4.液液分离
(1)蒸馏
蒸馏是液体物质最重要的分离和纯化方法。液体在一定的温度下,具有一定的蒸气压。一般来说,液体的蒸气压,随着温度的增加而增加,直至到达沸点,这时有大量气泡从液体中逸出,即液体沸腾。
蒸馏的方法就是利用液体的这一性质。将液体加热至沸使其变成蒸气,再使蒸气通过冷却装置冷凝并将冷凝液收集在另一容器中的过程。由于低沸点化合物易挥发,高沸点物难挥发,固体物更难挥发,甚至可粗略地认为,大多数固体物不挥发。因此,通过蒸馏,我们就能把沸点相差较大的两各或两种以上的液体混合物逐一分开,达到纯化的目的;也可以把易挥发物质和不挥发物质分开,达到纯化的目的。
(1)在实验室中进行蒸馏操作,所有仪器主要包括三个部分:
① 蒸馏烧瓶 这是蒸馏时最常用的容器。液体在瓶内汽化,蒸气经支管或蒸馏头的侧管馏出,引入冷凝管。
② 冷凝管 由烧瓶中馏出的蒸气在此处冷凝。液体的沸点高于130度时用空气冷凝管,低于130计时用水冷凝管。为避免冷凝管炸裂,通常不把水冷凝管当空气冷凝管用,即使不能不,也不甚保险。为确保所需馏分的纯度,不应采用球形冷凝管,因为球的凹部会存有馏出液,使不同组分的分离变得困难。
③ 接受管 最常用的是锥菜瓶,收集冷凝后的液体。
欲收集几个组分,应准备几个接受器,其中所需馏分,必须用干净的及事先称量好的容器来收集。接受器的大小,应与可能得到的馏分多少相匹配,若馏分很少,用一个大容器来收集,显然会影响收率。若蒸馏的液体量少,可用小的容器,如妯滤试管作接受器。
若馏出液有毒,易挥发,易烯,易吸潮或放出有毒、有刺激性气味的气体时,应根据具体情况,在安装接受器时,采取相应的措施,妥善解决。
根据所要蒸馏液体的性质,正确选用热源,对蒸馏的效果和安全都有着重要的关系。热源的选择主要根据液体的沸点高低、各种热源的特点来考虑。
(2)装配方法 装配蒸馏装置,大致分以下几个步骤:
①准备好所用的全部仪器、设备 根据液体的沸点,选择好热源、冷凝器及温度计;根据液体的体积,选择好蒸馏烧瓶和接受器。
选好三个大小合适的塞子:一个要适合于蒸馏烧瓶口,钻孔后插入温度计;一个要适合于冷凝管上口(扩大端管口),钻孔后套在蒸馏烧瓶的支管上,支管口应伸出塞子2-3cm;一个要适合接液管上口(扩大端管口),钻孔后套在冷凝器的下口管上,管口应伸出塞子2-3cm。
如选择的是水冷凝管,需将其进出水口处套上橡皮管,进水口橡皮管接在自来水龙头上,出水口橡皮管通入水槽中。
②组装仪器 用铁三角架,升降台或铁圈,定下热源的高度和位置。
调节铁支台上持夹的位置,将蒸馏烧瓶固定在合适的位置上,夹持烧瓶的单爪夹应夹在烧瓶支管以上的瓶颈处(远离热源的地方)且不宜夹得太紧。
将配有温度计的塞子塞在蒸馏烧瓶口上,调节温度计的位置,使水银球上沿恰好位于蒸馏烧瓶支管口下沿所在的水平线上。
根据蒸馏烧瓶支管的位置,用另一铁架台,夹稳冷凝管,通常用双爪夹夹持冷凝管,双爪夹不能夹得太紧,若为空气冷凝管,可垫些柔软物再夹持,夹的位置以在冷凝管的中间部分较为稳妥。冷凝管的益应与蒸馏烧瓶的支管尽可能在处在同一直线上,松开双爪夹挪动冷凝管,使其与蒸馏烧瓶连接好,重新旋紧。
最后将接液管与冷凝管接上,再在接液管下口端安放好接受器并注意接液管口应伸进接受器中,不应高悬在接受器的上方,更不要在接液管下口处配上塞子,塞在只有一个开口的接受器上,因为这样整套装置中无一处与大
气相能,成了封闭体系。
综上所述,装配顺序是:由下而上,由头至尾。即由热源—烧瓶—冷凝管—接液管—接受器。
以上装配方法,适用于普通玻璃仪器。用标准磨口组合玻璃仪器(简称磨口仪)组装时,所遵循的原则与此相同且要简便得多,不再赘述。
(3)蒸馏操作 仪器组装好了以后,用长颈漏斗把要蒸馏的液体倒入蒸馏烧瓶中。漏斗颈须能伸到蒸馏烧瓶的支管下面。若用短颈漏斗或用玻璃棒转移液体时,应注意必须确保液体沿着支管口对面的瓶颈壁,慢慢加入,不能让液体流入支管。若液体中有干燥剂或其它固体物质,应在漏斗上放滤纸或一小团松软的脱脂棉、玻璃棉等,以滤除固体。
往蒸馏烧瓶中投入2-3粒沸石。沸石通常可用未上的瓷片敲成米粒大小的碎片制得。也可往蒸馏烧瓶里放入毛细管,毛细管的一端封闭,开口的一端朝下,其长度应足以使其上端能贴靠在烧瓶的颈部而不应横在液体中。
石和毛细管的作用都是为了防止液体暴沸,保证蒸馏能平衡地进行。
加热前,应认真地将装置再检查一遍,当确认装配严密——气密性好——且稳妥后,方可加热。若用的是水冷凝器,在检查后,应先能上冷却水,然后再加热。
当溶液加热至沸点时,毛细管和沸石均能逸出许多细小的气泡,成为液体 分子的气化中心。在持续沸腾时,沸石和毛细管都继续有效,一旦停止加热,沸腾中断,加进的沸石即会失效,在再次加蒸馏前,必须重新加入沸石。如果加热后才发现忘了加沸石,应该待液体冷却后,再行补加。否则会引起剧烈的暴沸,使部分液体冲出支管口,影响蒸馏效果或者液体冲出瓶外,酿成事故。在沸腾平衡进行时,冷凝的蒸气环由瓶颈逐渐上升到温度计的周围,温度计中的水银柱迅速上升,冷凝的液体不断地由温度计水银球下端滴回液面。这时应调节火焰大小或热浴温度,使冷凝管末端流出液体的速度约为每秒钟1-2滴。
第一滴馏出液滴入接受器时,记录此时的温度计读数。当温度计的读数稳定时,另换接受器惧馏出液,记录每个接受器内馏分的温度范围和质量。若要收集的馏分温度范围已有规定应按规定收集。馏分的沸点范围越小,纯度越高。
烧瓶中残留少量(约0.5-1mL)液体时,应停止蒸馏。即使是半微量操作,液体也不能蒸干。
在整个蒸馏过程中,温度计水银球下端,应始终附有冷凝的液滴,确保气液两相平衡。
蒸馏低沸点易烯液体时(例如乙醚),不得用明火加热,附近也不得有明火,最好的办法是用预先热好的水浴,为了保持水浴温度,可以不时地向水浴中添加热水。
蒸馏完毕,先停止加热,后停止通冷却水,再按照与装置顺序相反的程序拆卸仪器。为安全计,最好在拆卸仪器前小心地将热浴挪开,放在适当的地方。
(2)萃取
萃取使利用物质在不同溶剂中溶解度的差异使其分离的。其过程为物质从其溶解或悬浮的相中转移到另一相中。
5.离子交换分离
离子交换分离法是利用离子交换剂与溶液中的离子发生交换反应而实现分离的方法。
离子交换剂的种类很多,主要分为无机离子交换剂和有机离子交换剂。后者又称为离子交换树脂,是应用较多的离子交换剂。
离子交换树脂是具有可交换离子的有机高分子化合物。它分为阳离子交换树脂和阴离子交换树脂,分别能与溶液中的阳离子和阴离子发生交换反应。例如,磺酸型阳离子交换树脂R—SO3-H+和阴离子交换树脂R—NH3+OH-,就分别具有与阳离子交换的H+和与阴离子交换的OH-。当天然水流经这此树脂时,其中阳离子Na+、Mg2+和Ca2+就与H+发生交换反应(正向交换):
R—SO3H + Na+ → R—SO3Na + H+
阴离子Cl-、HCO3-和SO42-等与OH-交换(正向交换):
R—NH3OH + Cl- → R—NH3Cl + OH-
经过多次交换,最后得到含离子很少的水,常称为去离子水。
同其它离子互换反应一样,上述离子交换反应也可逆的,故若用酸或碱浸泡(反向交换)使用过的离子交换树脂,就可以使其“再生”继续使用。
溶剂萃取和篱子交换法的最重要的应用莫过于成功而有效地分离那些性质极其相近的元素,如稀土元素、锆瑟铪、铌与钽等。
离子交换分离的步骤包括(1)装柱;(2)离子交换;(3)洗脱与分离;(4)树脂再生