高考化工流程题和实验题中经常会涉及物质的结晶问题。从溶液中得到晶体,根据不同的情况,有时采用蒸发结晶,有时采用蒸发浓缩,冷却结晶。那么,应怎样选择这两种方法进行结晶的操作呢?
1.冷却结晶法:
即制备物质的晶体时,加热蒸发溶液至有少量晶膜出现(即饱和),再冷却结晶的方法。以下几种情况需要用此方法:
(1)挥发性酸的弱碱盐溶液,如氯化镁、氯化铝、氯化铁等。
以氯化铝为例,在氯化铝溶液中存在水解平衡:
AlCl3+3H2O≒Al(OH)3+3HCl
蒸发过程中,由于盐酸挥发,使平衡右移,导致蒸干溶液时得到Al(OH)3,再灼烧时,Al(OH)3就会分解,最终得到氧化铝。
此类物质的溶液在蒸发浓缩时,还要不断地加入过量的盐酸抑制水解。
采用这样的结晶法得到的往往是结晶水合物(如MgCl2﹒6H2O),若需除去结晶水,可将结晶水合物放在氯化氢气流中蒸干即可。
(2)制备结晶水合物,如由硫酸铜溶液制备胆矾。
显然,若将溶液蒸干就得不到结晶水合物。
(3)受热易分解的物质,如氯化铵、碳酸铵、碳酸氢铵等。
若将溶液蒸干,溶质会发生分解,而得不到晶体。
(4)溶解度随着温度的改变变化很大的物质,如KNO3等。
因其溶解度很大,蒸发时析出的晶体不多,但冷却后因溶解度急剧减小,会析出大量的晶体。
2.蒸发结晶法:
即采用加热蒸发至产生大量的晶体或只剩少量液体时,停止加热,利用余热蒸干即可(一般不需要蒸干)。以下几种情况需要用此方法:
(1)溶解度随着温度的改变变化不大,而且受热不分解的物质,如NaCl等;
原理是蒸发时溶剂大量减少,导致晶体大量析出。
(2)难挥发性酸的弱碱盐,如硫酸镁、硫酸铝、硫酸铁等;
虽然它们的溶液中也存在水解平衡,如硫酸铝溶液中存在平衡:
Al2(SO4)3+6H2O≒2Al(OH)3+3H2SO4
但是由于硫酸难挥发,而是水分挥发,导致平衡左移,最后仍然得到硫酸铝,故可以采用蒸发结晶法。
3.分离混合物时结晶类型的选择:
分离物质时,蒸发结晶与冷却结晶的操作需根据上文选择使用,有时需根据情况结合使用。
(1)分离氯化钠与硝酸钾的混合物:
方法:将混合物溶于水制得溶液,加热蒸发至出现大量晶体,趁热过滤、洗涤、干燥,得到NaCl晶体,然后将滤液冷却结晶,过滤、洗涤、干燥,得到KNO3晶体。
原理:氯化钠的溶解度随温度的升高变化不大,溶剂减少,导致析出NaCl晶体,而硝酸钾的溶解度随着温度的升高大幅度增大,在蒸发过程中不会析出,而在冷却滤液时会大量析出。
(2)提纯含有少量硝酸钾杂质的氯化钠溶液:
方法:加热蒸发溶液至出现大量晶体,趁热过滤、洗涤、干燥,得到NaCl晶体,少量KNO3杂质留在母液里。原理同上。
(3)提纯含有少量氯化钠杂质的硝酸钾溶液:
方法:将溶液蒸发浓缩至产生少量晶膜后,冷却结晶,过滤、洗涤、干燥,少量NaCl杂质留在母液里。原理同上。
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