20. Metody fizykochemiczne, które mogą być pomocne w identyfikacji i oczyszczaniu substancji.

-destylacja- jest procesem, dzięki któremu możliwe jest rozdzielenie mieszaniny kilku substancji różniących się prężnościami par (a więc także temperaturami wrzenia).

Destylacja jest jedną z metod oczyszczania substancji. Stosuje się ją w celu oddzielenia

substancji lotnych od mniej lotnych zanieczyszczeń lub do rozdzielenia mieszaniny kilku

cieczy różniących się temperaturami wrzenia.

Proces destylacji polega na przeprowadzeniu cieczy w stan pary, a następnie skropleniu

w celu ponownego przeprowadzenia w ciecz. Substancję oczyszczoną ogrzewa się w kolbie

destylacyjnej. Temperatura cieczy rośnie i jednocześnie wzrasta ciśnienie par nad cieczą, aż

do osiągnięcia stanu wrzenia, tj. do momentu, gdy prężność par osiągnie wartość równą

ciśnieniu nad ogrzewaną cieczą. Wtedy temperatura przyjmuje stałą wartość i nie zmienia się,

mimo intensywnego ogrzewania, dopóki nie przedestyluje składnik wrzący w tej

temperaturze. Całe dostarczone ciepło zostanie więc zużyte na przemianę cieczy w parę. Para

przechodzi dalej do chłodnicy, gdzie zostaje oziębiona i skrapla się, spływając do

odbieralnika.

Można wyróżnić cztery zasadnicze rodzaje destylacji:

a. destylacja prosta - pod ciśnieniem atmosferycznym;

b. destylacja próżniowa - pod obniżonym ciśnieniem;

c. destylacja z parą wodną;

d. destylacja frakcyjna z kolumną destylacyjną

Cząsteczki cieczy i cząsteczki gazu znajdują się w ustawicznym ruchu i zderzając się

ze sobą wymieniają wzajemnie energię. Na powierzchni cieczy pewne cząsteczki, posiadające

dużą energię mogą przejść do wolnej przestrzeni, tworząc fazę gazową danej substancji.

Proces ten, zwiększający się ze wzrostem temperatury nazywamy parowaniem.

Gdy prężność par zrówna się z ciśnieniem zewnętrznym, wywieranym na

powierzchnię cieczy, wówczas ciecz paruje nie tylko na powierzchni, ale i w całej objętości, o

czym świadczą powstające wewnątrz pęcherze - następuje zatem wrzenie cieczy.

Temperaturę, w której zachodzi ten proces nazywamy temperaturą wrzenia.

-krystalizacja- Jedną z technik pozwalającą uzyskać czysty główny produkt reakcji jest krystalizacja z odpowiedniego rozpuszczalnika lub mieszaniny rozpuszczalników. oczyszczenie substancji poprzez krystalizacje polega na wykorzystaniu różnicy rozpuszczalności substancji rozpuszczanej jak i zanieczyszczeń w odpowiednim rozpuszczalniku. Rozróżniamy dwa podstawowe rodzaje krystalizacji: prosta, stosowana gdy obecna jest niewielka ilość zanieczyszczeń i frakcjonowana gdy zanieczyszczeń jest więcej.

-chromatografia- jest metodą rozdzielania mieszanin, w której rozdzielane składniki ulegają podziałowi pomiędzy dwie fazy, z których jedna jest fazą nieruchomą (stacjonarną), a druga fazą ruchomą (mobilną) układu chromatograficznego.

Faza stacjonarna: substancja umieszczona w kolumnie chromatograficznej (chromatografia kolumnowa) lub na płaszczyźnie (chromatografia cienkowarstwowa), oddziaływanie z którą

umożliwia rozdzielanie składników mieszanin.

Faza ruchoma: substancja przechodząca w sposób ciągły przez fazę stacjonarną, oddziałująca z nią oraz ze składnikami rozdzielanej mieszaniny.

Podział ze względu na stan skupienia fazy ruchomej:

-Chromatografia gazowa

-Chromatografia cieczowa

-Chromatografia fluidalna

-ekstrakcja- Ekstrakcja jest metodą rozdzielczą wykorzystującą zjawisko podziału substancji między dwie nie mieszające się fazy, lub inaczej mówiąc, - „przechodzenia” substancji ekstrahowanej z jednej fazy do drugiej.

Stan równowagi ekstrakcji określa prawo podziału Nernsta:

Substancja rozpuszczona w jednej cieczy graniczącej z nie mieszającą się z nią drugą cieczą dzieli się między te dwie ciecze tak, że stosunek stężeń molowych w obu fazach ciekłych jest w stanie równowagi i w stałej temperaturze wielkością stałą, niezależną od objętości obu faz i od ilości rozpuszczonej substancji.

C₀/C_w =P ( P - stała podziału ) ( 1 )

gdzie Co - stężenie molowe w fazie organicznej a Cw - stężenie molowe w fazie wodnej.

Podane prawo jest słuszne tylko wtedy, gdy substancja ekstrahowana nie ulega dysocjacji

lub asocjacji (łączenia się ze sobą dwu lub więcej cząsteczek). W niektórych, szczególnie nie

polarnych rozpuszczalnikach substancja rozpuszczona ulega asocjacji, skutkiem czego jej masa

cząsteczkowa jest różna w obydwu fazach.

Jeżeli substancja rozpuszczona ulega asocjacji w fazie organicznej, to równanie ( 1 )

przyjmie postać:

C₀ⁿ/ C_w= P (2)

lub po zlogarytmowaniu obu stron:

n log Co - log Cw = log P (3)

gdzie n jest liczbą cząsteczek tworzących asocjat. Przekształcając równanie ( 3 ), otrzymamy:

log Cw = n log Co - log P

- Absorpcja - dyfuzyjne przenoszenie cząsteczek substancji z jednej fazy (gazowej) przez granicę faz w objętość drugiej fazy (cieczy lub ciała stałego) wywołane różnicą stężenia w obu fazach - pochłanianie zanieczyszczeń gazowych przez ciecz (absorbent).

- Adsorpcja- (samorzutne gromadzenie się cząsteczek adsorbowanej substancji na granicy faz gaz/ciecz - ciało stałe (adsorbent), zachodzące w wyniku oddziaływania sił międzycząsteczkowych Van der Waalsa)

-Sublimacja- Polega na ogrzewaniu substancji stałej i przeprowadzenie jej w stan gazowy a następnie przez oziębienie par ponownie w stan stały z pominięciem stanu ciekłego. Metodę tą stosuje się do oczyszczania oraz do wydobywania z mieszaniny substancji która przechodząc w gaz nie topi się np.: jod, naftalen, bezwodnik ftalowy.

Temperatura sublimacji musi być niższa od temperatury topnienia oraz od temperatury rozkładu danej substancji.

Stosując sublimacje do oczyszczania można osiągnąć duży stopień czystości. Poprzez sublimacje można też oddzielać od takich zanieczyszczeń od których jest trudno je rozdzielić np. przez krystalizacje.

Ze względu na to że niewiele substancji sublimuje metodę tą stosuje się rzadko.

- spektroskopia- Aby potwierdzić strukturę danej substancji jednoskładnikowej należy podać stosowne dane spektralne. Jest kilka odpowiednich metod spektroskopowych, w szczególności spektroskopia absorpcyjna w ultrafiolecie i zakresie widzialnym (UV/VIS), spektroskopia w podczerwieni (IR), magnetyczny rezonans jądrowy (NMR) i spektroskopia masowa (MS). W przypadku substancji nieorganicznych bardziej odpowiednia może być analiza rentgenowska dyfrakcyjna (XRD), analiza rentgenowska fluorescencyjna (XRF) albo spektroskopia absorpcji atomowej (AAS).

---