Τεχνικές εξάχνωσης

[G.Patton]

Εισαγωγή

Ορισμένες ενώσεις είναι ικανές για εξάχνωση, η οποία είναι η άμεση αλλαγή φάσης από στερεό σε αέριο. Το στερεό διοξείδιο του άνθρακα είναι ένα παράδειγμα ουσίας που υπολίσσεται εύκολα σε ατμοσφαιρική πίεση, καθώς ένα κομμάτι ξηρού πάγου δεν θα λιώσει, αλλά θα φαίνεται να "εξαφανίζεται" καθώς μετατρέπεται απευθείας σε αέριο διοξείδιο του άνθρακα. Η εξάχνωση είναι μια ανάλογη διαδικασία με τον βρασμό, καθώς συμβαίνει όταν η πίεση ατμών μιας ένωσης ισούται με την εφαρμοζόμενη πίεση (συχνά την ατμοσφαιρική πίεση). Η διαφορά είναι ότι η εξάχνωση περιλαμβάνει την πίεση ατμών ενός στερεού αντί για την πίεση ατμών ενός υγρού. Τα περισσότερα στερεά δεν έχουν αξιοσημείωτη πίεση ατμών σε εύκολα προσβάσιμες θερμοκρασίες, και για το λόγο αυτό, η ικανότητα εξάχνωσης είναι ασυνήθιστη. Οι ενώσεις που είναι ικανές για εξάχνωση τείνουν να είναι εκείνες με ασθενείς διαμοριακές δυνάμεις στη στερεά κατάσταση. Σε αυτές περιλαμβάνονται ενώσεις με συμμετρικές ή σφαιρικές δομές. Παραδείγματα ενώσεων που μπορούν να υποστούν εξάχνωση παρουσιάζονται παρακάτω:

Η μέθοδος αυτή χρησιμοποιείται για τον καθαρισμό ουσιών. Τα πλεονεκτήματα αυτών των διαδικασιών περιλαμβάνουν: ένας σχετικά υψηλός συντελεστής διαχωρισμού ισορροπίας- η δυνατότητα, στην περίπτωση χρήσης μειγμάτων αερίων, να αποκλειστεί η εξάτμιση των διαλυτών (σε αντίθεση με την απορρόφηση και τη διόρθωση)- χαμηλότερη θερμοκρασία λειτουργίας από ό,τι κατά την απόσταξη- ευκολία ελέγχου της διαδικασίας επίστρωσης- η δυνατότητα να λαμβάνονται άμεσα προϊόντα-στόχοι σε εμπορική μορφή (διασκορπισμένα σωματίδια, μονοκρύσταλλοι, στερεά υμένια), υλικά υψηλής καθαρότητας, συνθέσεις συστατικών που δεν έχουν υποστεί σύντηξη (whiskers από μη μέταλλα σε μεταλλική μήτρα), λεπτές και υπέρλεπτες σκόνες μετάλλων, τα οξείδιά τους.

Ενώσεις που μπορούν να υποβιβαστούν σε κενό αέρος

Καθώς σχετικά λίγα στερεά είναι ικανά για εξάχνωση, η διαδικασία μπορεί να αποτελέσει εξαιρετική μέθοδο καθαρισμού όταν ένα πτητικό στερεό είναι μολυσμένο με μη πτητικές ακαθαρσίες. Το ακάθαρτο στερεό θερμαίνεται στον πυθμένα ενός δοχείου κοντά σε μια ψυχρή επιφάνεια, που ονομάζεται "ψυχρός δάκτυλος" (Σχ. 1). Καθώς το πτητικό στερεό υποβυθίζεται, εναποτίθεται στην επιφάνεια του ψυχρού δακτύλου (όπου μπορεί αργότερα να ανακτηθεί) και διαχωρίζεται έτσι από τη μη πτητική ουσία που παραμένει στο δοχείο. Η διαδικασία, ωστόσο, δεν είναι ιδιαίτερα αποτελεσματική στο διαχωρισμό των πτητικών στερεών μεταξύ τους.

Spoiler: Σχ.1

Από τα στερεά με αξιοσημείωτες πιέσεις ατμών σε θερμοκρασία δωματίου, πολλά εξακολουθούν να απαιτούν αρκετά υψηλές θερμοκρασίες για να υποβιβαστούν ενεργά (όταν η πίεση των ατμών τους ισούται με την ατμοσφαιρική πίεση των σχεδόν 760 mm Hg). Εάν αυτά τα στερεά θερμανθούν στα σημεία εξάχνωσής τους υπό ατμοσφαιρική πίεση, ορισμένα θα απανθρακωθούν και θα αποσυντεθούν κατά τη διάρκεια της διαδικασίας. Για το λόγο αυτό, είναι πολύ συνηθισμένο να πραγματοποιείται εξάχνωση υπό μειωμένη πίεση (εξάχνωση υπό κενό). Αντίστοιχα με την απόσταξη υπό κενό κατά την οποία το υγρό βράζει όταν η πίεση των ατμών του ισούται με τη μειωμένη πίεση στη συσκευή, στην εξάχνωση υπό κενό το στερεό εξάχνεται όταν η πίεση των ατμών του ισούται με τη μειωμένη πίεση στη συσκευή. Στην απόσταξη υπό κενό, η μείωση της πίεσης επιτρέπει στα υγρά να βράζουν σε χαμηλότερη θερμοκρασία. Παρομοίως, η μείωση της πίεσης στην εξάχνωση υπό κενό επιτρέπει στα στερεά να υπολείπονται σε χαμηλότερη θερμοκρασία, η οποία αποφεύγει την αποσύνθεση.

Διαδικασίες εξάχνωσης βήμα προς βήμα

Υπό ατμοσφαιρική πίεση

Η εξάχνωση που παρουσιάζεται σε αυτή την ενότητα δείχνει τον καθαρισμό 0,29 g σιδηροκενίου, το οποίο αναπτύχθηκε σε μακριές βελόνες στον πυθμένα και στην κορυφή των τρυβλίων Petri (90% ανάκτηση).

Spoiler:

Σχ. 2

α) Φεροκένιο πριν από την εξάχνωση, β) δείγμα με το πάνω μέρος του τρυβλίου Petri στη θέση του και πάνω σε συρματόπλεγμα σε θερμή πλάκα, γ) τρυβλία Petri με ψυχρό ποτήρι ζέσεως

1. Απλώστε το ακατέργαστο, ξηρό στερεό προς εξάχνωση σε ένα λεπτό στρώμα σε ένα "κάτω" τρυβλίο Petri (Σχ. 2 α). Εάν είναι χοντροκομμένο, συνθλίψτε το πρώτα με γουδί και γουδοχέρι. Προσδιορίστε την κενή μάζα του επάνω τρυβλίου Petri. Είναι σημαντικό το προς καθαρισμό στερεό να είναι ξηρό: εάν το δείγμα είναι υγρό με διαλύτη, μπορεί να σχηματιστεί συμπύκνωση στο επάνω τρυβλίο Petri κατά την εξάχνωση. Στα αρχικά στάδια της εξάχνωσης, μικρές ποσότητες συμπύκνωσης μπορούν να σκουπιστούν από το πάνω τρυβλίο Petri με μια χαρτοπετσέτα. Ωστόσο, η υπερβολική συμπύκνωση μπορεί να ξεπλύνει τους κρυστάλλους από το πάνω πιάτο.

2 . Καλύψτε το κάτω τρυβλίο Petri με το επάνω τρυβλίο και τοποθετήστε το πάνω σε ένα συρμάτινο πλέγμα σε μια θερμαινόμενη πλάκα στον απορροφητήρα (Εικ. 2 β) που έχει ρυθμιστεί στην κατάλληλη θερμοκρασία (ανάλογα με το σημείο εξάχνωσης της ένωσης που σας ενδιαφέρει, ίσως μέτρια χαμηλή). Το συρμάτινο πλέγμα βοηθά στην ομοιόμορφη διάχυση της θερμότητας στο πιάτο και ελαχιστοποιεί την απανθράκωση.

3 . Τοποθετήστε ένα μεγάλο ποτήρι ζέσεως 600 ml γεμάτο με παγωμένο νερό πάνω στο τρυβλίο Petri (Εικ. 2 γ).

Spoiler: Εικ. 3. Χρονική εξάχνωση του σιδηροκενίου από το κάτω τρυβλίο Petri στο πάνω τρυβλίο Petri

4. Με την πάροδο του χρόνου, το δείγμα θα υπολείπεται και θα συγκεντρώνεται στο άνω τρυβλίο Petri (Σχ. 3). Παρακολουθήστε την εξάχνωση, καθώς οι ενώσεις ενδέχεται να απανθρακωθούν κατά τη διάρκεια της διαδικασίας (αν αρχίσει να μαυρίζει, μειώστε τη θερμότητα). Συνεχίστε την εξάχνωση έως ότου φαίνεται ότι στο κάτω τρυβλίο Petri παραμένει ελάχιστο (ή καθόλου) στερεό. Είναι πολύ συνηθισμένο να αναπτύσσονται κρύσταλλοι και κατά μήκος των πλευρών του κάτω μέρους του τρυβλίου.

5. Απομακρύνετε τα τρυβλία Petri από τη θερμαντική πλάκα προσεκτικά χρησιμοποιώντας βαμβακερά γάντια (Εικ. 4 α) ή ένα προστατευτικό σιλικόνης για ζεστά χέρια. Το σπρώξιμο των τρυβλίων θα προκαλέσει την πτώση υπολειμματικών κρυστάλλων από το επάνω τρυβλίο Petri.

Σημείωση ασφαλείας: Αφήστε τα δύο τρυβλία να κρυώσουν άθικτα πάνω σε ένα κεραμικό πλακίδιο στον απορροφητήρα (Εικ. 4 β). Μην αφαιρέσετε αμέσως το πάνω τρυβλίο Petri, γιατί μπορεί να διαφύγουν επιβλαβείς αναθυμιάσεις.

6. Οι κρύσταλλοι στο επάνω τρυβλίο Petri είναι καθαρισμένοι και πρέπει να διατηρηθούν (και να προσδιοριστεί η μάζα τους). Μερικές φορές το υλικό στο κάτω τρυβλίο μπορεί επίσης να διασωθεί, εάν εμφανίζεται κρυσταλλικό (που σημαίνει ότι έχει υποστεί διαδικασία εξάχνωσης) και δεν φαίνεται να έχει μολυνθεί από άνθρακα (Εικ. 4 γ).

Spoiler:

α) Αφαίρεση της συσκευής εξάχνωσης από τη θερμαντική πλάκα, β) Ψύξη σε κεραμικό πλακίδιο, γ) Διαχωρισμένα τρυβλία Petri: κάτω τρυβλίο (αριστερά), πάνω τρυβλίο (δεξιά)

Υπό μειωμένη πίεση (εξάχνωση υπό κενό)

Η εξάχνωση σε αυτό το τμήμα δείχνει τον καθαρισμό της καμφοράς σε δύο κλίμακες 2,28 g (μεγάλη κλίμακα, 77% ανάκτηση) και περίπου 0,2 g (μικρή κλίμακα).

Spoiler: Εικ. 5

α) Καμφορά αλεσμένη σε γουδί, β) Προσθήκη καμφοράς σε υπολιμωτή μικρής κλίμακας, γ) Υπολιμωτής μεγάλης κλίμακας με καμφορά στον πυθμένα, δ) Λίπανση του αρμού του αλεσμένου γυαλιού

1. Εάν το στερεό προς εξάχνωση είναι ογκώδες, θρυμματίστε πρώτα με γουδί και γουδοχέρι (Εικ. 5 α). Στη συνέχεια, τοποθετήστε το ακατέργαστο, ξηρό στερεό στον πυθμένα της συσκευής εξάχνωσης (Σχ.5 β). Είναι σημαντικό το στερεό να είναι στεγνό: εάν το δείγμα είναι υγρό με διαλύτη, μπορεί να σχηματιστεί συμπύκνωση στο κρύο δάκτυλο κατά την εξάχνωση. Η υπερβολικήσυμπύκνωση μπορεί να ξεπλύνει τους κρυστάλλους από το ψυχρό δάκτυλο.

2. Στερεώστε τη συσκευή σε βάση δακτυλίου ή σε πλέγμα (Εικ. 5 γ και δ). Για μικρές κλίμακες, στηρίξτε τη συσκευή με μια πλατφόρμα (Εικ.5 δ). Μια συσκευή εξάχνωσης μεγάλης κλίμακας φαίνεται στην Εικ.5 γ.

3. Λιπάνετε ελαφρά τον σύνδεσμο που συνδέει τα δύο κομμάτια του γυάλινου σκεύους εξάχνωσης. Το γράσο μπορεί να εφαρμοστεί εύκολα με μια σύριγγα γεμάτη γράσο. Εάν χρησιμοποιείτε τριμμένο γυαλί, λιπάνετε ελαφρά τον σύνδεσμο κοντά στο άκρο που δεν θα έρθει σε επαφή με το δείγμα (Εικ. 5 δ).

Spoiler: Εικ.6

α) Συσκευή εξάχνωσης μικρής κλίμακας λιπαρισμένη κατάλληλα, β) Συσκευή εξάχνωσης μεγάλης κλίμακας με το κρύο δάχτυλο γεμάτο με παγωμένο νερό, γ) Θέρμανση της συσκευής με θερμικό πιστόλι, δ) Στερεές επικαθίσεις στο εξωτερικό του γυάλινου σκεύους.

4. Τοποθετήστε το επάνω κομμάτι της συσκευής εξάχνωσης (ψυχρό δάχτυλο) και στρέψτε τα δύο κομμάτια υαλικών μεταξύ τους για να απλωθεί το γράσο στην ένωση. Όταν χρησιμοποιείτε τριμμένο γυαλί, το γράσο θα πρέπει να κάνει το κάτω μισό του αρμού να γίνει διαφανές σε όλο το μήκος του (Εικ. 6 α). Εάν ολόκληρος ο σύνδεσμος γίνει διαφανής, έχει χρησιμοποιηθεί πολύ γράσο και πρέπει να σκουπιστεί λίγο.

5. Χρησιμοποιήστε λαστιχένιο σωλήνα με χοντρό τοίχωμα (διαφανής σωλήνας στην Εικ. 6 α) για να συνδέσετε τη συσκευή με πηγή κενού (γραμμή κενού ή αναρροφητήρα νερού). Εφαρμόστε το κενό. Η εγκατάσταση δεν πρέπει να σφυρίζει ή να υπάρχει διαρροή στο σύστημα.

6. Προετοιμάστε το κρύο δάκτυλο.

α) Εάν το ψυχρό δάκτυλο διαθέτει συμπυκνωτή, συνδέστε σωλήνες νερού έτσι ώστε ο κάτω βραχίονας να συνδέεται με την κάνουλα νερού και ο πάνω βραχίονας να αποστραγγίζεται στον νεροχύτη (μαυρισμένοι σωλήνες στην Εικ. 6 α). Αρχίστε να κυκλοφορείτε νερό μέσω του συμπυκνωτή.

β) Εάν το ψυχρό δάκτυλο είναι ένας άδειος σωλήνας, γεμίστε το ψυχρό δάκτυλο μέχρι το χείλος με πάγο και, στη συνέχεια, ρίξτε αρκετό νερό για να γεμίσει το δάκτυλο περίπου στα τρία τέταρτα (Εικ.6 β). Σε ορισμένες περιπτώσεις, το ψυχρό δάκτυλο θα μπορούσε να γεμίσει με ξηρό πάγο και ακετόνη.

γ) Είναι σωστή τεχνική η εφαρμογή κενού πριν από την ψύξη του δακτύλου για να αποφευχθεί η δημιουργία συμπύκνωσης νερού, η οποία θα μπορούσε να ξεπλύνει τους κρυστάλλους από το κρύο δάκτυλο.

7. Θερμάνετε το στερεό με θερμικό πιστόλι (Εικ. 6 γ) ή με καυστήρα Bunsen, ξεκινώντας αργά με κίνηση μπρος-πίσω και χαμηλή θερμότητα. Δεν συνιστάται η χρήση λουτρού άμμου ή μανδύα θέρμανσης για εξάχνωση, καθώς η θέρμανση είναι συχνά πολύ αργή και μπορεί να κατευθύνει θερμότητα μόνο στον πυθμένα της συσκευής, όχι στις πλευρές. Αυξήστε το ρυθμό θέρμανσης εάν η εξάχνωση δεν αρχίσει μέσα σε λίγα λεπτά.

8. Σε σύντομο χρονικό διάστημα, θα πρέπει να αρχίσει να εναποτίθεται στερεό στο κρύο δάχτυλο. Αναμφίβολα θα εναποτεθεί και στις εξωτερικές πλευρές των γυάλινων σκευών (Εικ. 6 δ). Τοστερεό μπορεί να απομακρυνθεί από την εξωτερική πλευρά του γυάλινου σκεύους και να κατευθυνθεί προς το ψυχρό δάκτυλο, κουνώντας περιοδικά το θερμικό πιστόλι ή τον καυστήρα στις πλευρές του γυαλιού.

Spoiler: Σχ. 7: Χρονική εξάχνωση καμφοράς (μικρή κλίμακα)

9. Συνεχίστε την εξάχνωση μέχρι να μεταφερθεί όλη η πτητική ουσία από το κάτω μέρος του γυάλινου σκεύους στο κρύο δάχτυλο (Εικ. 7). Εάν η ένωση αρχίσει να σκουραίνει, μειώστε το ρυθμό θέρμανσης για να αποτρέψετε την αποσύνθεση.

10. Αφαιρέστε το ψυκτικό μέσο από το ψυχρό δάκτυλο.

α) Εάν χρησιμοποιήθηκε συμπυκνωτής, απενεργοποιήστε το νερό που κυκλοφορεί και αφαιρέστε τους σωλήνες νερού από τη συσκευή (προσεκτικά, χωρίς να δημιουργηθεί μεγάλη ακαταστασία).

β) Εάν χρησιμοποιήθηκε ψυκτικό μέσο με παγωμένο νερό, αφαιρέστε τον πάγο, εάν είναι δυνατόν, και αφαιρέστε το νερό με πιπέτα (ή για μεγάλες κλίμακες με ένα βυτίο γαλοπούλας, Εικ. 7 α).

11. Αφήστε το σύστημα να έρθει σε θερμοκρασία δωματίου.

12. Επαναφέρετε προσεκτικά την πίεση του αέρα στη συσκευή (Εικ. 7 β), σημειώνοντας ότι ένα απότομο άνοιγμα του συστήματος θα προκαλέσει τη βίαιη είσοδο αέρα στη συσκευή και πιθανότατα θα προκαλέσει την αποκόλληση κρυστάλλων από το ψυχρό δάκτυλο.

13. Αφαιρέστε προσεκτικά το άδειο ψυχρό δάκτυλο από τη συσκευή και ξύστε τους υπολειμματικούς κρυστάλλους σε ένα γυαλί ρολογιού (Εικ. 7 γ). Εναλλακτικά, ξεπλύνετε τους κρυστάλλους από το ψυχρό δάκτυλο με διαλύτη μέσω χωνιού και σε φιάλη στρογγυλού πυθμένα (Εικ. 7 δ), για να αφαιρέσετε αργότερα τον διαλύτη με περιστροφικό εξατμιστή.

Spoiler: Εικ.8

α) Αφαίρεση του παγωμένου νερού από το κρύο δάκτυλο με τη χρήση γαλοπούλας, β) Απελευθέρωση της πίεσης μετά την εξάχνωση, γ) Απόξεση των κρυστάλλων από το κρύο δάκτυλο, δ) Ξέπλυμα του κρύου δακτύλου σε φιάλη στρογγυλού πυθμένα για μεταγενέστερη εξάτμιση.