Krystalizace

Krystalizace je vylučování pevné fáze z roztoku. Jedná se o jednu z nejběžnějších chemických čistících metod. Nežádoucí nečistoty zůstávají při krystalizaci v matečném louhu. Opakovanou krystalizací tak lze získat dokonale čisté látky.

Ve srovnání s destilací je krystalizace účinnější, protože teplota tání (fázový přechod kapalina-tuhá látka) je jako kritérium čistoty oproti teplotě varu (fázový přechod kapalina-plynná látka) mnohem přesnější. Výsledná teplota tání by měla být stálá a ostrá. Pokud se mění nebo tání probíhá v širokém teplotním rozmezí, je látka obvykle stále znečištěná.

Úspěch krystalizace závisí na vlastnostech vybraného rozpouštědla. Optimální je takové rozpouštědlo, ve kterém je látka velmi dobře rozpustná za horka, ale málo za studena, a ve kterém se dobře rozpouštějí nečistoty. V praxi se obvykle postupuje v sérii experimentů s různými rozpouštědly, přičemž platí, že látka se nejlépe rozpouští v rozpouštědle s podobnou polaritou (lat.zshk.cz/vyuka/rozpousteni.aspx). Např. látky s hydrofilními (polárními) skupinami (hydroxylová, karboxylová) jsou dobře rozpustné ve vodě nebo ethanolu, zatímco látky s nepolárními (lipofilními) skupinami (alkylderiváty, halogenderiváty, nitroderiváty) se rozpouštějí v nepolárních rozpouštědlech jako např. benzen, toluen, petrolether.

Důležitá je také teplota varu rozpouštědla, nízkovroucí těkavé kapaliny (ether) jsou nevhodné. Je možné použít hexan, cyklohexan, alkoholy C3 – C4, kyselinu octovou, aj. Rozpouštědlo samozřejmě nesmí s látkou chemicky reagovat. Voda je obvykle vhodná i pro anorganické látky.

Částice rozpuštěné látky na sebe působí přitažlivými silami, které je nutí při krystalizaci zaujmout zcela specifické uspořádání. Atomy, ionty nebo molekuly se seskupují do přesného geometrického útvaru s charakteristickým tvarem – krystalové mřížky. V ní mohou být zabudovány pouze určité částice, zatímco částice znečišťujících příměsí zůstávají v kapalině. Krystalizací tak lze látky velmi účinně čistit. Pokud látka krystalizuje s určitým počtem molekul vody, hovoří se o hydrátové vodě.

Krystalizační postupy se volí podle vlastností látky.

Postupy krystalizace

Prostá krystalizace

Prostá krystalizace je jednoduchý a rychlý způsob čištění pevné látky. Získané krystaly ale nejsou zcela čisté. Při této metodě se postupuje v několika krocích:

  • rozpuštění látky ve vhodném rozpouštědle,
  • filtrace roztoku,
  • vyloučení krystalů,
  • jejich oddělení
  • sušení krystalů.

Příprava roztoku

Látky se rozpouštějí obvykle za horka tak, aby vznikl nasycený nebo mírně přesycený roztok. Přitom lze postupovat tak, že se k pevné látce ve vhodné nádobě za stálého míchání a zahřívání postupně přidává rozpouštědlo, až se látka právě rozpustí.

Je-li potřeba použít organické rozpouštědlo, je nutné rozpouštět ve varné baňce s dlouhým hrdlem, případně použít chladič. Pokud je látka dostatečně rozpustná ve vodě, je možné pracovat s kádinkou.

K určení vhodného množství rozpouštědla lze využít chemické tabulky nebo lékopis, který rozpustnost látek charakterizuje v monografii dané látky v části vlastnosti (lat.zshk.cz/vyuka/rozpousteni.aspx).

Je možný i opačný postup, kdy se k danému množství rozpouštědla postupně přidává pevná látka tak dlouho, dokud se ještě rozpouští.

Pokud je třeba roztok odbarvit, je možné použít aktivní uhlí (1-2% váhy pevné látky), které se s roztokem krátce povaří. Aktivní uhlí se však nesmí přidávat k vroucí směsi, protože by mohlo dojít ke vzkypění.

Filtrace

Připravený roztok se ještě za horka zfiltruje. Aby nedošlo během filtrace k předčasné krystalizaci ochlazením, doporučuje se vyhřívaná nálevka pro filtraci za horka, případně předehřát filtrační zařízení proléváním horkým rozpouštědlem nebo jeho parami. Při ochlazení by vzniklé krystaly mohly zablokovat póry filtrační přepážky a zpomalit filtraci. Důležité je také použít filtrační nálevku s krátkým stonkem a skládaný filtr, který má menší styčnou plochu se sklem nálevky.

Vyloučení krystalů

K vyloučení krystalů je nutné porušit fázovou rovnováhu soustavy. Chlazení vede k přesycenosti roztoku a vylučování krystalů. Vyloučení krystalů je možné uskutečnit několika způsoby:

  1. Ochlazením nasyceného roztoku
    Při chlazení dojde ke snížení rozpustnosti a krystalizaci látky. Tvar, velikost a kvalita krystalů závisí na rychlosti chlazení. Čím je chlazení rychlejší, tím jsou krystaly menší. Při prudkém ochlazení, např. proudem vody nebo ledem, vzniká velké množství drobných krystalků, při pomalém chlazení vznikají velké krystaly.
    Oba postupy jsou nevhodné zejména u organických látek. Pokud jsou krystaly příliš velké, mohou obsahovat zbytky matečného louhu, které se zadržují v jejich dutinách. Na druhé straně i malé krystalky mohou matečný louh zadržovat a to na svém povrchu působením kapilárních sil. Příliš prudkým ochlazením by také mohlo dojít k zolejovatění, zejména u látek s nízkou teplotou tání. Krystaly by tedy měly mít přiměřenou velikost.
    Krystaly se tvoří z krystalizačních zárodků (jader). Přítomnost krystalizačních jader lze podpořit třením skleněnou tyčinkou o stěnu nádoby nebo naočkováním roztoku vpravením krystalku stejné látky.
  2. Odpařením rozpouštědla
    Pokud není mezi rozpustnosti látky za zvýšené teploty a v chladu velký rozdíl, je nutné vyloučit krystaly odstraněním rozpouštědla a zahuštěním roztoku. Tento postup se používá zejména v anorganické chemii. Odpařování při teplotě místnosti je zdlouhavé a vede k získání větších krystalů. Lze ho urychlit umístěním nádoby do exsikátoru, případně část rozpouštědla odstranit destilací. Vodné roztoky lze zahustit také na vodní lázni. Přílišné odstranění rozpouštědla není žádoucí, protože by se do krystalů mohly uložit i znečištěniny.
  3. Srážením nebo vysolováním
    K vyloučení krystalů je možné využít také přidání dalšího rozpouštědla, ve kterém má látka nižší rozpustnost, ale které je mísitelné s původním rozpouštědlem. Srážením se obvykle připraví velmi jemné krystaly. Tento postup lze použít k vyloučení krystalů z vodných roztoků přídavkem ethanolu.
    Přídavek další krystalické látky, která je v rozpouštědle velmi dobře rozpustná a vyváže část rozpouštědla, vede k vysolení. Příkladem je přídavek chloridu sodného.

Separace a sušení

Na závěr je třeba vzniklé krystaly od matečného louhu oddělit. To se provádí nejčastěji odsátím kapaliny na Büchnerově nálevce (Büchnerova nálevka) s následným propláchnutím čistým rozpouštědlem nebo jinou kapalinou, v níž se krystaly nerozpouštějí. Jednoduchým postupem je také vložení krystalů mezi vrstvy filtračního papíru. Působením jemného tlaku se matečný louh vymačká. Oddělit krystaly lze také v odstředivce.

Většina látek se při oddělování krystalů současně suší. K dosušení je možné využít Exsikátory nebo vakuovou sušárnu (Vakuová sušárna).

Frakční krystalizace

K čištění směsí látek se používá frakční krystalizace, která využívá postupného vylučování látek při pomalém postupném ochlazování nasyceného roztoku. Podíl, který krystalizuje při vyšší teplotě, je nutné ihned odstraňovat. Tímto způsobem lze od sebe oddělit maximálně dvě látky s výrazně odlišnou rozpustností při dané teplotě.

Pro oddělení látek ze směsi je možné použít také postupné odpařování rozpouštědla. Méně rozpustná látka začne krystalizovat dříve a po jejím oddělení se pokračuje v odpařování až do vyloučení druhé látky.

Získané produkty je nutné přečistit rekrystalizací.

Procvičení

  1. Přečistěte jednoduchou krystalizací dvojchroman draselný.
    Postup: 5,0 g dvojchromanu draselného rozpustíme za horka v čištěné vodě na nasycený roztok, zfiltrujeme předehřátou filtrační nálevkou přes skládaný filtr. Filtrát jímáme do krystalizační misky postavené v nádobě s ledem. Krystaly odsajeme pomocí Büchnerovy nálevky, zbavíme matečného louhu a vysušíme.
  2. Přečistěte síran měďnatý prostou krystalizací s volným odpařením rozpouštědla.
    Postup: V 50 ml čištěné vody rozpustíme síran měďnatý za zvýšené teploty, zfiltrujeme přes nálevku pro horkou filtraci do krystalizační misky. Necháme postupně chladnout. Vzniklé krystaly odsajeme pomocí Büchnerovy nálevky, zbavíme zbytků matečného louhu a vysušíme.
  3. Přečistěte krystalizací chlorid sodný.
    Postup:5,0 g chloridu sodného rozpustíme za horka v čištěné vodě na nasycený roztok. Zfiltrujeme přes nálevku pro horkou filtraci do krystalizační misky. K filtrátu přidáme dvojnásobné množství ethanolu 96%. Vyloučené krystaly odsajeme pomocí Büchnerovy nálevky, zbavíme zbytků matečného louhu a vysušíme.

Kontrolní otázky

  1. Jak vzniká krystal?
  2. Co je hydrátová voda.
  3. Jakými postupy lze vyloučit z roztoku krystaly?
  4. Jak lze podpořit tvorbu krystalů?
  5. Co je vysolení?
  6. Vysvětlete postup prosté krystalizace.
  7. Vysvětlete postup frakční krystalizace.
Media