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蒸发结晶与冷却结晶的比较

来源:tjgmkm.cn 发表时间:2019-10-18

改变温度或溶剂的量,使溶液中的溶质以晶体状态析出的过程,被称为结晶。结晶操作不仅能够从溶液中得到固体溶质,而且能够实现溶质与杂质的分离,借以提高产品的纯度,结晶一般分为蒸发结晶和冷却结晶两种,前者通过蒸发溶剂而得到溶质晶体,它适用于温度对溶解度影响不大的物质,沿海地区“晒盐”就是利用的这种方法。后者通过冷却热饱和溶液方法得到溶质晶体,它适用于温度升高,溶解度增加比较大的物质,如北方地区的盐湖,夏天温度高,湖面上无晶体出现,每到冬季,气温降低,石碱(Na2CO3·10H2O)、芒硝(Na2SO4·10H2O)等物质就从盐湖里析出。

(1)蒸发结晶是指溶液通过溶剂的散失(即蒸发),使得溶液达到饱和状态,进一步失去水分,继而达到过饱和状态。在一定温度下,一定量的水(或溶剂)溶解溶质的质量是有限的,多余的溶质就会随溶剂的减少而析出,即结晶。蒸发结晶一般在下列两种情况下使用。

对于溶解度随温度变化不大、对热稳定的溶质形成的溶液,通过加热的方式蒸发其水分,当出现大量晶体,只有少量水存在时,就可停止加热,利用余热将水蒸发,最后得到溶质晶体。如:蒸发氯化钠溶液,就可得到氯化钠晶体。蒸发结晶最后能直接得到溶质晶体,此操作无需过滤操作,但大量的水分至少需要加热到100 ℃才能汽化,因此该过程需要消耗较多的能源。

从含有两种以上溶质的混合溶液中提纯溶解度随温度变化不大的溶质,一般也是用蒸发结晶。如从氯化钠和硝酸钾的混合溶液(含少量硝酸钾)中提取氯化钠的操作是蒸发结晶、趁热过滤(指将温度较高的固液混合物直接使用常规过滤操作进行过滤)。具体操作:将溶液蒸发,当出现大量晶体时停止加热,趁热过滤,就可得到氯化钠晶体,滤液为含氯化钠、硝酸钾的溶液。在蒸发过程中,溶剂减少有助于降低氯化钠的溶解损耗,大量氯化钠将结晶析出;相反,温度升高会溶解更多的硝酸钾,对于少量硝酸钾杂质而言,避免了因水分减少导致硝酸钾和氯化钠一起析出,保证了析出氯化钠的纯度。在此种情况下,不能将水分完全蒸发除去(这样的话,硝酸钾必然还是混在其中),停止加热时仍含有大量水分,因此就必须通过过滤将晶体和母液分离,这是与前一类蒸发结晶的显著不同点;如果降低至常温再过滤,硝酸钾会随温度下降而重新析出,所以必须立即过滤,也就是趁热过滤,这是用蒸发结晶提纯物质的又一特点。

蒸发单一溶质得到晶体和蒸发混合溶液提纯物质,在实验操作上不完全相同,我们可以通过实验加以体会。

(2)冷却结晶是指冷却热的饱和溶液使溶质结晶而析出的方法。

从热饱和溶液来源看,一般可分为两种情况。一是以反应过程中得到的稀溶液为对象,二是以固体直接配制形成的溶液为对象,冷却对象浓度不同,具体操作也不完全相同。一般在化学反应制备过程得到的溶液,浓度较小,就需要先蒸发浓缩溶液,再冷却结晶。如氧化铜溶于稀硫酸得到硫酸铜稀溶液,一般需先蒸发浓缩溶液,再冷却得到硫酸铜晶体。为除去硝酸钾固体中少量的氯化钠杂质,通常需将固体溶于少量热水直接形成热饱和溶液,这时就可直接冷却结晶。在实际化工生产或科研中,遇到的情况多与第一种情况类似。

同样,冷却结晶既可从溶液中析出溶质,也能从混合物中提纯物质。前者更多的用于提取对热不稳定的溶质晶体,如结晶水合物的获得,必须使用冷却结晶,而不能使用蒸发结晶,如从硫酸铜稀溶液中得到CuSO4·5H2O晶体的操作为蒸发浓缩、冷却结晶、过滤洗涤。为了得到溶解度随温度变化较大物质,除去其中溶解度随温度变化不大的杂质,也需要使用冷却结晶,如从氯化钠和硝酸钾混合稀溶液中提纯硝酸钾(含少量氯化钠杂质),先将混合溶液蒸发浓缩(得到热的饱和溶液),后将溶液冷却结晶(冷却过程中硝酸钾溶解度降低而析出,氯化钠不析出),再过滤洗涤。如果是从氯化钠和硝酸钾的固体混合物中提纯硝酸钾,操作过程变为先将混合物配成热的饱和溶液,后冷却结晶,再过滤洗涤。

总之,无论是蒸发结晶还是冷却结晶,既可以从溶液中提取溶质晶体,也可用于从混合物中提纯物质。对于由A(大量)和B(少量)组成的混合物,如果A的溶解度随温度变化不大,一般用蒸发结晶提纯A;如果A的溶解度随温度变化较大,一般用冷却结晶提纯A。


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