小、滤纸的润湿等操作，开始不要减压太甚，以免将滤纸抽破（在热溶剂中，滤纸强度大大下降）。减压过滤程序：剪裁符合规格的滤纸放入漏斗中，用少量溶剂润湿滤纸，开启水泵并关闭安全瓶上的活塞，将滤纸吸紧；打开安全瓶上的活塞，再关闭水泵；借助玻璃棒迅速转移滤液，将待分离物转移入漏斗中，再次开启水泵并关闭安全瓶上的活塞进行减压过滤直至漏斗颈口无液滴为止，打开安全瓶上的活塞，再关闭水泵；停止抽滤，将滤液转至干净烧杯中进行结晶。

4.结晶

（1）将滤液在室温或保温下静置使之缓缓冷却（如滤液已析出晶体，可加热使之溶解），析出晶体，再用冷水充分冷却。必要时，可进一步用冰水或冰-盐水等冷却。

（2）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晶体，在这种情况下，可用玻璃棒摩擦器壁以形成晶种，使溶质分子成定向排列而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。

（3）有时被提纯化合物呈油状析出，虽然该油状物经长时间静置或足够冷却后也可固化，但这样的固体往往含有较多的杂质（杂质在油状物中常较在溶剂中的溶解度大；其次，析出的固体中还包含一部分母液），纯度不高。用大量溶剂稀释，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重新加热溶解，然后慢慢冷却。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，但最好是重新选择溶剂，使其得到晶形产物。

5.晶体的收集与洗涤

将晶体抽滤后，先用母液进行收集晶体并初次洗涤，然后用干净的溶剂洗涤（洗涤方法：先将晶体摊平，将干净的溶剂用胶头滴管均匀地洒滴在所有晶体上，然后抽干）。

如重结晶溶剂沸点较高，在用原溶剂至少洗涤一次后，可用低沸点的溶剂洗涤，使最后的结晶产物易于干燥（要注意该溶剂必须是能和第一种溶剂互溶而对晶体是不溶或微溶的）。

过滤少量晶体，可采用简单过滤的装置进行。

抽滤所得母液若有用，可移至其它容器内，再作回收溶剂及纯度较低的产物。

6.结晶的干燥

在测定熔点前，晶体必须充分干燥，否则测定的熔点会偏低。固体干燥的方法很多，要根据重结晶所用溶剂及晶体的性质来选择。

（1）空气晾干　不吸潮的低熔点物质在空气中干燥是最简单的干燥方法。

（2）烘干　对空气和温度稳定的物质可在烘箱中干燥，烘箱温度应比被干燥物质的熔点低20～50℃。

（3）用滤纸吸干　此方法易将滤纸纤维污染到固体物上。

（4）干燥器干燥　置于干燥器中通过干燥剂来干燥。

【数据处理与结论】

对结晶干燥后的乙酰苯胺称重，计算重结晶的收率。

【注意事项】

1.加热溶解固体完全后，溶液注意补加一定量溶剂，避免形成饱和溶液。

2.热过滤时防止晶体析出在滤纸和漏斗颈上。

3.活性炭禁止在沸腾时加入。

4.冷却析晶要充分，否则晶体量太少。

5.乙酰苯胺为白色片状结晶，mp=114.3℃。

【思考题】

1.简述重结晶的主要步骤及各步的主要目的。

2.活性炭为何要在固体物质完全溶解后加入？为什么也不能在溶液沸腾时加入？

3.对有机化合物进行重结晶时，最适宜的溶剂应具备哪些条件？

4.辅助析晶的措施有哪些？