重结晶实验装置的改进_孙艳文.pdf

ISSN 1008-9446CN13-1265/TE承 德 石 油 高 等 专 科 学 校 学 报Journal of Chengde Petroleum College第 25 卷第 2 期,2023 年 4 月Vol.25,No.2,Apr.2023重结晶实验装置的改进孙艳文,陈震,黄振宇,张沛然,张艳杰(河北民族师范学院化学与化工学院,河北承德 067000)摘要:针对有机化学实验教材中重结晶实验存在过滤速度慢、重结晶收率低、实验连续性差的缺陷,且具有很大的安全隐患,提出改进方案。改进后的实验装置集溶解、热过滤、重结晶三种实验操作于一体,主要由球形冷凝管、圆底烧瓶、热过滤漏斗三部分组成,通过热水循环泵对热过滤漏斗进行控温。实践表明,改进后的实验装置具有溶解-热过滤-重结晶操作一体化,热过滤速度快,重结晶收率高,溶剂可重复利用、安全可靠的优点。关键词:重结晶;一体化;高收率;装置改进中图分类号:O621.3-45文献标志码:B文章编号:1008-9446(2023)02-0053-04Improvement of Recrystallization Experimental DeviceSUN Yan-wen,CHEN Zhen,HUANG Zhen-yu,ZHANG Pei-ran,ZHANG Yan-jie(School of Chemistry and Chemical Engineering,Hebei Normal University for Nationalities,Chengde 067000,Hebei,China)Abstract:The recrystallization experiment in the textbook has many defects,such as slow filtrationrate,low recrystallization yield,poor experiment continuity,and great potential safety hazard.Toovercome these shortcomings,a program for improvement is proposed.The improved experimentaldevice integrates three experimental operations,namely dissolution,thermal filtration and recrystalli-zation,the improved device is mainly composed of a spherical condenser,a round bottom flask,anda thermal filter funnel.The temperature of the thermal filter funnel is controlled by a hot water circu-lating pump.Practice has shown that the improved experimental device has many advantages,inclu-ding the integration of dissolution-thermal filtration-recrystallization operations,fast thermal filtra-tion,high recrystallization yield,reusable solvents,more safety assurance and reliability.Key words:recrystallization;integration;high yield;device improvement基金项目:承德市科技支撑计划项目(实验室用高收率重结晶装置的研发):202109A115;河北省高等教育教学改革研究与实践项目(基于超星学习通的大学高效课堂有效教学模式研究 以有机化学课程为例):2019GJJG515;河北省高等学校科学研究计划(基于2.2对环蕃骨架的多羧酸配体设计、合成研究):BJ2019205收稿日期:2022-01-15第一作者简介:孙艳文(1987-),女,河北邢台人,讲师,硕士,主要从事色谱分析、自制教具。通讯作者:陈震,副教授,博士,E-mail:867456899 。固体有机化合物在溶剂中的溶解度一般随温度的降低而减小。将有机物的饱和溶液冷却,饱和溶液变成过饱和溶液,使有机物析出结晶。重结晶就是根据这一原理,利用溶剂对待提纯物质中的目标化合物和杂质的溶解度不同,使目标化合物从其热的饱和溶液中析出,而杂质全部或大部分仍留在溶液中,通过固液分离,从而达到提纯目的1-3。有机化学反应中分离出的固体有机化合物往往是不纯的,其中包括化学反应的产物、副产物、未发生化学反应的原料及催化剂等4-5。重结晶是提纯这类物质的有效方法。重结晶不仅应用于化学化工行业6-7,在医药卫生8、食品9-10等许多行业中也有广泛应用。在重结晶操作中,关键步骤之一是热过滤11。有机化学实验4-5教材中涉及重结晶的实验为苯甲酸或乙酰苯胺的重结晶,实验中给出的实验方案有两种:常压热过滤和减压热过滤。但是这两种实验方案存在滤纸易堵塞、过滤速度慢、重结晶收率低、实验连续性差的缺陷,并且具有很大的安全隐患12-15。对DOI:10.13377/ki.jcpc.2023.02.015承德石油高等专科学校学报2023 年第 25 卷第 2 期重结晶实验教学改革探索16-18和重结晶实验装置进行改进1,3的报道有很多,但是由于实验室条件的限制或者只是针对重结晶操作中某个缺陷进行了改进,改进后的实验装置并不具有普适性。本文设计了一种实验室用的高收率一体化实验装置,该装置主要由球形冷凝管、圆底烧瓶、热过滤漏斗三部分组成,具有集溶解、热过滤、重结晶于一体,热过滤速度快、重结晶收率高、溶剂可重复利用、安全可靠的优点,可广泛应用于本科实验教学、学生创新实验和毕业论文实验。1教材中实验设计1.1实验方案常压热过滤操作使用的是铜质保温漏斗。进行热过滤操作时,将一张大小合适的折叠成菊花形的滤纸放入保温漏斗中,并使滤纸向外突出的棱边紧贴于漏斗壁上,将脱色后沸腾的溶液尽快滤入烧杯中。为了避免待提纯物质在保温漏斗中因为温度降低而析出,需在保温漏斗中注入热水。当溶剂为不可燃溶剂时,可采用酒精灯外焰灼烧铜质保温漏斗外面突出来的圆柱状侧管,一边加热,一边进行过滤操作4-5。减压热过滤操作是将含有待提纯物质的热溶液迅速倒入布氏漏斗中进行减压抽滤4-5。1.2实验方案分析1)过滤速度慢。在常压热过滤操作中,通常将滤纸折成菊花形,增加滤纸的过滤面积,增加过滤的速度,但折成菊花形的同时,滤纸进一步远离保温漏斗,导致不能有效起到保温作用,并且过滤操作在常压下进行,过滤速度慢,待提纯的物质会因为热量损失而在滤纸上析出,而析出的固体物质也会进一步堵塞滤纸使过滤速度变慢。2)重结晶收率低。由于常压热过滤和减压热过滤操作中溶解过程和过滤过程是单独分体进行的,待提纯的物质从烧杯中转移至保温漏斗过程中时,因热量损失导致在烧杯中和滤纸上有少量结晶;在常压热过滤中,在玻璃漏斗颈部也会出现少量结晶,使重结晶收率低。3)存在安全隐患。由于实验教材中重结晶实验为苯甲酸的重结晶,实验中使用的溶剂为水,学生在毕业论文实验或创新实验中用重结晶的方法对待提纯物质进行提纯时,仍然照搬实验教材中的实验方案,用酒精灯加热铜质保温漏斗的侧管进行常压热过滤,由于保温漏斗是敞口仪器,而实验过程中大多数化学反应所用溶剂为有机溶剂,有机溶剂具有易挥发、易燃的特点,因此,该重结晶实验方案操作具有很大的安全隐患。并且减压抽滤过程中,需要将陶瓷布氏漏斗预热后进行减压抽滤,预热后的布氏漏斗容易造成烫伤的危险。4)溶剂利用率低。常压热过滤受制于保温漏斗和折叠后滤纸容积的大小,大部分情况需要分批多次过滤,未过滤余液因温度降低会析出少量晶体,需要反复进行溶解操作;对于溶解性不好或含有微溶性杂质化合物的重结晶,为了尽可能全部溶解,通常需要用大量溶剂进行溶解,甚至最后仍有不溶性杂质,这很容易造成溶剂过量,造成不结晶的现象,进而需要二次浓缩,也会造成浪费和环境污染。5)操作困难。常压热过滤和减压热过滤操作中,起过滤作用的主要是滤纸。常压过滤中,需要折叠滤纸,分批过滤,操作注意事项较多容易出现问题;减压抽滤中,滤纸容易发生穿滤;以上两种过滤方法一旦发生滤纸堵塞,过滤速度会变慢。而在减压热过滤中,对温度敏感的有机物一旦在滤纸上析出,过滤速度便会大大减慢,产品损失较多,此时,必须小心将析出物与滤纸一同返回,重新制备热溶液,操作比较困难。2改进后的实验设计2.1溶解-热过滤-重结晶一体化实验装置溶解-热过滤-重结晶一体化实验装置结构示意图如图 1 所示。从图 1 中可看出,该实验装置主要包括球形冷凝管、圆底烧瓶、热过滤漏斗三部分。该装置中圆底烧瓶 1 设有支管,支管通过橡胶管与真空泵连接;热过滤漏斗 2 颈部设有活塞,侧面设有恒压支管,恒压支管上设有活塞。漏斗的内壁中内45孙艳文,等:重结晶实验装置的改进设有一横向的砂芯过滤板,在内壁与外壁之间设有一空腔;空腔的下端设有进水口,上端设有出水口,漏斗为夹层玻璃漏斗;热过滤漏斗 2 通过磨口与圆底烧瓶 1和球形漏斗 3 连接。2.2实验方案实验前,将热过滤漏斗的颈部和圆底烧瓶的上端通过磨口连接;热过滤漏斗的顶部和球形冷凝管的底端通过磨口连接;将热过滤漏斗的活塞和热过滤漏斗支管上的活塞关闭,打开冷凝水,热循环装置的出水通过橡胶管与进水口连接,将热循环装置的进水与出水口连接,设置热循环装置为一定温度,如有必要可更换浴液设置更高温度。称取 3 g 苯甲酸粗品,放入砂芯漏斗中,先加入50 mL 水,如固体没有完全溶解,用滴管补加水,直至固体全部溶解,关闭热循环装置。待液体稍冷却后加入适量的活性炭,再继续加热 15 min 进行脱色。将热过滤漏斗的活塞打开,利用真空泵连接到圆底烧瓶的支管进行减压抽滤;热过滤漏斗中的溶液通过砂芯过滤板进行过滤,并将滤液通过热过滤漏斗的颈部直接装入圆底烧瓶中,将活性炭和不溶性杂质除去,滤液充分冷却结晶,待晶体全部析出后进行抽滤,并干燥晶体。对于溶解速度较慢或者溶解度较小的化合物,可用定量的溶剂反复进行溶解过滤操作,完成一次溶解过滤操作后,将热过滤漏斗的活塞关闭,侧管上的活塞打开,用电热套或油浴锅将圆底烧瓶中的溶液加热,使过量的溶剂沿着热过滤漏斗的支管进入球形冷凝管中进行冷凝,回流至热过滤漏斗中,实现热过滤漏斗中的物质的反复溶解。对于溶剂过量时无晶体析出的情况,亦可通过类似操作进行溶液的浓缩,促使晶体析出。3结果与讨论3.1溶解、热过滤、重结晶操作一体化一体化实验装置中热过滤漏斗颈部设有活塞,实验过程中,关闭活塞,可将漏斗中的物质在漏斗中进行溶解;溶解完成后,打开热过滤漏斗颈部活塞,将圆底烧瓶支管通过橡胶管与真空泵连接,即可进行热过滤操作,使溶解、热过滤、重结晶操作一体化,不涉及转移操作。3.2过滤速度快,重结晶收率高一体化实验装置中的热过滤漏斗为夹层玻璃漏斗,夹层玻璃漏斗的内壁与外壁之间设有一空腔,在空腔的下端设有进水口,上端设有出水口,实验过程中,可以通过橡胶管连接热循环装置,对漏斗进行持续加热,使漏斗中的难溶物质始终保持在一定的温度,并充分溶解,而且节省了溶液从烧杯中转移至热过滤漏斗中的步骤,避免了原有实验方案中待提纯物质转移至保温漏斗过程中因热量损失而提前结晶析出,堵塞滤纸造成产品损耗。采用不同的过滤装置,对过滤苯甲酸粗品水溶液所用时间和重结晶后苯甲酸的质量以及苯甲酸的收率进行了计算(见表 1)。实验结果表明,采用三种不同的过滤装置得到的苯甲酸的溶程不超过 1 ,这说明苯甲酸的纯度都较高4-5。一体化实验装置同教材中的常压热过滤实验装置进行比较,过滤所需时间大幅缩短,重结晶收率提高 33%。这主要是因为在一体化实验装置中,圆底烧瓶通过橡胶管与真空泵连接,在过滤过程中,圆底烧瓶中始终保持负压,热过滤速度快,节省时间。而常压热过滤装置由于过滤速度较慢,苯甲酸固体会随着热量损失在滤纸上析出,堵塞滤纸;即使采用采用酒精灯外焰灼烧铜55承德石油高等专科学校学报2023 年第 25 卷第 2 期质保温漏斗外面突出来的圆柱状侧管,一边加热,一边进行过滤操作,部分苯甲酸固体也会因铜质保温漏斗和和菊花形滤纸间传热效率慢而析出,堵塞滤纸,使过滤速度变慢,重结晶收率降低。一体化实验装置同教材中减压热过滤的实验装置相表 1不同实验装置提纯苯甲酸重结晶效果比较常压热过滤减压热过滤一体化实验装置粗苯甲酸质量/g2.892.912.90过滤所用时间/min241.81.7重结晶后苯甲酸质量/g1.332.182.29重结晶收率/%467579比较,过滤所需时间基本相等,重结晶后苯甲酸的质量和收率稍有提高,这主要是由于采用一体化实验装置进行重结晶的过程中,溶解和热过滤步骤在同一装置中进行,避免了待提纯物质由烧杯中转移至漏斗过程中造成的待提纯物质的损失。因此,该实验装置具有热过滤速度快,重结晶收率高的优点。3.3使用方便,安全可靠一体化实验装置中起过滤作用的为砂芯过滤板,而砂芯板具有孔径可调的特点,可根据待提纯物中不溶性杂质粒径的大小选择合适的砂芯过滤板的孔径。同时砂芯过滤板还具有易清洗的特点,避免了教材中热过滤实验装置中使用菊花形滤纸过滤速度慢和减压热过滤实验装置中易出现的滤纸浮起和因布氏漏斗温度降低堵塞滤纸和穿滤的缺陷。并且采用一体化实验装置,整个实验过程中,不需酒精灯进行加热,即使溶解待提纯物质所用的溶剂为有机溶剂也安全可靠。3.4溶剂可重复利用一体化实验装置热过滤漏斗侧面设有支管,支管上设有活塞,实验过程中,关闭热过滤漏斗颈部活塞,打开热过滤漏斗侧面活塞,对圆底烧瓶中的溶液进行加热,将球形冷凝管中通入冷凝水,圆底烧瓶中蒸馏出的溶剂可沿热过滤漏斗侧管进入球形冷凝管中并在球形冷凝管中冷凝进入热过滤漏斗,对热过滤漏斗中的物质进行反复溶解,溶剂进行反复利用。4结语改进后的实验装置具有溶解-热过滤-重结晶操作一体化,热过滤速度快,重结晶收率高,溶剂可重复利用、安全可靠的优点,可广泛应用于本科实验教学、学生创新实验和毕业论文实验。参考文献:1王涛,陈慧宗,彭以元,等.推荐一种简易的重结晶实验装置J.化学教育,2010(4):79-80.2张越锋,张红喜,张裕卿.基于苯甲酸重结晶的实验改革J.当代化工,2010(1):89-92.3李飞翰,高聪丽,张华林.一种新型的热过滤装置在实验教学中的应用J.广州化工,2018,46(19):120-121,126.4徐娟娟,王有娣.有机化学实验M.成都:四川大学出版社,2018.5张奇涵,关烨弟,关玲.有机化学实验(第三版)M.北京:高等教育出版社,2015.6张小艳,白荣献,王庶,等.重结晶提纯碳酸二苯酯的溶剂选择J.化学工程,2006,34(10):21-23,34.7陈光,喻长远.十二碳二元酸的重结晶精制工艺研究J.合成纤维工业,2009(2):31-34.8江蕙娥,韦琳,罗甸,等.布洛芬-扑热息痛孪药制备及重结晶工艺探究J.广州化工,2017,45(24):60-62.9杨阳,刘蕊,王英明,等.番茄红素提纯工艺条件的研究J.中国酿造,2016(3):111-113.10刘帅,汪学德,郭亚龙.重结晶法分离芝麻素工艺的研究J.粮食与油脂,2016(6):25-28.11张秀华,孙德军.热过滤装置的改进设计J.实验室科学,2013(5):177-179.12秦序.重结晶实验中热过滤环节的重新设计J.牡丹江师范学院学报:自然科学版,2012(1):20-21.13唐贝.基于乙酰苯胺重结晶实验的过滤环节教学改进J.实验室科学,2019,22(3):11-13.14董彩霞,孟志芬,祝勇.重结晶实验教学中若干问题的探讨J.化学教育,2006(8):62-62.15李英俊,葛丽娜,孙淑琴,等.一种新颖的重结晶装置在半微量有机实验中的应用J.辽宁师范大学学报:自然科学版,2002,25(3):335-336.16徐石海.翻转课堂模式在乙酰苯胺重结晶有机实验教学中实践J.实验室研究与探索,2020(10):168-171,176.17强根荣,王红,杨振平,等.大学有机化学实验教学方法研究与实践J.实验室研究与探索,2017,36(3):200-202.18石磊,杨红兵.有机化学实验课上的细节教学 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