آزمایش 4 تبلور مجدد

نام آزمایش:  تبلور مجدد

تاریخ انجام آزمایش: 1399/9/22

نام تهیه کنندگان گزارش: شیرین رسولی _ زهرا جلالی

رشته تحصیلی تهیه کنندگان گزارش کار: مهندسی شیمی

نام استاد مربوطه: دکتر سهیلا صداقتی

نام آزمایش:  تبلور مجدد

هدف آزمایش: تبلور مجدد (نوبلور کردن)

تئوری آزمایش:

آزمایشگاه شیمی آلی در حیطه جداسازی مواد است یا خالص سازی مواد. محصول های واکنش های شیمیایی  به ندرت از درجه ی خلوص بالایی  برخوردار می باشند و به منظور دستیابی به درجه ی خلوص مناسب، نیاز به انجام فرآیندهای خالص سازی است.تبلور مجدد یعنی بلور کردن دوباره یا نوبلورسازی یکی از راه های خالص سازی مواد است.

برای آنکه بتوانیم تبلور مجدد را انجام دهیم؛ ماده جامدی که (بلور شدن کلا برای مواد جامد است) داریم در حلالی حل می کنیم؛ که آن حلال، ماده مورد نظر را در حوالی نقطه جوش خود حل کند. در دماهای بالا ناخالصی را در خود حل نکند؛ در دماهای پایین حل کند(چرا؟) چون فرض کنید بنزوئیک اسید و آب، که آب در حوالی نقطه جوش خود بنزوئیک اسید را در خودش حل می کند، ما اگر بخواهیم ناخالصی ها هم در آن دما حل شوند؛ نوبلورسازی اصلا مفهومی نخواهد داشت، در اینصورت دوباره ناخالصی خواهیم داشت، پس در دمای پایین باشد که وقتی ماده موردنظر حل شد و سرد شد؛ فقط بلور ماده موردنظر تشکیل شود و ماده جامد دیگری که در آن حل شده، تشکیل نشود، نقطه جوش پایین داشته باشد و به آسانی تبخیر شود که برای مرحله ایست که می خواهیم زودتر به نتیجه برسیم، خشکش کنیم و مقدار درصد رابدست آوریم. حلالیت ما طوری باشد که با ماده مورد نظر ما واکنش شیمیایی خاصی ایجاد نکند.

تبلور مجدد به روش انحلال شامل مراحل زیر است :

1 - انتخاب حلال مناسب
2 - انحلال جسم مورد نظر در دمای جوش حلال یا نزدیک آن
3 - افزودن زغال رنگ برای جذب ناخالصی های رنگی
4 - صاف کردن محلول داغ برای جداکردن ناخالصی های نامحلول
5 - تبلور از محلولی که در حال سردشدن است .

6- جداکردن بلورها از محلولی که در آن شناور هستند.

7- شست و شوی بلورها برای خارج کردن محلولی که به آن ها آغشته است .

8- خشک کردن بلورها

انتخاب حلال

یک حلال باید دارای ویژگی های معینی باشد تا بتوان از آن به عنوان حلال در تبلور مجدد استفاده کرد:
1 - باید ضریب حرارتی آن برای ترکیب مربوط و ناخالصی ها مناسب باشد؛ یعنی باید ترکیبی که خالص می شود به طور ایده آل و کامل در حلال داغ حل شود، ولی در سرما به نسبت نامحلول باشد و حداقل باید ناخالصی ها در حلال سرد به صورت محلول باقی بمانند. امکان دیگر آن است که ناخالصی ها در محلول داغ حل نشوند؛ از چنین محلولی می توان ناخالصی ها را جدا کرد.
2 - دمای جوش حلال باید به حد کافی پایین باشد تا در مرحله نهایی که جسم خشک می شود، بتوان حلال را به آسانی از بلورها خارج کرد.
3 - بهتر است که دمای جوش حلال کم تر از دمای ذوب جسم باشد.
4 - از نظر شیمیایی نباید حلال با ترکیبی که خالص می شود واکنشی بدهد.

می توان با مراجعه به منابع و مراجع شیمی، اطلاعات مربوط به حلال مناسب را به دست آورد. در غیر اینصورت باید به کار بردن مقدار کمی از ماده، از راه تجربی حلال مناسب را پیدا کرد. در صورتی که انجام این کار لازم باشد، باید برخی از اصول کلی انحلال را در نظر داشته باشید: به طور معمول ترکیب های قطبی درحلال غیرقطبی نامحلول هستند و در حلالهای قطبی حل می شوند؛ برعکس ترکیب های غیرقطبی محلول هستند. این روابط حلالیت را در عبارت < اجسام هم جنس یک دیگر را حل می کنند> خلاصه می کنند. بنابراین بعید است که یک ترکیب بسیار قطبی در یک حلال داغ غیر قطبی حل شود ولی ممکن است به خوبی در یک حلاال سرد بسیار قطبی حل گردد و در نتیجه با قطبیت متوسط خواهد بود. در بعضی موارد مخلوط حلال ها به خوبی عمل می کنند. در این حالت، قابلیت انحلال جسم در یک حلال با افزایش حلال دیگری که جسم در آن حیلی کمتر محلول باشد،کاهش داده می شود . تعدادی از زوج حلال های مخلوط که اغلب مورد استفاده قرار می گیرند؛ عبارتند از : آب الکل، اترنفت بنزین، استیک اسید آب، اتر الکل، اتر نفت، مخلوط حلال هایی مانند بنزین الکل، به ندرت مصرف دارند. جدول زیر برحسب کاهش قطبیت حلال ها تدوین شده است:           

                                 

انحلال جسم ناخالص

برای اجتناب از تنفس بخارهای حلال، بهترین راه برای انجام دادن اعمال زیر آن است که آزمایش را زیر هودی که تهویه می شود انجام داد. تمام حلال های آلی قابل اشتعال یا تا حدودی سمی هستند یا هر دو حالت را دارند. جسم جامد مورد آزمایش را همراه با چند میلی لیتر حلال موردنظر در ارلن مایری با اندازه ی مناسب می گذارند. نگهداری چند بلور از جسم ناخالص روش آزمایشگاهی مفیدی است؛ ممکن است این بلورها درصورت مواجه شدن با مشکلاتی در مرحله ی تبلور، برای شروع تبلور لازم باشند. سپس در حالی که مخلوط را برای جلوگیری از جهش مخلوط جوشان به طور مداوم هم می زنند، آن را با اجاق برقی یا حمام بخار تا دمای جوش حرارت می دهند. فقط چنانچه حلال یا حلال های مصرفی قابل اشتعال نباشد، نمی توان بدون اینکه با سرعت زیاد حرارت داده شود، از چراغ بونزن استفاده کرد. به مخلوط جوشان کم کم حلال بیش تر اضافه می کنند تا حلال جوشان فقط به اندازه ی کافی برای حل کردن جسم موجود باشد. چنانچه صاف کردن محلول داغ لازم باشد، بهتر است در این زمان برای جلوگیری از تبلور نابهنگام در صاف کردن محلول 2 تا 5 درصد حلال افزوده شود. برای افزایش میزان بازیابی بلورهای خالص شده، باید از مصرف مقدار زیاد حلال اضافی اجتناب کرد. جسم جامد حتی در محلول سرد، تا حدودی در محلول باقی می ماند و میزان بازدهی مقداری کاهش می یابد؛ این مقدار به میزان این انحلال و مقدارحلال موجود بستگی دارد. چنانچه در نزدیکی پایان انحلال، به نظر برسد که حلال اضافی جسم را دیگر حل نمی کند، به خصوص هنگامی که فقط مقدار کمی ازجسم باقی مانده است (حلال به اندازه ی کافی افزوده شده است)، امکان دارد که جسم جامد باقی مانده شامل ناخالصی های نامحلول باشد و در این صورت می توان آن ها را در مرحله ی صاف کردن محلول داغ جدا کرد.

اضافه کردن زغال رنگ بر

چنانچه در محلول ناخالصی های رنگین موجود باشد، (اغلب با افزایش کمی زغال رنگ به محلول داغ) نه در حال جوش می توان آن ها را خارج کرد. کربن رنگ بر یک زغال پودر با سطح وسیع بیش از 2000 متر مربع به ازای هر گرم زغال می باشد. زغال شامل پیوندهای چندگانه ی زیاد و تعدادی اتم ناجور می باشد. به ویژه اکسیژن به صورت گروه هیدروکسیل وجود دارد که ناخالصی ها به وسیله ی پیوندهای هیدروژنی به آن متصل می شود. جاذب ترین زغال از چوب ساخته شده است. ناخالصی ها به خصوص ناخالصی های رنگین در سطح ذرات زغال جذب و هنگام گذراندن محلول از صافی خارج می شوند. در صورتی که زغال به مقدار بسیار زیاد مصرف شود، مقداری از جسم موردنظر جذب می گردد. در نتیجه در این مرحله از بین می رود. پس از افزایش زغال، باید محلول را برای چند دقیقه درحال جوش حرارت داد. در این حال مخلوط جوشان را به صورت دایم هم زد یا چرخاند تا از جهش جلوگیری شود.

صاف کردن محلول داغ

برای خارج کردن ناخالصی های نامحلول (هم چنین گرد و خا ک و کربن رنگ بر در صورت مصرف) محلول داغ را به کمک جاذبه ی زمین صاف می کنند. اغلب می توان این مرحله را در صورت عدم وجود ناخالصی های نامحلول و شفاف بودن محلول حذف کرد. برای صا ف کردن محلول در یک ارلن دیگر باید از قیف شیشه ای ساقه کوتاه یا بدون ساقه و کاغذ صافی استفاده نمود.

تبلور

محلول داغ زیرصافی را در حرارت معمولی می گذارند تا آهسته سرد شود؛ در این حال تبلور صورت می گیرد. سرد کردن سریع محلول (به کمک فروبردن آن در آب یا به روش دیگر) مناسب نیست؛ زیرا بلورهای حاصل بسیار کوچک می شوند. در این حال سطح زیاد بلورها، جذب سطحی ناخالصی های محلول را آسان می کند. به طور معمول نباید هنگام سرد کردن محلول را هم زد؛ چون این عمل نیز باعث تشکیل بلورهای کوچک می شود. برعکس تشکیل بلورهای بسیار بزرگ (تقریبا بزرگ تر از دو میلی متر) ممکن است موجب محبوس شدن (به دام افتادن) محلول در داخل بلورها شود. خشک کردن چنین بلورهایی مشکل است و بعد از خشک شدن مقداری از ناخالصی ها را در خود نگه می دارند. چنانچه تشکیل بلورهای بزرگ مشاهده شود، برای کاهش اندازه ی متوسط آن ها، می توان محلول را هم زد. اندازه ی مناسب بلورها را می توان در نتیجه ی تجربه، آسانتر تشخیص داد. چنانچه پس از سرد کردن محلول، تبلور صورت نگیرد، می توان با افزایش بلور، محلول سیر شده تهیه کرد و تبلور را شروع نمود. برای این کار بلور کوچکی از جسم جامد اصلی را به محلول سرد می افزایند؛ با این عمل بلورها به سرعت تشکیل می شوند. روش دیگری که برای شروع تبلور به کار می رود آن است که با یک میله ی شیشه ای سطح داخل ظرف را در داخل محلول یا درست بالای آن خراش می دهند.

روش کار تبلور یک ماده ناخالص

3 گرم بنزوئیک اسید ناخالص را توزین و به یک بشر 250 میلی لیتر منتقل کنید. 30 میلی لیتر آب به این جامد بیفزایید و مخلوط را تا دمای جوش حرارت دهید. محلول نباید بجوشد. در قسمت های چند میلی لیتری به آن آب داغ اضافه کنید تا تمامی جامد سفیدرنگ حل شود. در حین افزودن آب داغ، دمای محلول را بالاتر از 90 درجه سانتی گراد نگه دارید. چه مقدار بیش تری آب مورد نیاز است؟ حجم آب استفاده شده را ثبت کنید. اگر تمام جامد سفیدرنگ حل شد ولی مخلوط حاصل رنگی است، مقدار کمی زغال رنگ افزوده و به مدت دو دقیقه بجوشانید. مخلوط داغ را از یک صافی عبور داده به یک ارلن منتقل نمایید. اگر بلورها در قیف و به هنگام صاف کردن تشکیل شد، در همان حال که مایع را بر روی صافی اضافه می کنید، محلول زیر صافی را حرارت دهید. پس از صاف شدن، محتویات ارلن را برداشته، باقی مانده ی روی صافی را دور بریزید. محتویات ارلن را به دو بخش تقسیم کنید؛ بخشی را در حمام یخ به سرعت سرد کرده، به بخش دیگر اجازه دهید تا به آرامی سرد شود. چه تفاوتی در شکل و اندازه ی بلورها مشاهده می کنید؟ پس از سرد شدن، هر دو بخش را در یخ سردقرار دهید و پس از ده دقیقه صاف کنید (قبل از صاف کردن، کاغذ صافی را توسط چند قطره حلال خیس کنید). بلورهای حاصل راپس از خشک شدن در جلسه بعدی توزین و درصد خالص سازی شده بدست آورید.

وسایل مورد نیاز: هیتر-استیرر، بشر 250 میلی لیتر، کاغذ صافی، ارلن مایر، قیف شیشه ای ساقه کوتاه یا بدون ساقه، استوانه مدرج، شیشه ساعت، قاشق

مواد مورد نیاز: 10 گرم بنزوئیک اسید،  100 میلی لیتر آب، مگنت، ماده ناخالص رنگی، کربن اکتیو، آب سرد، آب مقطر

بنزوئیک اسید ناخالص

شرح کار آزمایش:

روی یک هیتر- استیرر داخل یک بشری 10 گرم بنزوئیک اسید با 100 میلی لیتر آب که داخلش مگنت انداخته ایم بهش حرارت می دهیم (تا زمانی حرارت می دهیم که ماده موردنظر (بنزوئیک اسید) به طور کامل حل شود (بهتر است که ماده موردنظر در دمای جوش حلال حل شود)). بعد از آنکه بنزوئیک اسید به طور کامل حل شد، یک ماده ناخالص رنگی (رنگ قرمز) را اضافه می کنیم و منتظر میمانیم تا کاملا رنگ بگیرد؛ بهتر است این کار را زیر هود انجام دهیم تا خطر آن کمتر شود، یک مقدار باید زمان دهیم تا بنزوئیک اسید به طور کامل در آب حل شود (اگر دانه های بلور درشت بود و برای اینکه سریعتر حل شود می توانیم آن را داخل هاون بساییم که حالت پودری شود (چون سطح تماس افزایش پیدا می کند راحت تر داخل حلال حل می شود)، برای اینکه سریعتر حل شود یک مقدار آب را از داخل استوانه مدرج به درون بشر میریزیم تا بنزوئیک اسید حل شود. برای اینکه بتوانیم ناخالصی هایش را جدا کنیم میتوانیم از کربن اکتیو استفاده کنیم (حتی کربن اکتیو رنگ را هم می گیرد) اجازه می دهیم که بجوشد محلول به رنگ مشکی درمیاید و با قاشق یک مقدار هم می زنیم.

صاف کردن

صافی کاغذی را به حالت قیف درست می کنیم (دو تا قیف آماده می کنیم برای اینکه قرار است به دو حالت خنک کنیم: 1. در دمای محیط 2. با استفاده از آب سرد یا روی یخ که ببینیم شکل بلورها به چه صورتی می شود) و در حینی که روی حرارت است بلافاصله خنک می کنیم (چرا؟) برای اینکه دمای آن پایین بیاید بلافاصله ممکنه بنزوئیک اسید بر اثر سرمایی که بوده جامد شود (به صورت بلور شود) و روی صافی بماند و درصد تبلور مجدد ما را پایین بیاورد. قیف های کاغذی را داخل قیف های شیشه ای قرار داده و سپس داخل ارلن مایر گذاشته: 1. داخل یکی از قیف ها محلول بنزوئیک را ریخته بلافاصله از روی حرارت برمیداریم در دمای محیط می گذاریم تا خودش خنک شود ( اگر دقت کنیم یک مقدار رنگ نارنجی داخل محلول است که نشان می دهد مدت زمانی که روی هیتر- استیرر قرار داشته کم بوده و یا اینکه مقدار کربن اکتیوی که ریختیم کم بوده ولی با اینهمه رنگ آن را کم کرده است)، در این قیف خیلی سریع بنزوئیک اسید حتی نرسیده به داخل ظرف ارلن مایرجامد شده است. 2. آن یکی قیف را روی هیتر گذاشته و محلول را داخل آن می ریزیم و ظرف ارلن مایر را داخل ظرف آب سرد میگذاریم.

انواع بلورها:

1- برفی شکل: ارلن اولی که در محیط گذاشتیم؛ بلور تشکیل شده به صورت برفی شکل است.

2- سوزنی شکل: ارلن دوم که از روی هیتر داخل ظرف آب سرد گذاشتیم؛ بلور به شکل سوزنی است.

                               

تبلورسوزنی شکل

تبلور برفی شکل

بنزوئیک اسید خالص (بلور کریستالی یا سوزنی شکل)

در ارلن دوم می بینیم که رسوب ها روی دیوارهای ارلن نشسته(این یعنی اول رنگ نارنجی که وجود دارد فقط داخل آب است و اگر آن را باز هم صاف کنیم رنگ نارنجی داخل آن وجود ندارد).

** فقط جهت آزمایش، رنگی را اضافه کردیم که توسط کربن اکتیو از بین برود و میخواستیم نشان دهیم که می توانیم ناخالصی ها را به این شکل از بین ببریم. در کار جدی باید مطمئن باشید که شما می توانید ناخالصی را که وجود دارد با کربن اکتیو حذف کنید، آیا واقعا میشود؟ اگر می شود از آن استفاده کنید، در غیراینصورت از آن استفاده نکنید. شما می توانید زئونید هم استفاده کنید؛ حالا کربن اکتیو معمولا برای هر ناخالصی استفاده می شود ولی شما باید موارد دیگر را موردبررسی قرار دهید.

صاف کردن و وزن کردن

از قبل، ما باید وزن کاغذ صافی را بدانیم و بعد آن ها را صاف کنیم، بعد از اینکه صاف شد؛ می گذاریم خشک شود و بعد از آن وزنش می کنیم که مشاهده کنیم از 10 گرم بنزوئیک اسیدی که استفاده کردیم، چقدر بنزوئیک اسید باقی مانده است و متوجه می شویم که ناخالصی های داخل بنزوئیک اسید چقدر بوده است.

مواد داخل دو قیف را درون صافی خالی می کنیم و بعد از صافی، شست و شو باید انجام دهیم تا مطمئن شویم که هر ناخالصی که وجود داشته از بین رفته باشد و برای شستن؛ آب مقطر خنک ریخته (نباید داغ باشد) (چرا؟) چون دوباره بنزوئیک اسید را در خودش حل می کند و شسته می شود و خارج می شود. پس آب مقطرخنک را داخل ارلن ها ریخته و آن را داخل قیف می ریزیم و آب داخل ارلن را خالی می کنیم و بنزوئیک اسیدی را که با تبلور مجدد در قیف هست را می بینیم؛ آن را خالص سازی می کنیم، می گذاریم خشک شود و وزن می کنیم. درصد نوبلور شدن را به دست می آوریم که البته باید مجدد آن را بشوییم که در آن دیگر کربن اکتیو مشکی رنگ و رنگ نارنجی را نبینیم.

نتیجه گیری: تبلور مجدد یکی از رو شهای معمولی برای خالص سازی است . این روش شامل حل نمودن بلورهای ناخالص در یک حلال مناسب داغ و سپس سرد نمودن محلول می باشد. سرد نمودن باعث تشکیل بلورهای محصول با شکل ها و آرایش های بسیار جالب و زیبا می شود و ناخالصی ها در حلال سرد به صورت محلول باقی می ماند.

سوالات مطرح شده:

1- هدف از تبلور مجدد، به دست آوردن ماده ی خالص با حداکثر بازدهی است. هر یک از موارد زیر چه تأثیری در رسیدن به این هدف دارند:
الف) مصرف حجم زیاد غیر ضروری از حلال در مرحله ی انحلال:

جواب: میزان حلال در انحلال پذیری بنزوئیک اسید موثر است ولی بهتر است که به میزان لازم حلال اضافه کنیم، مصرف حجم زیاد حلال اون هم غیر ضروری تاثیری روی بازدهی ندارد.

ب) تسریع تبلور با قراردادن ظرف حاوی محلول داغ در آب یخ:

جواب: اصلا مناسب نیست؛ زیرا بلورهای حاصل بسیار کوچک می شوند. در این حال سطح زیاد بلورها، جذب سطحی ناخالصی های محلول را آسان می کند و باعث کاهش بازدهی می شود.

ج) استفاده از حداقل حلال جوشان:

جواب: به مخلوط جوشان کم کم حلال بیش تر اضافه می کنند تا حلال جوشان فقط به اندازه ی کافی، برای حل کردن جسم موجود باشد. پس استفاده حداقلی از حلال جوشان برای افزایش بازدهی مناسب است.

2- در تبلور مجدد یک جسم ناخالص :
الف) استفاده از حلال سرد به هنگام حل نمودن ماده ی ناخالص چه تأثیری دارد؟ 

جواب: چنانچه پس از سرد کردن محلول، تبلور صورت نگیرد، می توان با افزایش بلور، محلول سیر شده تهیه کرد و تبلور را شروع نمود. برای این کار بلور کوچکی از جسم جامد اصلی را به محلول سرد می افزایند؛ با این عمل بلورها به سرعت تشکیل می شوند.

ب) حذف مرحله ی شست و شو بلورها با حلال تازه ی سرد قبل از خشک کردن آن ها، چه تأثیری در میزان بازیابی ماده خالص در تبلور مجدد دارد؟

جواب: شست و شو باید انجام دهیم تا مطمئن شویم که هر ناخالصی که وجود داشته از بین رفته باشد، چون اگر ناخالصی باشد؛ میزان بازیابی ماده خالص پایین می آید. پس حذف مرحله شست و شو تاثیر نامناسبی روی میزان بازیابی ماده خالص در تبلور مجدد می گذارد.