利用两种或多种可溶性固体在同一种溶剂里溶解度的不同,而采用结晶方法加以分离的操作方法.例如,使晶体硝酸钾与其中所含的氯化钠杂质分离,就可以采用结晶的方法. 一般结晶法用于分离海水中的氯化钠。
1.结晶法定义
使物质从液态(溶液或熔融状态)或气态形成晶体的方法即结晶法。 结晶:形成晶体的过程 。为一种物理变化。
2.结晶法种类
(1)、降温结晶法
先加热溶液,蒸发溶剂成饱和溶液,此时降低热饱和溶液的温度,溶解度随温度变化较大的溶质就会呈晶体析出,叫降温结晶。例如:当NaCl和KNO3的混合物中KNO3多而NaCl少时,即可采用此法,先分离出KNO3,再分离出NaCl。
(2)、蒸发结晶法
蒸发结晶:蒸发溶剂,使溶液由不饱和变为饱和,继续蒸发,过剩的溶质就会呈晶体析出,叫蒸发结晶。例如:当NaCl和 KNO3的混合物中NaCl多而KNO3少时,即可采用此法,先分离出KNO3,再分离出NaCl。
可以观察溶解度曲线,溶解度随温度升高而升高得很明显时,这个溶质叫陡升型,反之叫缓升型。
当陡升型溶液中混有缓升型时,若要分离出陡升型,可以用降温结晶的方法分离,若要分离出缓升型的溶质,可以用蒸发结晶的方法。
如硝酸钾就属于陡升型,氯化钠属于缓升型,所以可以用蒸发结晶来分离出氯化钠,也可以用降温结晶分离出硝酸钾。
与蒸发相伴随的往往有过滤。这里介绍几种常见的过滤方法:
1 常压过滤,所用仪器有:玻璃漏斗、小烧杯、玻璃棒、铁架台等。要注意的问题有:在叠滤纸的时候要尽量让其与玻璃漏斗内壁贴近,这样会形成连续水珠而使过滤速度加快。这在一般的过滤中与速度慢的区别还不太明显,当要求用热过滤时就有很大的区别了。比如说在制备KNO3时,如果你的速度太慢,会使其在漏斗中就因冷却而使部分KNO3析出堵住漏斗口,这样实验效果就会不太理想。
2 减压过滤,所用仪器有:布氏漏斗、抽滤瓶、滤纸、洗瓶、玻璃棒、循环真空泵等。要注意的问题有:选择滤纸的时候要适中,当抽滤瓶与循环真空泵连接好后用洗瓶将滤纸周边润湿,后将要过滤的产品转移至其中(若有溶液部分要用玻璃棒引流)。
(3)、重结晶法
将晶体溶于溶剂或熔融以后,又重新从溶液或熔体中结晶的过程。又称再结晶。重结晶可以使不纯净的物质获得纯化,或使混合在一起的盐类彼此分离。重结晶的效果与溶剂选择大有关系,选择对主要化合物是可溶性的,对杂质是微溶或不溶的溶剂,滤去杂质后,将溶液浓缩、冷却,即得纯制的物质。混合在一起的两种盐类,如果它们在一种溶剂中的溶解度随温度的变化差别很大,例如硝酸钾和氯化钠的混合物,硝酸钾的溶解度随温度上升而急剧增加,而温度升高对氯化钠溶解度影响很小。则可在较高温度下将混合物溶液蒸发、浓缩,首先析出的是氯化钠晶体,除去氯化钠以后的母液在浓缩和冷却后,可得纯硝酸钾。重结晶往往需要进行多次,才能获得较好的纯化效果。
(4)、升华结晶法
应用物质升华再结晶的原理制备单晶的方法。物质通过热的作用,在熔点以下由固态不经过液态直接 转变为气态,而后在一定温度条件下重新再结晶,称升华再结晶。1891年R.洛伦茨(Lorenz)利用升华再结晶的基本原理生长硫化物小的晶体。1950年D.C. 莱诺尔兹(Reynolds)以粉末状CdS为原料用升华再 结晶方法制备了3X3火6mm的块状CdS晶体。1961 年W.W.培皮尔(PIPer)用标准升华再结晶的方法 生长了直径为13mm的CdS单晶。升华再结晶法已成 为生长H一砚族化合物半导体单晶材料的主要方法 之一。 物质在升华过程中,外界要对固态物质作功,使其 内能增加,温度升高。为使物质的分子气化,单位物质 所吸收的热量必须大于升华热(即熔解热和气化热之 和),以克服固态物质的分子与周围分子的亲合力和环 境的压强等作用。获得足够能量的分子,其热力学自由 能大大增加。当密闭容器的热环境在升华温度以上时, 该分子将在容器的自由空间内按布朗运动规律扩散。如 果在该容器的另一端创造一个可以释放相变潜热(即相 变过程中单位物质放出的热量)的环境,则将发生凝华 作用而生成凝华核即晶核。在生长单晶的情况下,释放 相变潜热,一般采用使带冷指的锥形体或带冷指的平面 处于一定的温度梯度内,并使或平面的一点温度 低,此处形成晶核的几率。根据科赛尔结晶生长理 论,一旦晶核形成,新的二维核将沿晶核周边阶梯继续 进行排列,当生长一层分子后,在其平坦的结晶面上将 有新的二维核形成,进而生成另一层新的分子层。决定 晶体生长的3个基本要素是表征系统自由能变化的临界 半径、二维核存在的几率和二维核形成的频度。升华再 结晶法可用于熔点下分解压力大的材料,如制备CdS、 ZnS、Cdse等单晶。其缺点是生成速率慢,生长条件 难以控制。
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