PODSTAWOWY SPRZĘT LABORATORYJNY

URZĄDZENIA I PRZYRZĄDY

Statyw laboratoryjny i jego wyposażenie

Sprzęt metalowy

1. statyw

2. łapa

3. trójnóg

Statywy, łapy, kółka, trójnogi - sprzęt służący do ustawiania, zamocowywania i przytrzymywania naczyń laboratoryjnych w określonym położeniu.

Urządzenia do ogrzewania

Suszarki i łaźnie wodne

Inny sprzęt laboratoryjny

Z licznego asortymentu innego sprzętu laboratoryjnego wymienić można:

- pompki wodne (szklane, metalowe lub plastykowe), służące do uzyskiwania zmniejszonego ciśnienia podczas destylacji tzw. próżniowej oraz do filtracji próżniowej,

- statywy do próbówek, sporządzone z drewna, plastyku lub metalu,

- szczotki do mycia szkła i próbówek,

- termometry laboratoryjne o różnych zakresach w przedziale od

-65^oC do +360^oC. Są to termometry rtęciowe lub spirytusowe,

- ściskacze śrubowe lub sprężynowe do węży gumowych.

SZKŁO LABORATORYJNE

Naczynia i elementy budowy aparatur laboratoryjnych, zwane dalej szkłem laboratoryjnym, sporządzone są ze specjalnego rodzaju szkła o dużej odporności termicznej i mechanicznej. Podczas prac laboratoryjnych wykorzystuje się ogromny asortyment szkła laboratoryjnego o różnorodnych kształtach i wielkościach oraz sposobach ich łączenia. Mogą one być sporządzone do łączenia na korki zwykłe, gumowe lub z tworzywa sztucznego, albo być wyposażone w elementy łączące szlifowane (tzw. szlify) albo gwintowe lub inne.

Zlewki i kolby

Zlewki używane są do sporządzania mieszanin reakcyjnych, do ogrzewania niepalnych cieczy oraz jako odbieralniki podczas destylacji z parą wodną. Rozróżnia się zlewki niskie i wysokie, z wylewem i bez wylewu, niektóre mają skalę przybliżonej pojemności. Ich wielkość jest bardzo różnorodna: 25, 50, 100, 150, 200, 250, 400, 600, 800, 1000, 1500, 2000cm³. Oprócz zlewek ze szkła niekiedy używa się zlewek porcelanowych o wielkościach od 500 do 5000 cm³.

Chłodnice

Inne elementy konstrukcyjne aparatury

Wkraplacze i rozdzielacze

Do dozowania odczynników podczas reakcji stosuje się wkraplacze kuliste lub cylindryczne o różnych pojemnościach i sposobach regulowania dopływu reagenta.

Do rozdzielania faz w produktach reakcji oraz do mieszania i rozdzielania warstw po ekstrakcji stosuje się rozdzielacze o kształtach dopasowanych do różnych wymagań: gruszkowe, cylindryczne lub kuliste.

Wkraplacze wykonane są ze szkła i są cienkościenne. Rozdzielacze najczęściej są grubościenne.

Pipety

Do odmierzania reagentów dodawanych do mieszaniny reakcyjnej stosuje się pipety (od 1 do 50 cm³) lub mikropipety (poniżej 1 cm³), pełne (o jednym znaku pojemności) albo kalibrowane. Można też stosować kalibrowane strzykawki szklane lub polietylenowe.

Używane są także urządzenia działające automatycznie: dozowniki, pompy perystaltyczne, dyspensery lub dilutery.

Inne rodzaje szkła laboratoryjnego

Podczas wykonywania prac laboratoryjnych stosowany jest bardzo szeroki asortyment innych przyrządów ze szkła lub plastyku (np. z polietylenu, polipropylenu, poliwęglanów lub teflonu).

Płuczki. Płuczki stosuje się do oczyszczania gazów z zanieczyszczeń gazowych oraz do osuszania gazów doprowadzanych do mieszaniny reakcyjnej.

Próbówki. Próbówki używane są do przeprowadzania reakcji z małymi ilościami reagentów. Są to najczęściej próbówki o długości 10, 16, 18 cm i odpowiedniej średnicy. Podczas ogrzewania cieczy w próbówce należy korzystać z uchwytu z drewna, plastyku lub metalu.

Lejki. Lejki służą do wlewania cieczy do naczyń. Najczęściej są to lejki stożkowe ze szkła lub polipropylenu. Specjalną ich odmianę stanowią porcelanowe lub szklane lejki sitowe (lejki Büchnera), służące do filtracji próżniowej.

Szkiełka zegarkowe. Służą do odmierzania lub rozdrabniania małych ilości substancji stałych, albo do odparowywania niewielkich ilości rozpuszczalników. Mają średnicę od 3 do 25 cm.

Eksykatory. Eksykatory stosuje się do suszenia lub przechowywania substancji bez dostępu wilgoci. Na dnie eksykatora, pod płytką z otworami na postawienie naczynia z suszoną substancją, umieszcza się środek silnie higroskopijny: stężony kwas siarkowy, pięciotlenek fosforu, chlorek wapnia lub żel krzemionkowy. Osuszenie substancji wymaga odpowiednio długiego okresu czasu.

Krystalizatory. Służą do krystalizowania substancji z roztworu. Krystalizacja odbywa się w temperaturze pokojowej, tzn. w temperaturze otoczenia.

Moździerze. Stosowane są do mechanicznego rozdrabniania substancji. Składają się z grubościennej, porcelanowej miseczki o różnych średnicach (od kilku do kilkudziesięciu centymetrów) i pistylki (tłuczka) z porcelany.

Szalki (płytki) Petri'ego. Składają się ze szklanej, okrągłej części dolnej o

średnicy 3 - 20 cm i pokrywki o nieco większej średnicy. Stosowane są przede wszystkim w mikrobiologii. W laboratorium chemicznym stosuje się je do odważania i krótkotrwałego przechowywania substancji, oraz do odparowywania cieczy z roztwo-rów.

Parownice. Parownice ze szkła lub najczęściej z porcelany, bez wylewu lub z wylewem, stosowane są do odparowywania roztworów w podwyższonej temperaturze w celu uzyskania suchej pozostałości. Mogą mieć od 3 do 40 cm średnicy.

PODSTAWOWE CZYNNOŚCI LABORATORYJNE

Spośród bardzo wielkiej liczby różnych operacji laboratoryjnych wykonywanych w laboratorium chemii omówione będą tylko te, które będzie wykonywał student podczas przewidzianych programem, najprostszych ćwiczeń, tj.

- ogrzewanie

- filtracja

- suszenie

OGRZEWANIE

Ogrzewanie jest jedną z najczęściej wykonywanych czynności laboratoryjnych. Ogrzewa się:

a) bezpośrednio płomieniem palnika gazowego lub lampki spirytusowej,

b) palnikiem gazowym poprzez siatkę azbestową lub płytkę ceramiczną,

c) w łaźni wodnej,

d) w łaźni olejowej lub metalowej,

e) na łaźni parowej,

f) na łaźni piaskowej,

g) na łaźni powietrznej,

h) na grzejniku elektrycznym,

i) promiennikiem podczerwieni.

Inne sposoby ogrzewania stosowane są rzadko.

a) Bezpośrednio płomieniem palnika ogrzewa się ciecze w próbówkach oraz ciecze w zlewkach lub kolbach. W czasie ogrzewania próbówki z cieczą należy ją trzymać za pomocą uchwytu drewnianego i ogrzewanie rozpoczynać od powierzchni cieczy, jednocześnie lekko potrząsając próbówką . Należy przy tym uważać, aby wylot próbówki nie był skierowany na stojące obok osoby.

Ciecze w kolbach (tylko kulistych) podczas destylacji ogrzewa się bezpośrednio świecącym płomieniem palnika, ustawicznie poruszając palnik ruchem wahadłowym .

b) Palnikiem gazowym poprzez siatkę azbestową ogrzewa się substancje w zlewkach (tylko wtedy, gdy nie są palne oraz do temperatur leżących poniżej ich temperatury wrzenia), kolbach płaskodennych, kolbach stożkowych, kolbach kulistych i innych naczyniach .

Wobec szkodliwości azbestu, zaleca się podczas częstych, całodziennych prac, stosowanie płytek ceramicznych zamiast siatek azbestowych.

c) Ogrzewanie w łaźni wodnej stosuje się wówczas, gdy podczas operacji ma być utrzymana określona temperatura poniżej 100^oC (373 K). Ogrzewane naczynie zanurza się wówczas w wodzie, a temperaturę kontroluje się termometrem zanurzonym w łaźni lub w ogrzewanej cieczy i reguluje przez odpowiednie regulowanie wielkości płomienia palnika gazowego lub mocy grzejnika elektrycznego.

Najczęściej stosuje się elektryczne łaźnie wodne z automatyczną regulacją temperatury.

d) Ogrzewanie w łaźni olejowej lub metalowej stosuje się wtedy, gdy wymagana jest temperatura wyższa od 100^oC (373 K) lub gdy łaźnia wodna mogłaby być przyczyną eksplozji w przypadku pęknięcia naczynia szklanego (np. reakcja z metalicznym sodem). Naczynie z ogrzewaną substancją zanurza się w stopionym medium grzejnym, które podgrzewa się do potrzebnej temperatury palnikiem gazowym lub grzejnikiem elektrycznym, kontrolując temperaturę termometrem umieszczonym w łaźni lub w ogrzewanej cieczy. Jako medium grzejne stosuje się:

- parafinę - do 150^oC (423 K)

- cerezynę - do 180^oC (453 K)

- olej cylindrowy - do 220^oC (493 K)

- olej silikonowy - do 300^oC (573 K)

- stop Wood'a (Bi- 5 do 8 części, Pb- 4 części, Sn- 2 części, Cd-1 do 2 części)- (t.t. 65^oC, 338 K)

- stop Rose'go (Bi - 50%, Pb -25-28%,Sn- 22-25%)- (t.t. 94^oC, 367 K)

W przypadku stosowania łaźni metalowej korzystnym jest naczynie z ogrzewaną cieczą okopcić w świecącym płomieniu palnika gazowego, co zapobiega przyleganiu metalu do szkła. Możliwe jest automatyczne regulowanie temperatury przy pomocy odpowiedniego urządzenia sterującego.

e) Ogrzewanie na łaźni parowej stosuje się wtedy, gdy reakcja ma być prowadzona w temperaturze wrzenia wody. Naczynie jest wówczas ogrzewane parą wodną, uzyskiwaną w naczyniu wyposażonym w urządzenie do utrzymywania stałego poziomu wody i ogrzewanym palnikiem gazowym lub grzejnikiem elektrycznym.

Odmianą tego sposobu ogrzewania jest ogrzewanie parami cieczy o stałej temperaturze wrzenia, uzyskiwanej w naczyniu wyposażonym w chłodnicę zwrotną i ogrzewanym palnikiem gazowym lub grzejnikiem elektrycznym. Jako ciecze grzejne stosowane są:

- chlorobenzen (132^oC, 405 K)

- bromobenzen (156^oC, 429 K)

- anilina (184^oC, 457 K)

- nitrobenzen (211^oC, 484 K)

- difenyloamina (302^oC, 575 K)

i wiele innych cieczy.

f) Na łaźni piaskowej ogrzewa się mieszaniny reakcyjne do temperatur powyżej 100^oC (373 K). Naczynie z ogrzewaną substancją umieszcza się na cienkiej warstwie piasku, wsypanej na dno metalowego naczynia i obsypuje się dookoła grubszą warstwą piasku. Łaźnię ogrzewa się palnikiem gazowym lub na grzejniku elektrycznym. Możliwe jest zastosowanie urządzeń do automatycznej regulacji temperatury.

g) Na łaźni powietrznej ogrzewa się mieszaniny reakcyjne w kolbach kulistych, umieszczonych w tzw. lejku Babo. Ogrzewa się wyłącznie palnikiem gazowym.

h) Na grzejniku elektrycznym ogrzewa się najczęściej mieszaniny reakcyjne w naczyniach metalowych lub szklanych. Elementy grzejne powinny być szczelnie zamknięte w obudowie grzejnika, a powierzchnia grzejnika powinna być dostosowana do kształtu naczynia tak, aby powierzchnia zetknięcia była jak największa. Odmianą ogrzewania elektrycznego jest ogrzewania wstęgami lub kocami azbestowymi, w które wplecione są druty grzejne i którymi owija się ogrzewane naczynie szklane, uzyskując w ten sposób dużą powierzchnię ogrzewania.

i) Promiennikiem podczerwieni ogrzewa się naczynia z łatwo lotnymi cieczami. W tym przypadku ogrzewane naczynie nie styka się bezpośrednio z elementem grzejnym. Ogrzewanie promiennikiem podczerwieni stosuje się do ogrzewania mieszanin reakcyjnych, gdy nie jest konieczne utrzymanie ściśle określonej temperatury. Substancje ogrzewane do temperatur leżących znacznie poniżej ich temperatury wrzenia można ogrzewać w naczyniach otwartych. Ciecze ogrzewane do temperatury wrzenia, lub do temperatur leżących w pobliżu ich punktu wrzenia ogrzewa się pod chłodnicą zwrotną tj. chłodnicą kulkową, chłodnicą Allihna, ewentualnie chłodnicą Liebiga, połączoną z naczyniem ogrzewanym w położeniu pionowym. Wodę do chłodnicy zwrotnej doprowadza się współprądowo, to znaczy od dołu, a odprowadza u góry chłodnicy.

FILTRACJA

Filtracja albo sączenie ma na celu oddzielnie substancji stałej od cieczy. W pracowni organicznej stosuje się zazwyczaj dwa podstawowe sposoby filtracji:

1. Sączenie na lejku stożkowym

2. Sączenie na lejku sitowym.

.

1. Sączenie na lejku stożkowym stosowane jest wtedy, gdy oddzielany produkt jest cieczą lub znajduje się w roztworze. W celu przyśpieszenia filtracji stosuje się zazwyczaj sączek fałdowany o bardzo rozwiniętej powierzchni filtracji .

Sączek fałdowany do sączenia w lejku stożkowym sporządza się przez wielokrotne składanie krążka bibuły filtracyjnej. Sączek fałdowany umieszcza się swobodnie w lejku stożkowym, zwilża rozpuszczalnikiem z sączonego roztworu i następnie nalewa do niego filtrowany roztwór, najlepiej po pałeczce szklanej.

Przez sączek fałdowany filtruje się najczęściej gorące roztwory substancji podczas krystalizacji. Aby zapobiec przedwczesnemu ochłodzeniu roztworu i wykrystalizowaniu substancji w lejku, sączenie wykonuje się w lejku umieszczonym w płaszczu grzejnym . Płaszcz grzejny zawiera wodę. którą ogrzewa się palnikiem gazowym. Podczas sączenia roztworów w palnych rozpuszczalnikach wodę w lejku ogrzewa się do potrzebnej temperatury i następnie palnik gasi, aby zapobiec zapaleniu się par rozpuszczalnika.

2. Sączenie na lejku sitowym pod zmniejszonym ciśnieniem, stosowane jest wówczas, gdy wyodrębniany produkt jest substancją stałą.

Podczas sączenia na lejku sitowym, lejek umieszcza się za pomocą korka gumowego lub złącza szlifowego w szyjce kolby próżniowej, sprawdza się szczelność połączenia i do kolby podłącza się pompkę wodną za pomocą węża gumowego o odpowiedniej długości. Na sitku lejka umieszcza się krążek bibuły filtracyjnej tak, aby zakrywał całe dno, ale nie zawijał się na ścianki boczne. Bibułę zwilża się rozpuszczalnikiem z roztworu i palcem lub korkiem dociska się jego brzegi do dna lejka. Następnie do lejka nalewa się filtrowaną ciecz i uruchamia pompkę wodną. Po odsączeniu osad na lejku odciska się od resztek roztworu główką korka szlifowego lub innym dogodnym przedmiotem i przemywa małą ilością czystego rozpuszczalnika. Następnie lejek z odsączonym osadem kładzie się na kartce papieru szyjką do góry i przy pomocy węża gumowego, dopasowanego do otworu w szyjce wdmuchuje się powietrze. Sączek wraz z osadem zostają przy tym wyrzucone na papier . Z plastra osadu należy pod kątem ostrym do jego powierzchni usunąć krążek bibuły filtracyjnej. Aby przyspieszyć schnięcie można plaster osadu rozdrobnić nożem lub kawałkiem tektury na mniejsze kawałki.

SUSZENIE

Suszenie polega na odparowaniu rozpuszczalnika. Można to wykonać na jeden z dwóch sposobów:

a) w temperaturze pokojowej,

b) w temperaturze podwyższonej.

a) Suszenie w temperaturze pokojowej polega na pozostawieniu odsączonej substancji na kartce papieru, lub na płytce z innego materiału, na odpowiednio długi okres czasu. Można też suszyć w eksykatorze nad czynnikiem pochłaniającym wodę (stężony kwas siarkowy (VI), pięciotlenek fosforu, chlorek wapnia, żel krzemionkowy lub inny środek suszący).

Suszenie w temperaturze podwyższonej można wykonać pod normalnym lub pod zmniejszonym ciśnieniem. Pod normalnym ciśnieniem można suszyć:

- przez nadmuchiwanie ogrzanego powietrza,

- w suszarce elektrycznej z automatyczną regulacją temperatury,

- pod promiennikiem podczerwieni.

Pod zmniejszonym ciśnieniem suszy się;

- w pistolecie próżniowym w temperaturze wrzenia odpowiednio dobranego rozpuszczalnika,

- w suszarce próżniowej z automatyczną regulacją temperatury.

METODY WYODRĘBNIANIA I OCZYSZCZANIA

ZWIĄZKÓW CHEMICZNYCH

Do podstawowych zadań w chemii należy m.in. wydrębnianie połączeń z produktów naturalnych lub mieszanin poreakcyjnych oraz oczyszczanie substancji uzyskanych ze źródeł naturalnych lub w wyniku syntezy chemicznej. Do najważniejszych metod stosowanych w tym celu należą:

- krystalizacja ,

- destylacja ,

- sublimacja ,

- ekstrakcja ,

- chromatografia .

KRYSTALIZACJA

Krystalizacja jest jednym z najczęściej stosowanych sposobów oczyszczania substancji stałych. Proces krystalizacji polega na sporządzeniu nasyconego na gorąco roztworu oczyszczanej substancji w odpowiednim rozpuszczalniku, a następnie pozostawieniu go do ochłodzenia. Wykorzystuje się przy tym zjawisko różnej rozpuszczalności w zależności od temperatury roztworu. W miarę oziębiania roztwór staje się przesycony i następuje wykrystalizowanie rozpuszczonej substancji. Wykrystalizowuje czysty związek, a zanieczyszczenia pozostają nie rozpuszczone albo w roztworze, gdyż ich stężenie w roztworze jest znacznie mniejsze niż oczyszczanej substancji. Wydzielone kryształy odsącza się na lejku sitowym i suszy. Dobór rozpuszczalnika uzależniony jest od właściwości fizycznych i chemicznych krystalizowanej substancji. Rozpuszczalnik nie może reagować z oczyszczaną substancją oraz powinien rozpuszczać ją możliwie dobrze na gorąco, natomiast nie rozpuszczać jej prawie w ogóle na zimno. Ponadto w miarę możliwości rozpuszczalnik powinien być niepalny i nietoksyczny. Podczas krystalizacji z rozpuszczalników palnych ogrzewanie należy prowadzić pod chłodnicą zwrotną, a podczas sączenia należy zgasić palniki.

Ogólnie: podczas krystalizacji obowiązuje reguła, że rozpuszczalniki polarne (np. woda, alkohole, ketony, estry, kwasy, dimetyloformamid, pirydyna) lepiej rozpuszczają związki o charakterze polarnym, to jest takie, które posiadają moment dipolowy. Natomiast związki niepolarne lepiej rozpuszczają się w rozpuszczalnikach niepolarnych (np. benzyna, benzen, eter, tetrachlorek węgla). Często korzystne wyniki uzyskuje się stosując mieszaninę rozpuszczalników.

W celu dokładnego oczyszczenia substancji proces krystalizacji powtarza się kilkakrotnie, aż do chwili, gdy temperatura topnienia oczyszczanego związku nie ulega już zmianie podczas kolejnych krystalizacji.

Nierozpuszczalne zanieczyszczenia pozostają na sączku, a łatwiej rozpuszczalne, niż oczyszczany związek, pozostają w roztworze.

Bardzo często w procesie krystalizacji, przed sączeniem roztworu na gorąco, dodaje się węgiel aktywny, który na swojej powierzchni adsorbuje substancje barwne i smoliste.

Często zdarza się, że niektóre substancje mają skłonność do tworzenia roztworów przesyconych. W takich przypadkach, w celu zainicjowania krystalizacji, należy pocierać pręcikiem szklanym wewnętrzne ścianki naczynia, w którym znajduje się przesącz, albo zaszczepić przesącz przez dodanie kilku kryształków tej samej substancji. Zaszczepianie przesączu kryształkami stosuje się również w celu otrzymania dobrze wykształconych, dużych kryształów.

Jeżeli krystalizowana substancja jest szczególnie cenna, lub kiedy jej rozpuszczalność na zimno jest stosunkowo duża, to z przesączu uzyskuje się dodatkowe ilości substancji zatężając roztwór przez odparowanie części rozpuszczalnika. Uzyskuje się wówczas drugi rzut kryształów, mniej czystych od kryształów pierwszego rzutu.

Dane o rozpuszczalności oczyszczanej substancji można znaleźć w odpowiedniej literaturze chemicznej. Jeżeli dane liczbowe nie są dostępne, to rozpuszczalność ustala się na podstawie prób przeprowadzonych z małą ilością krystalizowanej substancji.

Rozdzielenie dwu lub kilku substancji na zasadzie wykorzystania różnicy ich rozpuszczalności nazywa się krystalizacją frakcyjną. Krystalizację taką powtarza się wielokrotnie, aż do uzyskania czystych związków (stała temperatura topnienia).

DESTYLACJA

Destylacja jest jednym z najczęściej stosowanych sposobów oczyszczania i rozdzielania substancji ciekłych. Ciała stałe destyluje się tylko wtedy, gdy oczyszczanie ich przez krystalizację nie daje pożądanych wyników. Destylację przeprowadza się często pod zmniejszonym ciśnieniem lub z parą wodną. Za pomocą destylacji oddziela się te zanieczyszczenia, które nie mogą być usunięte przez odsączenie lub ekstrakcję odpowiednimi rozpuszczalnikami.

Destylacja polega na przeprowadzeniu cieczy w stan pary, a następnie skropleniu pary w chłodnicy. Do najczęściej stosowanych rodzajów destylacji należą:

a) destylacja pod normalnym ciśnieniem,

b) destylacja frakcyjna,

c) destylacja pod zmniejszonym ciśnieniem,

d) destylacja pod zwiększonym ciśnieniem,

e) rektyfikacja,

f) destylacja z parą wodną.

a) Destylację pod normalnym ciśnieniem przeprowadza się ze specjalnie do tego celu przeznaczonych kolb destylacyjnych. Do cieczy o niskiej temperaturze wrzenia (poniżej 150^oC, 423 K) używa się kolb destylacyjnych z wysoko osadzoną rurką odprowadzającą pary i chłodnic Liebiga, a ciecze o wysokiej temperaturze wrzenia destyluje się z kolb o nisko osadzonej rurce odlotowej, zaś do skraplania par używa się chłodnic powietrznych.

Szyjkę kolby destylacyjnej zamyka się korkiem, w którym osadzony jest termometr tak, aby jego zbiornik z rtęcią znajdował się nieco poniżej otworu rurki odlotowej .

Pierwsze krople destylatu, aż do chwili ustalenia się temperatury, zbiera się osobno, gdyż zawierają one zanieczyszczenia. Jest to tzw. przedgon. Ustalenie się temperatury oznacza, że destyluje substancja jednorodna.

Teoretycznie temperatura wrzenia czystej substancji jest stała przy stałym ciśnieniu, praktycznie może się wahać w granicach kilku stopni, wskutek zmian ciśnienia, zmian wymiany termicznej, przegrzewania się par cieczy itp. Przy prawidło-wo prowadzonej destylacji wahania temperatury powinny być niewielkie.

b) Mieszaniny substancji, znacznie różniących się temperaturą wrzenia poddaje się destylacji frakcjonowanej. Zbiera się wówczas frakcje o temperaturze wrzenia leżącej w określonym przedziale w pobliżu temperatury wrzenia poszczególnych składników mieszaniny.

Podczas destylacji mieszaniny substancji nie różniących się znacznie temperaturami wrzenia niemożliwe jest rozdzielenie jej na czyste składniki w wyniku jednorazowej destylacji. Zbiera się wówczas frakcje o określonych temperaturach wrzenia, które są bardziej wzbogacone w poszczególne składniki mieszaniny. W wyniku wielokrotnie przeprowadzonej destylacji poszczególnych frakcji mieszaninę można rozdzielić na czyste składniki.

c) Destylację pod zmniejszonym ciśnieniem stosuje się wówczas, gdy oczyszczana substancja ma wysoką temperaturę wrzenia, lub gdy podczas destylacji pod normalnym ciśnieniem ulega rozkładowi. Obniżenie ciśnienia powoduje równo-czesne obniżenie temperatury wrzenia. Aparatura do destylacji pod zmniejszonym ciśnieniem składa się z dwóch części: z urządzenia do obniżania ciśnienia tj. pompy próżniowej (a) z urządzeniem zabezpieczającym i manometrem (b) oraz z właściwej aparatury do destylacji (c). Do uzyskania zmniejszonego ciśnienia używa się pompki wodnej albo rotacyjnej pompy olejowej.

		do pompy (a)
(c)	(b)

d) Destylację pod zwiększonym ciśnieniem stosuje się do destylacji skroplonych gazów. W praktyce laboratoryjnej jest ona rzadko stosowana.

e) Rektyfikacja polega na wielokrotnej destylacji mieszaniny dwu- lub wieloskładnikowej, przeprowadzanej w jednym aparacie, zwanym kolumną destylacyjną lub rektyfikacyjną. Kolumna rektyfikacyjna składa się z półek, w których

znajdują się otwory nakryte dzwonami oraz przelewy. Rektyfikacja polega na tym, że na każdej półce następuje zetknięcie się fazy parowej ze skroploną fazą ciekłą, a następnie wymiana masy, w wyniku której lżejszy składnik z fazy ciekłej przechodzi do fazy parowej, a jednocześnie równoważna ilość cięższego składnika przechodzi z fazy parowej do fazy ciekłej. W kolumnie rektyfikacyjnej ciecz spływa z góry, a para przechodzi w przeciwprądzie i jest skraplana po wyjściu z kolumny. Część skroplin zostaje zawrócona do kolumny jako orosienie. Ilość półek w kolumnie zależy od różnicy temperatur wrzenia rozdestylowywanych składników mieszaniny.

f) Destylacja z parą wodną jest stosowana do oczyszczania albo oddzielania substancji ciekłych lub stałych, które mają dostateczną lotność, a nie rozpuszczają się i nie wchodzą w reakcję z wodą. Parę niezbędną do przeprowadzenia takiej destylacji wytwarza się w odpowiednim kociołku, zabezpieczonym przed powstaniem nadciśnienia albo w elektrycznym generatorze pary.

Destylacja ta opiera się na prawie Daltona, które mówi, że całkowita prężność pary równa się sumie prężności parcjalnych par poszczególnych składników:

p_całk. = p₁ + p₂ + p₃ + .... + p_n

Destylacja zachodzi przy tym poniżej temperatury wrzenia wody, a mianowicie w takiej temperaturze, w której suma prężności parcjalnych obu destylowanych substancji jest większa niż ciśnienie atmosferyczne. Aby nastąpiło wrzenie wystarczy wobec tego żeby prężność pary destylowanej cieczy była znacznie niższa niż ciśnienie atmosferyczne.

Urządzenie do destylacji z parą wodną składa się z urządzenia do wytwarzania pary (a), kolby w której znajduje się destylowana ciecz (b), chłodnicy do skraplania par (c) i odbieralnika (d).

(a)	(b)	(c)	(d)

Wytworzona para jest doprowadzana przez rurką sięgającą dna kolby. Mieszanina par wody i pary oczyszczanej substancji ulega skropleniu w chłodnicy. W destylacie oddziela się przedestylowaną substancję od wody przy pomocy rozdzielacza.

Gdy substancją destylowaną jest związek stały może on krystalizować w chłodnicy i doprowadzić do jej zatkania. Wtedy należy przerwać destylację i przeczyścić chłodnicę pręcikiem szklanym albo wytopić zestaloną substancję przez przerwanie na krótki czas dopływu wody do chłodnicy.

SUBLIMACJA

Sublimacja polega na tym, że niektóre substancje bezpośrednio ze stanu stałego, nie topiąc się, przechodzą w stan pary, a po oziębieniu par z powrotem zestalają się bez pośrednictwa fazy ciekłej. Do oczyszczania przez sublimację bardzo małych ilości substancji używa się dwóch złożonych szkiełek zegarkowych: na dolne szkiełko wsypuje się substancję sublimowaną i po przykryciu drugim szkiełkiem zegarkowym, ogrzewa się mikropalnikiem dolne szkiełko. Pary substancji sublimowanej zestalają się na wewnętrznej

powierzchni górnego szkiełka. Do sublimacji większych ilości substancji używa się wysokiej zlewki. Na dno zlewki wsypuje się substancję przeznaczoną do sublimacji. Otwór zlewki nakrywa się kolbą kulistą, napełnioną zimną wodą. Zlewkę z substancją ogrzewa się na łaźni piaskowej lub palnikiem. Sublimowana substancja osadza się na zimnej powierzchni dna kolby, z której można ją zeskrobać.

EKSTRAKCJA

Ekstrakcja jest operacją wymywania ciekłym rozpuszczalnikiem jednego lub więcej składników znajdujących się w mieszaninie ciekłej lub stałej. Rozpuszczalnik używany do ekstrahowania nazywany jest ekstrahentem. Metoda ekstrakcji opiera się na różnicy rozpuszczalności poszczególnych składników mieszaniny w rozpuszczalniku użytym do ekstrahowania. Proces ekstrakcji jest procesem dyfuzyjnym, ponieważ przechodzenie składników materiału ekstrahowanego do ekstrahenta przebiega na skutek różnicy stężeń. Szybkość tego procesu zależy przede wszystkim od wielkości różnicy stężeń i od wielkości powierzchni zetknięcia się obu faz. Rozróżnia się dwa rodzaje ekstrakcji:

a) ekstrakcja z mieszaniny stałej,

b) ekstrakcja z mieszaniny ciekłej, np. z roztworu lub zawiesiny.

a) Podczas ekstrakcji z mieszaniny stałej ekstrahent dobiera się tak, aby w sposób możliwie najbardziej selektywny wypłukiwał ekstrahowany składnik. Materiał ekstrahowany powinien być dobrze rozdrobniony, aby powierzchnia zetknięcia się obu faz (stałej i ciekłej) była możliwie największa.

b) Mieszaninę ciekłą ekstrahuje się rozpuszczalnikiem nie mieszającym się z cieczą ekstrahowaną i różniącym się od niej gęstością. W celu zwiększenia powierzchni zetknięcia się obu faz ciekłych (ekstrahenta i cieczy ekstrahowanej) wytrząsa się je energicznie w rozdzielaczu i odstawia aż do rozdzielenia warstw, które następnie oddziela się w rozdzielaczu.

Podczas ekstrakcji składnik ekstrahowany rozdziela się między obie fazy ciekłe zgodnie z prawem Nernsta, według którego stosunek stężeń w obu fazach ciekłych jest równy współczynnikowi podziału "k", którego wartość w danej temperaturze jest stała i wynosi:

W przybliżeniu odpowiada ona stosunkowi rozpuszczalności składnika w obu fazach ciekłych. W celu lepszego wyekstrahowania składnika ekstrakcję powtarza się kilkakrotnie, biorąc za każdym razem świeżą porcję ekstrahenta.

Uzyskany ekstrakt, czyli wyciąg, osusza się środkiem nie reagującym z wyekstrahowaną substancją, np. bezwodnym siarczanem sodu lub magnezu, bezwodnym chlorkiem wapnia albo wodorotlenkiem sodu, odsącza się środek suszący i odparowuje z ekstraktu rozpuszczalnik. Tak pozyskaną substancję można dalej oczyszczać przez krystalizację lub destylację.

Jako ekstrahenty do ekstrahowania z roztworów wodnych stosuje się najczęściej eter, benzen, benzynę, chloroform i tetrachlorek węgla. Do wielokrotnej, samoczynnej ekstrakcji substancji stałych stosuje się aparat Soxhleta, a do ekstrahowania mieszanin ciekłych różnego rodzaju ekstraktory i perforatory.

CHROMATOGRAFIA

Rozdział mieszaniny metodą chromatograficzną opiera się na zjawisku selektywnej adsorpcji rozdzielanych substancji. Wykorzystuje się tutaj różny stopień powinowactwa adsorpcyjnego składników mieszaniny do adsorbenta. Rozróżnia się:

a) chromatografię cieczową LC (liquid chromatography),

b) chromatografia gazową GC (gas chromatography).

W ramach programu ćwiczeń z chemii organicznej zajmiemy się tylko chromatografią cieczową. Rozróżnia się następujące podstawowe rodzaje chromatografii cieczowej:

a) chromatografia kolumnowa,

b) chromatografia bibułowa,

c) chromatografia cienkowarstwowa.

Chromatografia kolumnowa stosowana jest zarówno do celów analitycznych jak też preparatywnych. Pozostałe dwie metody stosowane są głównie do celów analitycznych i będą omówione w rozdziale o fizykochemicznych metodach identyfikacji i badania związków organicznych.

Metoda chromatografii kolumnowej polega na tym, że roztwór rozdzielanej mieszaniny w rozpuszczalniku organicznym (np. eter, benzen itp.) sączy się przez prostopadle ustawioną rurkę, wypełnioną adsorbentem, którą dalej nazywać będziemy kolumną chromatograficzną. Poszczególne składniki mieszaniny adsorbują się w kolumnie chromatograficznej z różną szybkością, a zatem jedne w wyższych, a inne w niższych częściach kolumny. Jako adsorbenty stosuje się tlenek glinu, węglan wapnia, siarczan wapnia, silikażel (żel krzemionkowy), sproszkowaną celulozę, sproszkowaną sacharozę, poliamidy i wiele innych materiałów. Po przesączeniu całej ilości roztworu mieszaniny kolumnę przemywa się czystym rozpuszczalnikiem, co powoduje dokładniejsze rozdzielenie się stref zaadsorbowania poszczególnych składników mieszaniny. Jeżeli rozdzielane składniki mieszaniny są barwne to strefy ich zaadsorbowania w kolumnie są widoczne pod postacią barwnych krążków.

W przypadku rozdzielania mieszaniny substancji bezbarwnych trzeba strefy ich zaadsorbowania uwidocznić przy pomocy stosownej reakcji barwnej albo w świetle lampy kwarcowej. Poszczególne strefy kolumny rozdziela się, po wypchnięciu słupka adsorbenta z kolumny, przez rozcięcie go w odpowiednich miejscach i wyekstrahowanie z nich rozdzielonych składników za pomocą odpowiednich rozpuszczalników.

Zaadsorbowane w kolumnie chromatograficznej składniki można także wyekstrahować bez rozcinania słupka adsorbenta, przepuszczając przez kolumnę rozpuszczalniki, z których każdy rozpuszcza tylko jeden z zaadsorbowanych składników albo taki rozpuszczalnik (lub mieszaninę rozpuszczalników), który najpierw wyekstrahuje składnik najsłabiej zaadsorbowany, a następnie kolejno składniki coraz silniej zaadsorbowane. W ten sposób z kolumny chromatograficznej uzyskuje się szereg frakcji, zawierających rozdzielone składniki.

Mieszaniny substancji ciekłych można rozdzielić na poszczególne składniki przy pomocy preparatywnej chromatografii gazowej, wymagającej jednak zastosowania bardziej skomplikowanej aparatury.

a) roztwór mieszaniny b) rozpuszczalnik

Literatura

1.Podstawy chemii - Irena Barycka, Krzysztof Skudlarski (Oficyna Wydawnicza Politechniki Wrocławskiej)

2. Podstawy chemii elementarnej - Przemysław Mastalerz

3.Chemia ogólna i nieorganiczna - Adam Bielański (PWN Warszawa)

4.Ćwiczenia laboratoryjne z chemii ogólnej i analitycznej -Teresa Znamierowska, Władysława Szuszkiewicz, Tadeusz Beran (Wydawnictwo Akademii Ekonomicznej we Wrocławiu)

5. Zadania z chemii ogólnej i analitycznej - pod redakcją Teresy Znamierowskiej (Wydawnictwo Akademii Ekonomicznej we Wrocławiu)

6. Ćwiczenia laboratoryjne z chemii organicznej - Hanna Ban-Oganowska, Hanna Ciurla et al. (Wydawnictwo Akademii Ekonomicznej we Wrocławiu)

15

---