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。