溶解指的是一种物质(溶质)分散于另一种物质(溶剂)中成为溶液的过程。溶剂、温度和搅拌对溶解过程都有影响。因此,溶解固体时要选择合适的溶剂;要根据物质对热的稳定性选择加热方式(加热一般可以加速溶解过程);在溶解过程中,要用玻璃棒进行搅动以促进溶解。
在使用有机溶剂进行溶解时,为避免溶剂挥发或可燃性溶剂着火或有毒溶剂逸出,应在烧瓶上安装回流冷凝管。先加较需要量略少的溶剂,加热沸腾。若未完全溶解,可分次逐渐添加溶剂,再加热到沸腾并摇动,直至刚好溶解。但要注意判断是否有不溶或难溶的杂质存在,以免误加过多溶剂。若含有有色杂质,可加活性炭沸腾脱色。活性炭的脱色能力只在极性溶剂(特别是含羟基的溶剂)中才能充分发挥,在烃类溶剂(如石油酸)中效果甚差。加活性炭时应注意以下几点。
①在接近沸点的溶液中加入活性炭易引起暴沸,故在加活性炭前,应先将待结晶化合物溶液冷却到沸点以下。
②加入活性炭的量应视杂质的多少而定,一般为粗品质量的1%~5%,过量的活性炭将吸附一部分产品。
③加入活性炭后,要煮沸5~10 min,活性炭脱色后,趁热过滤。如一次脱色不完全,可重复进行。
溶质以晶体形式从溶液中析出的过程称为结晶,实验室常用蒸发溶剂或冷却溶液的方法使晶体析出。晶体的大小与溶质的溶解度、溶液浓度、冷却速度等因素有关。
若溶液冷却后仍无晶体析出,可采用如下方法使晶体析出:
①用玻璃棒摩擦容器内壁。
②投入晶种(若无晶种,可用玻璃棒蘸取一些溶液,溶剂挥发后即会析出晶体)。
有时从有机物溶液析出的是油状物而不是结晶,油状物中常常含有大量杂质,因此要避免油状物的形成。若已形成油状物,则可将混合物加热到澄清后,一边冷却一边用玻璃棒剧烈搅拌,使油状物分散在溶液中,直至晶体析出。
重结晶是纯化固体化合物的重要方法之一。它是利用被提纯物质及杂质在某溶剂中或同一溶剂中不同温度下的溶解度不同,而使它们相互分离,从而达到纯化物质的目的。
(1)重结晶过程
①将不纯的固体化合物在溶剂的沸点或接近沸点的温度下溶解在溶剂中,制成接近饱和的浓溶液。若固体有机化合物的熔点较溶剂沸点低,则应制成在熔点温度以下的近饱和溶液。
②若溶液含有有色杂质,可加活性炭煮沸脱色。
③将上述溶液进行热过滤,以除去其中的不溶物及活性炭。
④将滤液冷却,使晶体从过饱和溶液中析出,而可溶性杂质留在母液中。
⑤抽滤。从母液中分离出晶体,洗涤晶体以除去被吸附的母液。
⑥干燥。晶体干燥后测定熔点,以检验其纯度。如不符合要求,可重复上述操作,直至检验合格。
(2)溶剂的选择及用量
进行重结晶时,选择合适的溶剂是关键的一步。理想的溶剂应具备以下条件:
①不与被提纯物质发生化学反应。
②在较高温度下能溶解较多量的被提纯物质,而在室温或更低温度下只能溶解少量。
③对杂质的溶解度非常大(留在母液中除去)或非常小(热过滤除去)。
④容易挥发,易与晶体分离。
⑤能给出较好的晶体。
⑥无毒或毒性很小,便于操作。
⑦价廉易得。
重结晶常用溶剂见表2-1。
表2-1 重结晶常用溶剂
注:“+”表示与水的互溶性好或易燃性好。
“-”表示与水的互溶性差。
选择具体溶剂时,一般物质可查其溶解度。若无文献资料可查,则可用实验的方法确定,具体做法如下:取少量(约0.1 g)试样放入试管中,慢慢滴入溶剂,振摇,当加入溶剂量约为1 mL时,小心加热并摇动,观察加热和冷却时试样的溶解情况(加热时严防溶剂着火)。若物质在1 mL冷或温热的溶剂中已完全溶解,则此溶剂不适宜。若该物质不溶于1 mL沸腾的溶剂,可继续加热,再滴入溶剂,如超过4 mL仍不溶解,则此溶剂也不适宜。如果该物质能溶解在1~4 mL沸腾的溶剂中,可将试管冷却,观察晶体析出情况。若晶体不能自行析出,则可用玻璃棒摩擦溶液液面以下的试管壁,或置于冰水中冷却,使晶体析出。若晶体仍不能析出,则此溶剂不适用。如果晶体能正常析出,可以用几种溶剂同法比较,选用结晶回收率高、操作容易、毒性小、价格便宜的溶剂来进行重结晶。如果0.5~1 mL溶剂能在加热时将0.1 g试样完全溶解,冷却时又能以80%~90%的回收率获得良好的晶体时,一般即可认为该溶剂适宜。
当物质在一些溶剂中溶解度很大(这种溶剂被称为良溶剂),而在另一些溶剂中溶解度又很小(这种溶剂被称为不良溶剂),不能选到一种合适的溶剂时,用混合溶剂往往可得到满意的结果。所谓混合溶剂,就是把对该物质溶解度很大和溶解度很小且又互溶的两种溶剂混合起来而得到的溶剂。
用混合溶剂重结晶时,可先将待纯化物质放在接近沸腾的良溶剂中溶解。若有不溶物,则趁热过滤;若有色,则用活性炭煮沸脱色并趁热过滤。在此热溶液中小心地加入热的不良溶剂,直至出现浑浊并不再消失,再加入少量良溶剂或稍加热使其恰好透明,然后经冷却、结晶、抽滤,便得到纯化的物质。有时也可将两种溶剂先行混合,再按单一溶剂进行操作。常用的混合溶剂有乙醇—水,乙酸—水,丙酮—水,吡啶—水,乙醚—甲醇,乙醚—丙酮,乙醚—石油醚,苯—石油醚。溶剂加入量应比需要量多20%左右。