Kristallisatie.
In de chemie is herkristallisatie een techniek die gebruikt wordt om chemicaliën te zuiveren. Door zowel onzuiverheden als een verbinding op te lossen in een geschikt oplosmiddel, kan ofwel de gewenste verbinding of de onzuiverheden uit de oplossing worden verwijderd, terwijl de andere achterblijft. Het wordt genoemd naar de kristallen die vaak gevormd worden wanneer de verbinding neerslaat. Als alternatief kan herkristallisatie verwijzen naar de natuurlijke groei van grotere ijskristallen ten koste van kleinere.
De zuiveringsmethode is gebaseerd op het principe dat de oplosbaarheid van de meeste vaste stoffen toeneemt met de temperatuur. Dit betekent dat als de temperatuur stijgt, de hoeveelheid opgeloste stof die kan worden opgelost in een oplosmiddel toeneemt.
Een onzuivere verbinding wordt opgelost (de onzuiverheden moeten ook oplosbaar zijn in het oplosmiddel) om een sterk geconcentreerde oplossing te bereiden bij een hoge temperatuur. De oplossing wordt afgekoeld. Het verlagen van de temperatuur zorgt ervoor dat de oplosbaarheid van de onzuiverheden in de oplossing en de te zuiveren stof afneemt. De onzuivere stof kristalliseert dan vóór de onzuiverheden, ervan uitgaande dat er meer onzuivere stof was dan onzuiverheden. De onzuivere stof zal in een zuiverdere vorm kristalliseren omdat de onzuiverheden nog niet kristalliseren, waardoor de onzuiverheden achterblijven in de oplossing. Op dit punt moet een filtratieproces worden gebruikt om de meer zuivere kristallen te scheiden. De procedure kan herhaald worden. Oplosbaarheidscurven kunnen gebruikt worden om de uitkomst van een herkristallisatieprocedure te voorspellen.
Herkristallisatie werkt het beste wanneer.
De zuiveringsmethode is gebaseerd op het principe dat de oplosbaarheid van de meeste vaste stoffen toeneemt met de temperatuur. Dit betekent dat als de temperatuur stijgt, de hoeveelheid opgeloste stof die kan worden opgelost in een oplosmiddel toeneemt.
Een onzuivere verbinding wordt opgelost (de onzuiverheden moeten ook oplosbaar zijn in het oplosmiddel) om een sterk geconcentreerde oplossing te bereiden bij een hoge temperatuur. De oplossing wordt afgekoeld. Het verlagen van de temperatuur zorgt ervoor dat de oplosbaarheid van de onzuiverheden in de oplossing en de te zuiveren stof afneemt. De onzuivere stof kristalliseert dan vóór de onzuiverheden, ervan uitgaande dat er meer onzuivere stof was dan onzuiverheden. De onzuivere stof zal in een zuiverdere vorm kristalliseren omdat de onzuiverheden nog niet kristalliseren, waardoor de onzuiverheden achterblijven in de oplossing. Op dit punt moet een filtratieproces worden gebruikt om de meer zuivere kristallen te scheiden. De procedure kan herhaald worden. Oplosbaarheidscurven kunnen gebruikt worden om de uitkomst van een herkristallisatieprocedure te voorspellen.
Herkristallisatie werkt het beste wanneer.
- De hoeveelheid onzuiverheden klein is.
- De oplosbaarheidskromme van de gewenste opgeloste stof stijgt snel met de temperatuur.
Single solvent kristallisatie, voorbeeld met uitleg.
De kristallisatie die in deze sectie is afgebeeld, toont de zuivering van een monster van ongeveer 1 g oud NBS - broomosuccinimide (NBS), dat als oranje poeder in het reagensflesje werd gevonden. De kristallisatie maakt gebruik van water als oplosmiddel, dat geen ontvlambaarheidsproblemen heeft, en dus wordt er een kookplaat gebruikt.Als een kristallisatie moet worden uitgevoerd met brandbare organische oplosmiddelen, wordt een stoombad aanbevolen en in sommige situaties is dit noodzakelijk (bij gebruik van diethylether, aceton of petroleumether met een laag kookpunt). De volgende procedure moet worden gebruikt als richtlijn voor het proces, en enkele belangrijke verschillen tussen het gebruik van water en organische oplosmiddelen worden besproken in een toekomstige paragraaf.
Bereid de opstelling voor:
- Breng de onzuivere vaste stof die gekristalliseerd moet worden over in een erlenmeyer van geschikte grootte (Fig.2 a). Als de vaste stof korrelig is, verpulver deze dan eerst met een glazen roerstaaf.
- Het is niet aan te raden om kristallisatie uit te voeren in een bekerglas. De smalle mond van een erlenmeyer maakt het zwenken gemakkelijker en minimaliseert de verdamping tijdens het proces, omdat oplosmiddeldampen in plaats daarvan condenseren op de wanden van de erlenmeyer (ze "refluxen" op de zijkanten van de erlenmeyer). De smalle mond van een erlenmeyer zorgt er ook voor dat de erlenmeyer gemakkelijker afgedekt kan worden tijdens het afkoelen, of zelfs afgesloten kan worden voor lange kristallisaties. Een erlenmeyer met ronde bodem is ook niet ideaal voor kristallisatie, omdat de vorm van de erlenmeyer het moeilijk maakt om een vaste stof terug te krijgen aan het einde van het proces.
- Het is belangrijk dat de erlenmeyer niet te vol of te leeg is tijdens de kristallisatie. Als de erlenmeyer voor meer dan de helft gevuld is met heet oplosmiddel, is het moeilijk om te voorkomen dat de erlenmeyer overkookt. Als de erlenmeyer minder dan 1 cm oplosmiddel bevat, zal de oplossing te snel afkoelen. Het is gebruikelijk om 10-50 keer zoveel oplosmiddel als monster te gebruiken, en een ruwe richtlijn is om een erlenmeyer te gebruiken waarbij het monster net de bodem bedekt in een dunne laag.
- Doe wat oplosmiddel in een bekerglas of erlenmeyer samen met een paar kooksteentjes op de warmtebron en breng het zachtjes aan de kook. Gebruik een bekerglas als het oplosmiddel wordt gegoten en een erlenmeyer als het oplosmiddel wordt gepipetteerd. Als er later in de procedure een hete filtratiestap gepland is, zet dan ook een ringklem klaar met daarin een trechter met filtreerpapier (fig. 2 b).
Voeg de minimale hoeveelheid heet oplosmiddel toe.
- Wanneer het oplosmiddel kookt, pak je het bekerglas vast met een hete handbeschermer (fig. 2 d), katoenen handschoenen of een papieren handdoekhouder gemaakt door een vel papieren handdoek tot een lange rechthoek op te rollen (fig. 2 c). Giet aan de zijkant van de warmtebron een kleine hoeveelheid kokend oplosmiddel in de erlenmeyer met de onzuivere vaste stof, om de bodem van de erlenmeyer te bedekken. Als de kristallisatie op kleine schaal wordt uitgevoerd (met een erlenmeyer van 50 ml of kleiner), kan het gemakkelijker zijn om een pipet te gebruiken om delen van het oplosmiddel in de erlenmeyer over te brengen.
- Het is gebruikelijk om de droge vaste stof niet bovenop de warmtebron te plaatsen voordat je oplosmiddel toevoegt, anders kan de vaste stof ontleden. Als de vaste stof gedispergeerd is in een kleine hoeveelheid oplosmiddel, kan het op de warmtebron geplaatst worden.
- Plaats de kolf met de onzuivere vaste stof en het oplosmiddel op de warmtebron. Gebruik een methode om stoten te voorkomen (kooksteentjes als je van plan bent te "heetfilteren", een kookstaafje) en breng de oplossing zachtjes aan de kook (Fig.3 a).
- Voeg oplosmiddel toe in porties (Fig.3 b), zwenk om om het oplossen te bevorderen, totdat de vaste stof net is opgelost (Fig.3 d). Voeg voor 100 mg-1g verbinding 0,5-2 ml porties per keer toe. Houd er rekening mee dat het even kan duren voordat een vaste stof volledig is opgelost, omdat het oplossen een kinetisch aspect heeft. Elke toevoeging moet volledig aan de kook komen voordat er meer oplosmiddel wordt toegevoegd, en tussen de toevoegingen moet enige tijd zitten. Niet genoeg tijd nemen om op te lossen en daardoor te veel oplosmiddel toevoegen is een van de belangrijkste oorzaken van fouten bij kristallisatie.
Het is niet ongewoon dat er druppels vloeistof te zien zijn tijdens het verhittingsproces (Fig.4). Dit is wanneer het materiaal "uitoliet", of smelt voordat het oplost. Als dit gebeurt, zijn de vloeistofdruppels nu de verbinding die je aan het kristalliseren bent, dus ga door met het toevoegen van oplosmiddel in porties totdat de vloeistofdruppels ook volledig oplossen. - Houd de oplossing goed in de gaten om te beoordelen of de grootte van de vaste deeltjes (of vloeistofdruppeltjes) verandert als er meer oplosmiddel wordt toegevoegd: als dat niet het geval is, kan het een onoplosbare onzuiverheid zijn. Toevoeging van overtollig oplosmiddel in een poging om onoplosbare onzuiverheden op te lossen zal de terugvinding negatief beïnvloeden. Als er onoplosbare vaste onzuiverheden aanwezig zijn, moet de oplossing worden gefiltreerd (voeg op dit punt een hete filtratiestap toe). Gekleurde onzuiverheden kunnen op dit punt ook worden verwijderd met houtskool.
Laat de oplossing langzaam afkoelen.
- Als de vaste stof net is opgelost, haal de erlenmeyer dan van de warmtebron met behulp van een hete handbeschermer, papieren handdoekhouder of handschoen en zet hem opzij om af te koelen. Verwijder het kookstaafje of de roerstaaf als die gebruikt is voor bescherming tegen stoten (kooksteentjes kunnen later uit de vaste stof gehaald worden als die gebruikt is).
- Zet de erlenmeyer op een oppervlak dat de warmte niet goed geleidt, zoals een opgevouwen papieren handdoek, om langzame afkoeling te bevorderen. Bedek de mond van de erlenmeyer met een horlogeglas om de warmte en het oplosmiddel vast te houden (Fig.5 a). Laat de oplossing langzaam op kamertemperatuur komen.
- Als de oplossing afkoelt, moeten zich uiteindelijk vaste kristallen vormen (Fig.5 b). Als de oplossing alleen warm aanvoelt of troebel is en er zich geen kristallen hebben gevormd, gebruik dan een glazen roerstaafje om in het glas te krassen en de kristallisatie op gang te brengen.
- Nadat de kristallisatie is begonnen, zouden de kristallen langzaam moeten groeien naarmate de temperatuur afneemt. Een ideale kristallisatie duurt 5-20 minuten om volledig te kristalliseren, afhankelijk van de schaal. Volledige kristallisatie in minder dan 5 minuten is te snel.
- Als de oplossing op kamertemperatuur is, plaats de erlenmeyer dan gedurende 10-20 minuten in een ijsbad (ijs-waterslurry) om de oplosbaarheid van de verbinding nog meer te verlagen en de kristalvorming te maximaliseren (Fig.5 d). Doe ook een deel oplosmiddel in het ijsbad, om later te gebruiken voor het spoelen tijdens de zuigfiltratie.
- Gebruik zuigfiltratie om de vaste stof uit het mengsel terug te krijgen.
Gemengde oplosmiddel-kristallisatie, voorbeeld met uitleg.
De kristallisatie afgebeeld in dit gedeelte toont de zuivering van een monster van ongeveer 1 g trans kaneelzuur. Trans kaneelzuur is oplosbaar in methanol en onoplosbaar in water, en deze kristallisatie gebruikt een gemengd oplosmiddel van methanol en water om een recovery van 74% te krijgen.
Aangenomen wordt dat de experimentator die deze techniek uitvoert eerder een kristallisatie met één oplosmiddel heeft uitgevoerd of erover heeft gelezen.
- Bepaal twee mengbaar oplosmiddelen die gebruikt kunnen worden voor de kristallisatie (Fig.7 a): de gewenste verbinding moet oplosbaar zijn in het ene oplosmiddel (het "oplosbare oplosmiddel" genoemd) en onoplosbaar in het andere oplosmiddel (het "onoplosbare oplosmiddel" genoemd).
- Breng de onzuivere vaste stof die gekristalliseerd moet worden over in een erlenmeyer van geschikte grootte (fig. 7 b).
- Doe wat "oplosbaar oplosmiddel" in de erlenmeyer (fig.7 c), voeg een kookstaafje toe (of kooksteentjes indien gewenst) en verwarm op een stoombad (fig.7 d). Een kookplaat kan voorzichtig worden gebruikt als de gemengde oplosmiddelen methanol/water of ethanol/water worden gebruikt.
- Voeg in porties meer van het "oplosbare oplosmiddel" toe totdat de vaste stof net is opgelost (Fig.8 a). Zorg ervoor dat er tijd zit tussen de toevoegingen en laat elke toevoeging volledig aan de kook komen voordat je meer toevoegt.
- Voeg het "onoplosbare oplosmiddel" in porties toe en verwarm totdat de oplossing net troebel wordt (fig. 8 c).
- Voeg druppelsgewijs en onder verwarming het "oplosbare oplosmiddel" toe totdat de oplossing weer helder wordt (fig. 8 d).
- Neem de erlenmeyer van de warmtebron, verwijder het kookstaafje en plaats de erlenmeyer op een papieren handdoek die meerdere keren is gevouwen. Bedek de mond van de erlenmeyer met een horlogeglas en laat de oplossing langzaam afkoelen tot kamertemperatuur (Fig.9 a).
- Terwijl de oplossing afkoelt, moeten zich uiteindelijk vaste kristallen vormen (Fig.9 b). Gebruik zo nodig een glazen roerstaaf om in de kolf te krassen en de kristallisatie op gang te brengen. Plaats de kristallen 10-20 minuten in een ijsbad en vang de vaste stof op door afzuiging.
Hete filtratie.
Een hete filtratie wordt over het algemeen gebruikt bij sommige kristallisaties, als een vaste stof onzuiverheden bevat die onoplosbaar zijn in het kristallisatieoplosmiddel. Het is ook nodig bij kristallisatie als houtskool wordt gebruikt om sterk gekleurde onzuiverheden uit een vaste stof te verwijderen, omdat houtskool zo fijn is dat het niet kan worden verwijderd door decanteren.
Een warme filtratie wordt uitgevoerd door eerst een paar ml oplosmiddel door een trechter met "geribbeld filtreerpapier" te gieten. Een geribbeld filtreerpapier heeft veel inkepingen en een groot oppervlak, waardoor een snelle filtratie mogelijk is. De trechter wordt heet gemaakt, terwijl het te filteren mengsel aan de kook wordt gebracht. Het kokende mengsel wordt dan in porties door het filtreerpapier gegoten (Fig.10 b en d).
Een warme filtratie wordt uitgevoerd door eerst een paar ml oplosmiddel door een trechter met "geribbeld filtreerpapier" te gieten. Een geribbeld filtreerpapier heeft veel inkepingen en een groot oppervlak, waardoor een snelle filtratie mogelijk is. De trechter wordt heet gemaakt, terwijl het te filteren mengsel aan de kook wordt gebracht. Het kokende mengsel wordt dan in porties door het filtreerpapier gegoten (Fig.10 b en d).
Het is het beste om een ringklem te gebruiken om de filtratietrechter vast te zetten, hoewel de trechter ook gewoon bovenop de kolf kan worden geplaatst. Als je geen ringklem gebruikt, is het aan te raden om een gebogen paperclip tussen de kolf en de trechter te plaatsen, zodat verplaatste lucht uit de onderste kolf kan ontsnappen terwijl de vloeistof wegloopt (Fig.10 c en d). Zonder een ringklem is de opstelling vatbaarder voor kantelen, dus het gebruik van een ringklem is aanzienlijk veiliger.
Een hete filtratie wordt gebruikt voor het filtreren van oplossingen die zullen kristalliseren wanneer ze afgekoeld worden. Het is daarom belangrijk dat de trechter tijdens het filtreren heet wordt gehouden door contact met hete oplosmiddeldampen, anders kunnen zich voortijdig kristallen vormen op het filtreerpapier of in de steel van de trechter (Fig.11).
Een hete filtratie wordt gebruikt voor het filtreren van oplossingen die zullen kristalliseren wanneer ze afgekoeld worden. Het is daarom belangrijk dat de trechter tijdens het filtreren heet wordt gehouden door contact met hete oplosmiddeldampen, anders kunnen zich voortijdig kristallen vormen op het filtreerpapier of in de steel van de trechter (Fig.11).
Kristallisatie op het filtreerpapier kan de opstelling verstoppen en opbrengstverlies veroorzaken (omdat het filtreerpapier later wordt weggegooid). Kristallisatie in de steel belemmert de filtratie en kan als een plug op de bodem van de trechter werken. Een voordeel van hete filtratie is dat het kokende oplosmiddel in de filterkolf kristallen helpt oplossen die zich voortijdig vormen in de steel van de trechter. Bij hete filtratie wordt geadviseerd om een trechter met korte steel (Fig.12 a) of zonder steel (Fig.12 c) te gebruiken, indien beschikbaar, in plaats van een trechter met lange steel (Fig.12 b), omdat materiaal minder snel kristalliseert in een korte of afwezige steel.
Omdat het essentieel is dat een oplossing snel wordt gefilterd voordat deze de kans krijgt om af te koelen in de trechter, wordt gewoonlijk een "geribbeld filtreerpapier" (Fig. 13 b en c) gebruikt in plaats van het kwadrantgevouwen filtreerpapier dat soms wordt gebruikt bij zwaartekrachtfiltratie (Fig. 13 a). Het grotere aantal plooien op het geribbelde filterpapier zorgt voor een groter oppervlak en een snellere filtratie. De vouwen creëren ook ruimte tussen het filtreerpapier en de glazen trechter, waardoor verplaatste lucht gemakkelijker uit de erlenmeyer kan komen terwijl de vloeistof wegloopt.
Stap-voor-stap procedures.
Hete filtratie wordt vaak gebruikt bij kristallisatie en deze procedure moet worden uitgevoerd na de oplossingsstap, maar voordat de oplossing opzij wordt gezet om langzaam af te koelen.
De filtratieopstelling voorbereiden
- Neem een trechter zonder steel of met korte steel (Fig.14 a), en steek hem in een ringklem, bevestigd aan een ringstandaard of traliewerk (of als alternatief, neem een gebogen paperclip voor het doel getoond in Fig.14 b).
- Maak een accordeon van filtreerpapier met de juiste afmetingen voor je trechter (de instructies staan in Fig. 15 en de resulterende accordeon staat in Fig. 14 a). Wanneer je het in de trechter plaatst, mag het papier niet korter zijn dan de bovenkant van de trechter, anders kan de oplossing tijdens het gieten langs het filterpapier glijden.
aan
- Met een schone erlenmeyer van de juiste grootte voor de kristallisatie onder de trechter en op de warmtebron, giet je een paar ml heet oplosmiddel in de trechter (Fig.14 d).
a) Als je een ringklem gebruikt, stel de klem dan zo af dat er een kleine opening is tussen de mond van de erlenmeyer en de bodem van de trechter: dit zorgt ervoor dat de lucht wordt verplaatst wanneer de vloeistof in de trechter stroomt. Als de opening te groot is, zullen hete dampen ontsnappen zonder de trechter te verwarmen.
b) Als je geen ringklem gebruikt, plaats dan een gebogen paperclip tussen de kolf en de trechter (Fig.14 b). - Laat het oplosmiddel koken en verwarm de hele opstelling. Als je houtskool gebruikt, voeg die procedure dan nu toe.
Filter de oplossing in porties.
- Als de filterkolf erg heet is en de te filteren oplossing kokend, giet dan het kokende mengsel in porties in de filtertrechter. Raak de erlenmeyer aan met het filtreerpapier in de trechter terwijl je giet (fig. 16 a).
- Veiligheidsaanwijzing: de erlenmeyer kan behoorlijk heet zijn en hete dampen kunnen je hand verbranden tijdens het gieten (giet zijwaarts, zodat je hand niet boven de trechter uitsteekt). Als de kolf te heet is om met je handen vast te houden, gebruik dan een "papieren handdoekhouder" om de kolf vast te houden (fig. 16 a):
a) Vouw een stuk papieren handdoek meerdere keren om zodat de resulterende strook ongeveer een inch breed is. Maak de strook desgewenst aan elkaar vast met een paar stukjes plakband.
b) Als je een kolf vasthoudt, moet de houder van het papieren handdoekje onder de lip van de kolf zitten. Op deze manier zal de vloeistof niet naar de papieren handdoek kronkelen tijdens het gieten (de handdoek blijft droog in Fig. 16 a), maar wordt nat bij de te brede handdoek in Fig. 16 c).
- Zet de erlenmeyer terug op de warmtebron als het te filtreren mengsel niet wordt ingeschonken (fig. 17 a).
- Wanneer het mengsel volledig gefilterd is, zet je de lege erlenmeyer op het werkblad (veiligheidsaanwijzing: verwarm een lege erlenmeyer niet, anders kan hij barsten). Controleer de trechter: als er kristallen te zien zijn op het filtreerpapier (zoals in Fig. 17 b), spoel dan met een paar ml kokend oplosmiddel om ze op te lossen. Spoelen is niet nodig in Fig. 17 c.
- Inspecteer het filtraat (de vloeistof die door het filtreerpapier is gegaan). Als er houtskool is gebruikt en het filtraat is grijs, of je kunt fijne zwarte deeltjes zien, dan is er houtskool door het filtreerpapier gegaan door een gaatje of door de verkeerde maaswijdte van het filter te gebruiken. Als klasgenoten geen grijs in hun oplossingen hebben, was het waarschijnlijk een gaatje. Herhaal de hete filtratiestap met een nieuw filterpapier en een nieuwe erlenmeyer.
Last edited by a moderator:
