Очистка солей, содержащих кристаллизационную воду

♣ 1: Горелки

Горелка Теклю. В практикуме Вы будете использовать в основном горелки Теклю (рис. 1). В боковой отвод 1 через шланг 2 поступает газ из крана 3. Шланги зачастую бывают длинными. Если горелка долго не работает, они заполнены воздухом. Сначала откройте газовый кран, подождите 2-3 секунды (* зачем?), и поднесите спичку.

Подачу газа кроме газового крана можно регулировать винтом 4. Подача воздуха происходит через щель между конусообразной трубкой 5 и диском 6 и регулируется вращением диска.

Рис. 1. Горелка Теклю

Пламя. Наибольшее количество тепла получается при полном сгорании газа, когда пламя почти не светится. При сокращенном доступе воздуха пламя становится светящимся и коптящим. * Почему?

Внутренний конус пламени 1 (рис. 2) содержит смесь воздуха и газа, горения в нем не происходит. В конусе 2 происходит горение при избытке газа и недостатке кислорода. Здесь находятся раскаленные продукты неполного сгорания газа; пламя этой зоны является восстановительным. * Почему? Во внешнем конусе 3 хорошие условия для притока воздуха, поэтому тут происходит полное сгорание продуктов, образовавшихся в конусе 2. Эта зона пламени является окислительной. * Почему?

* В какой зоне пламени надо вести нагрев пробирок или приборов?

Рис. 2. Строение пламени

Паяльная горелка. Паяльную горелку разрешается включать только в присутствии преподавателя!

Паяльная горелка (рис. 3) служит для получения высокотемпературного пламени. В ее нижней части имеются две трубки с кранами. По трубке 1 подводится воздух, по трубке 2 – газ.

Рис. 3. Паяльная горелка

Сначала открывают кран 2 газопровода. Спичку подносят к устью горелки сбоку (не наклоняясь!), газ вспыхивает широким коптящим пламенем (1). Уменьшают доступ газа. Затем плавным поворотом крана 1 воздуховода устанавливают нормальный ток воздуха (без отрыва пламени от сопла горелки). С помощью кранов 1 и 2 регулируют пламя до установления ровного голубоватого острого факела без признаков копоти (2).

(1) (2)

Чтобы выключить горелку, сначала перекрывают кран воздуховода, затем газопровода.

♣ 2: Химическая посуда

* Вспомните, как выглядят и для чего применяются пробирки, стаканы, воронки, мерные цилиндры, круглодонные и плоскодонные колбы.

Слева направо на рисунке: стакан, воронка, мерный цилиндр, коническая колба.

Рис. 4. Стеклянная лабораторная посуда

Для получения газов применяют пробирки Вюрца 1 (малые количества) и колбы Вюрца 2 (большие количества) (рис. 4).

1 2

Эксикатор 3 служит для осушки гигроскопичных или неустойчивых на воздухе веществ. На дно ставится фарфоровая чашка с осушителем, а на фарфоровый поддон а – тигли и бюксы с веществами. Через кран б можно откачать воздух.

U-образная трубка 4 предназначена для осушки газов (в нее помещают твердый осушитель) или для конденсации легколетучих веществ (тогда ее охлаждают).

Холодильники 5 и 6 нужны для конденсации жидкостей.

5 6

С помощью промывалок 7 очищают и осушают газы. Промывалки заполняют через воронки Мюнке 8.

7 8

Воронка с длинной трубкой 9 часто используется при приливании реагента в колбу для получения газа. Конец воронки должен доходить почти до дна колбы так, чтобы жидкость в колбе закрывала его, создавая водяной затвор.

Капельная воронка 10 предназначена для добавления жидких реагентов по каплям. Малые количества жидкостей прикапывают пипеткой.

Иногда для проведения реакций удобно использовать реторту 11. Отверстие а называется тубусом, б – горлом реторты.

Рис. 5. Фарфоровая лабораторная посуда

Фарфоровая чашка 1 (рис. 5) служит в основном для выпаривания растворов. Растирать вещества в ней нельзя; для этого используют ступки 2, имеющие, в отличие от чашек, более толстое дно, плоское снаружи, и шершавую поверхность внутри. К ступкам прилагаются пестики 3.

1 2, 3

Для прокаливания используют тигли 4 и лодочки 6. Лодочки обычно помещают в кварцевую, фарфоровую или металлическую трубку, а тигель ставят на треугольник 5.

4 5 6

Шпатели для насыпания веществ бывают различной формы и изготавливаются из фарфора, стекла или металла.

♣ 3: Взвешивание

Вещества следует взвешивать не на бумажке, а в небольшом стаканчике, тигле или на часовом стекле (часовое стекло отличается от предметного тем, что первое выгнутое и тонкое, а второе плоское и толстое).

Обычно в практикуме используют одночашечные весы. Сначала на чашку весов кладут тару (стаканчик и т. п.). Если на весах есть кнопка «Т», нажмите ее, чтобы показания весов вернулись к нулю. Если же нет, запишите показания.

Не насыпайте вещество в тару, стоящую на весах! * Почему? Снимите тару, насыпьте шпателем вещество и поместите тару с веществом на весы. Если требуется отвесить 0,5 г вещества, нет необходимости добиваться, чтобы показания весов составляли 0,5000 г. Значение 0,45 г или 0,55 г вполне удовлетворительно. Но нужно обязательно записать точную массу навески – исходя из нее Вам предстоит рассчитывать выход.

♣ 4: Фильтрование

Раствор, прошедший через фильтр, в общем случае называют фильтратом. По отношению к осадку он является маточным раствором.

Фильтрование через обычную воронку. Воронку с бумажным фильтром помещают в кольцо штатива так, чтобы ее нижний конец соприкасался со стенкой стакана, в который фильтруют. * Зачем? Жидкость переносится на фильтр по стеклянной палочке (рис. 6). * Почему?

Рис. 6. Фильтрование

Воронка для горячего фильтрования. При перекристаллизации обычно требуется фильтровать горячие растворы. Для этого используется специальная воронка с коротко обрезанной трубкой (* зачем ее обрезают?), помещенная в кожух с водяным обогревом (рис. 7). Кожух имеет двойные стенки, между которыми заливается вода через отверстие 1. Отросток 2 служит для нагревания воды, его нагревают горелкой перед фильтрованием.

Рис. 7. Воронка для горячего фильтрования

Воронка с короткой трубкой:

Не стоит забывать, что нижний конец воронки также должен соприкасаться со стенкой стакана! Вот что случается, если этого не обеспечить:

Фильтрование под уменьшенным давлением производят для более быстрого отделения осадка от жидкости (рис. 8). Фарфоровую воронку Бюхнера 1 вставляют при помощи резиновой пробки в толстостенную колбу Бунзена 2, подключенную к водоструйному насосу 3. * Для чего нужна пустая промывалка 4?

Воронка Бюхнера:

Рис. 8. Фильтрование под уменьшенным давлением

Не забудьте вымыть колбу Бунзена перед использованием и после! Размер воронки Бюхнера должен соответствовать количеству осадка.

Бумажный фильтр помещают на дно воронки, смачивают дистиллированной водой и плотно прижимают ко дну. Включают насос, закрывают зажим 5 (вместо зажима может использоваться стеклянный кран) и «присасывают» фильтр к воронке.

Затем зажим открывают. Раствор с осадком переносят по стеклянной палочке в воронку так, чтобы он покрывал всю поверхность фильтра (* зачем?), и закрывают зажим. Следите, чтобы при фильтровании в осадке не образовывалось трещин! Если они появятся, загладьте их стеклянной палочкой. * Зачем? При промывании осадка на фильтре наливайте столько жидкости, чтобы она закрыла всю поверхность фильтра. Жидкость наливают при открытом зажиме.

Прежде чем выключить насос, откройте зажим. * Зачем?

Стеклянные фильтры (фильтры Шотта, воронки со стеклянным фильтрующим дном) устойчивы по отношению к кислотам, а также к щелочам на холоду (рис. 9). Их можно использовать для кристаллических осадков вместо воронки Бюхнера при фильтровании под уменьшенным давлением.

Рис. 9. Стеклянный фильтр

Бумажные фильтры. При фильтровании через обычную воронку применяют гладкий и складчатый фильтры. Гладкий фильтр готовят из квадратного кусочка фильтровальной бумаги. Его складывают пополам, еще раз пополам и обрезают внешние углы по дуге. Край фильтра должен быть ниже края воронки на 1-2 мм. * Почему? Необходимо, чтобы фильтр всей поверхностью плотно прилегал к воронке. Для этого смочите вставленный в воронку фильтр дистиллированной водой и прижмите.

Складчатый фильтр готовят из гладкого фильтра, разными способами продолжая складывание его гармошкой. Фильтрование через него происходит быстрее.

* Какой фильтр нужно применять при горячем фильтровании – гладкий или складчатый? Почему?

Фильтр для воронки Бюхнера (рис. 10) должен иметь такой же размер, как дно воронки, и два небольших «хвостика» на противоположных сторонах, предназначенные для извлечения фильтра из воронки.

Рис. 10. Фильтр для воронки Бюхнера

Декантация. Иногда удобнее не фильтровать осадок, а сливать жидкость с осадка. Этот прием называется декантацией. Осадку обязательно надо дать отстояться. Раствор следует выливать осторожно, по стеклянной палочке, не встряхивая.

Семинар по подготовке к перекристаллизации

Занятие 1. Перекристаллизация

Задания

1. В чем заключается сущность перекристаллизации?

2. Перечислите способы перекристаллизации. От чего зависит выбор способа?

3. Перечислите пути загрязнения осадка.

(Для ответа на вопросы 1 – 3 воспользуйтесь книгой Ю.М. Коренева «Общая и неорганическая химия. Часть IV. Растворы»).

4. Получите у преподавателя индивидуальное задание и рассчитайте, сколько технической соли (А г) надо взять для приготовления исходного раствора и сколько очищенной соли (В г) должно выделиться после перекристаллизации, а также выполните другие требуемые расчеты. (Даны содержание безводной соли в кристаллогидрате, растворимость при различных температурах, объем воды, добавляемый для растворения).

Пример расчета:

Пусть А г – масса навески CuSO₄×dH₂O (содержание безводной соли 63,9%), необходимая для приготовления насыщенного раствора CuSO₄ при 80^оС. Тогда 0,639А – масса безводного CuSO₄, 0,361А – масса кристаллизационной воды.

Если мы растворяем соль в 50 мл воды, то, воспользовавшись данными о ее растворимости, получаем пропорцию:

В 100 г воды – растворяется 55,5 г CuSO₄

В (50+0,361А) г воды – 0,639А г CuSO₄

Решая пропорцию, находим: А = 63,1 г CuSO₄×dH₂O.

Масса воды в приготовленном растворе будет равна 50+0,361А = 72,8 г; масса растворенного CuSO₄ составит 0,639А = 40,3 г.

Пусть при охлаждении до 20^оС должно выпасть В г CuSO₄×dH₂O. Тогда в растворе остается 72,8-0,361В г воды и 40,3-0,639В г CuSO₄.

Составим пропорцию:

В 100 г воды – растворяется 20,5 г CuSO₄

В (72,8-0,361В) г воды – (40,3-0,639В) г CuSO₄

Находим В = 45,0 г CuSO₄×dH₂O должно выпасть в осадок.

5. Составьте и проанализируйте графики температурной зависимости растворимости солей по данным, приведенным в конце пособия. Ответьте на вопросы:

— оптимально ли выбрана температура растворения Вашей соли?

— достаточна ли разница в растворимости Вашей соли при высоких и низких температурах для того, чтобы из раствора выделилось значительное количество соли?

— при каких температурах следует вести растворение и кристаллизацию соли, чтобы выход перекристаллизации был оптимален?

— есть ли возможность повысить выход перекристаллизации Вашей соли за счет образования менее растворимых форм – квасцов или шенитов? Если да, то рассчитайте массу сульфата калия или аммония, которую нужно добавить к Вашему раствору для образования квасцов или шенита. Рассчитайте объем воды, необходимый для растворения сульфата калия или аммония в горячей воде.

— как объяснить немонотонность температурной зависимости растворимости (если таковая наблюдается для Вашей соли)?

Обратите внимание, что растворимость дается в расчете на безводную соль, тогда как растворяемая и выделяемая из раствора формы – кристаллогидраты.

Пример графика:

Методика

1. Заполнить воронку для горячего фильтрования водой и начать нагревание.

2. Взвесить А г соли. Мерным цилиндром отмерить необходимое для растворения количество дистиллированной воды. Для веществ, растворы которых обладают высокой вязкостью (сульфаты хрома, алюминия), увеличить количество воды в 1,5 раза.

3. Налить воду в стакан, отметить уровень воды и поместить стакан на треножник (или на кольцо) с асбестовой сеткой.

4. Нагреть стакан пламенем горелки до указанной преподавателем температуры. В процессе нагревания добавлять соль мелкими порциями, помешивая стеклянной палочкой, до полного растворения. * Почему добавлять всю соль сразу не рекомендуется? Если уровень жидкости в стакане уменьшится (* почему это может случиться?), долить горячей дистиллированной воды.

5. Горячий раствор отфильтровать на воронке для горячего фильтрования. * Зачем?

Внимание! Если носик воронки не касается стенок стакана, помимо разбрызгивания возможно застывание раствора в носике:

6. При получении двойных солей к прозрачному горячему фильтрату добавить горячий раствор сульфата калия или аммония и перемешать.

7. Фильтрат охладить в бане с холодной водой, перемешивая содержимое стакана стеклянной палочкой. * Зачем? Можно следить за динамикой роста кристаллов, периодически рассматривая их под микроскопом.

Кристаллы помещают под микроскоп на предметном стекле. Вот оно:

Если вы добавляли для растворения лишний объем воды или температурная зависимость растворимости вашего вещества пологая, перед кристаллизацией можно провести упаривание раствора (в 1.5-2 раза). Это увеличит выход продукта. * За счет чего?

Упаривание раствора сульфата кобальта на водяной бане:

Следует избегать охлаждения раствора в снегу или, если это необходимо, быстро проводить последующее фильтрование на охлажденном фильтре, промывая ледяной водой. Когда вы вынимаете раствор из снега, он начинает нагреваться, и выпавшие кристаллы, частично растворяясь, оплывают. Вместо кристаллов с четкими гранями (на фото слева) получаются «обсосанные леденцы» (справа):

8. Отфильтровать кристаллы на воронке Бюхнера (хорошо закристаллизованный осадок можно фильтровать на стеклянном фильтре), поместить в подписанную фарфоровую чашку и оставить сушиться на воздухе.

9. Определить массу перекристаллизованной соли С, рассчитать практический выход по формуле (С/В)×100%.

Фотографии кристаллов

CoSO₄×7H₂O и кобальтовый шенит Co(NH₄)₂(SO₄)₂×6Н₂О

NiSO₄×7H₂O и никелевый шенит Ni(NH₄)₂(SO₄)₂×6Н₂О

Медный купорос CuSO₄×5H₂O и медный шенит:

Алюмокалиевые квасцы KAl(SO₄)₂×12Н₂О

Хромокалиевые квасцы KCr(SO₄)₂×12Н₂О

Бура Na₂B₄O₇×10Н₂О

Занятие 2. Определение состава кристаллогидрата

Методика

Взвесить тигель. Положить в него 1-2 г растертой (* с помощью чего?) перекристаллизованной соли и взвесить вместе с веществом (записать точную массу навески!). На треножнике или кольце штатива установить фарфоровый треугольник и поставить на него тигель с веществом. Нагреть тигель пламенем горелки.

Через 2-3 минуты после начала нагревания отставить горелку и накрыть тигель сухим часовым стеклом. * Что при этом происходит? Убрать стекло и продолжить нагревание.

Вот это — часовое стекло:

Рекомендуется проводить прокаливание с датчиком температуры (термопарой). На основании характера кривой нагрева можно легко определить, когда заканчивается дегидратация, и даже (если повезет) заметить образование нескольких последовательных продуктов дегидратации.

Прокаливание с датчиком:

Когда соль обезводится, поставить тигель в эксикатор. Охлажденный до комнатной температуры тигель взвесить. Повторить прокаливание (5 мин), охлаждение и взвешивание несколько раз, доводя тигель с веществом до постоянной массы.

Тигли в эксикаторе (фото Д.Андреевой):