河北
錢明安
人教版化學《必修1》第一章“從實驗學化學”第一節(jié)開篇介紹了過濾、蒸發(fā)、蒸餾、萃取、分液等分離和提純混合物的方法。以此為基礎奠定了實驗是高中化學學習的一種基本方法的基調,同時,也指明了分離提純是物質獲取和制備工藝的重要環(huán)節(jié)。
奧蘇泊爾認為,無論是客體的知識結構,還是主體的認知結構,都具有縱橫聯(lián)系的性質,因而提出了綜合貫通的原則。該原則有助于教師根據(jù)學生認知結構的特點來設計教學內容、安排教學序列,從而有助于學生對知識的學習和保持、遷移和應用。由于混合物分離提純的方法多種多樣,且零散分布在不同年級教材和不同的章節(jié)中,因此,在高三總復習過程中,教師需要將其綜合連貫在一起進行梳理和考量。對比其中的原理,把握各自的操作特征,促進學生形成系統(tǒng)分析“混合物分離提純”的視角和思路,引導學生建構分離提純混合物方案設計的思維模型。
本文結合一些實例,就典型的分離提純方法做一歸納,找出它們與沸點、密度、溶解性及聚集態(tài)等物理性質之間的關聯(lián),闡述它們的適用條件,以期幫助學生克服死記硬背,增強處理綜合實驗或工業(yè)流程中有關分離提純環(huán)節(jié)問題的能力。
蒸餾,是利用液體混合物中各組分沸點的差別,加熱液體混合物使之部分汽化,又將蒸氣冷凝為液體,從而實現(xiàn)其所含組分的分離。
人教版化學《必修1》第7頁講述了蒸餾的基本原理,并從使用自來水制取蒸餾水實驗入手獲得蒸餾操作的直接經(jīng)驗?!侗匦?》第75頁生成乙酸乙酯實驗涉及了酯的蒸出,第90頁結合海水資源利用講述了海水蒸餾原理,第96頁介紹了石油的分餾,將蒸餾原理的應用推向高潮?!哆x修5》在“研究有機物的一般步驟和方法”中,進一步總結了蒸餾原理和適用條件,并進行了“含有雜質的工業(yè)乙醇的蒸餾”實驗,熟悉蒸餾基本操作步驟,真正認識到蒸餾是液體混合物分離、純化的有效手段。
例1.(2013海南,20題節(jié)選)高純硅是現(xiàn)代信息、半導體和光伏發(fā)電等產(chǎn)業(yè)都需要的基礎材料。工業(yè)上提純硅有多種技術路線,其中一種工藝流程示意圖及主要反應如下:
發(fā)生的主要反應電弧爐SiO2+2C1 600^1 800℃Si+2CO↑流化床反應器Si+3HCl250^300℃SiHCl3+H2還原爐SiHCl3+H21 100^1 200℃Si+3HCl
(1)用石英砂和焦炭在電弧爐中高溫加熱也可以生產(chǎn)碳化硅,該反應的化學方程式為______________;碳化硅又稱________,其晶體結構與__________相似。
(2)在流化床反應的產(chǎn)物中,SiHCl3大約占85%,還有SiCl4、SiH2Cl2、SiH3Cl等,有關物質的沸點數(shù)據(jù)如下表,提純SiHCl3的主要工藝操作依次是沉降、冷凝和 。
物質SiSiCl4SiHCl3SiH2Cl2SiH3ClHClSiH4沸點/℃2 35557.631.88.2-30.4-84.9-111.9
分析:在提純SiHCl3的工藝操作中,“沉降”針對的是處于懸浮流動狀態(tài)下的固體Si,“冷凝”則使蒸氣產(chǎn)物液化,因液化后的SiHCl3中混有SiCl4等雜質,故可利用它們沸點的不同進行蒸餾。
(2)精餾(或蒸餾)
人教版《必修1》第一章第一節(jié)第8頁就以從實驗走進化學世界的思想,介紹了萃取的概念、儀器以及操作方法和步驟。《必修2》中為驗證I2、Br2的生成使用了CCl4萃取?!哆x修5》第一章第四節(jié)又進行了萃取的再學習,以分類的角度敘述了液- 液萃取和固- 液萃取。至此,大多數(shù)學生應該能夠很好地理解萃取的原理、類型和應用。
液- 液萃取,是利用溶質在兩種互不相溶的兩相之間溶解度或分配比的不同,并形成一定密度差來達到提取和分離目的的一種操作。它既上得廳堂,如我國化學家“稀土之父”徐光憲的萃取理論和成果,又能下得廚房,如沸水泡茶、浸取植物油等。教材也敘述了“萃取在天然香料、藥物的提取及核燃料的處理等技術中得到的廣泛應用”,這些恰恰濃縮了萃取的價值所在。萃取是通過少量的溶劑將“喜歡的對象”從一種復雜的混合體系中定向轉移到相對簡單的體系中,既是一種選擇的操作,也是一種富集的過程,為下一步分離出純凈物打下基礎。萃取與其他分離溶液組分的方法相比,優(yōu)點在于常溫操作,節(jié)省能源,操作方便,尤其表現(xiàn)在以下方面,通常是有利的。①多離子的分離,如礦物浸取液的分離和凈制,若加入化學試劑分步沉淀,不但分離質量差,而且伴隨過濾操作,損耗也大;②溶液各組分的沸點相近,甚至形成共沸物,為精餾所不能奏效的情況;③低濃度高沸點物質的分離,若用蒸餾法則能耗高。
萃取的逆過程是反萃取。萃取劑一般是有機溶劑,反萃(取)劑則為無機溶液。反萃取就是用反萃(取)劑使被萃取物從負載有機相返回水相的過程。反萃(取)劑主要起破壞有機相中被萃組分結構的作用,使被萃組分生成易溶于水的化合物,或生成既不溶于水也不溶于有機相的沉淀,經(jīng)過反萃取及所得反萃液經(jīng)過進一步處理后,便得到被分離物的成品。反萃取后經(jīng)洗滌不含或少含萃合物的有機相稱再生有機相,可繼續(xù)循環(huán)使用。反萃取法也是一種分離方法,雖游離教材之外,但也在學生理解范圍之內。
例2.(2015浙江,29題節(jié)選)某學習小組按如下甲、乙兩種實驗方案實驗流程探究碘的制取。
請回答:
(1)①分液漏斗使用前須檢漏,檢漏方法為_______________________________。
②步驟X中,萃取后分液漏斗內觀察到的現(xiàn)象是____________________。
③下列有關步驟Y的說法,正確的是___________________。
A.應控制NaOH溶液的濃度和體積
B.將碘轉化成離子進入水層
C.主要是除去海帶浸取原液中的有機雜質
D.NaOH溶液可以由乙醇代替
④實驗(二) 中操作Z的名稱是_______。
(2)方案甲中采用蒸餾不合理,理由是___________________________________________。
分析:含I2的CCl4溶液提取I2,方案甲為蒸餾法,也是2006年四川卷26題提供的答案。目前大部分教師在教學中也都認可這種答案,這個答案到底正確與否?I2的沸點雖然是184.35℃,但當溫度在45~77℃就會完全升華,而CCl4的沸點是76.8℃,在加熱蒸餾過程中,溶質碘和溶劑如影相隨地一同被蒸餾出來,僅有少量I2留在燒瓶中,在客觀存在的實驗事實面前,證明常壓蒸餾不能有效分離I2- CCl4(減壓至3×103Pa蒸餾沒有共沸現(xiàn)象,I2和CCl4可以分離,但操作復雜成本高)。2015年浙江高考命題時大概從此出發(fā),“引導”學生回答采用蒸餾法不合理的理由,以糾正在中學化學教學中的“流行性感冒”似的認識。
改換思路,如果我們能夠控制好步驟Y中NaOH以及下一步操作中H2SO4溶液的濃度和體積,則可得到碘泥,進而采用升華法提取出純碘。
CCl4萃取I2后因為共沸不能蒸餾分離,但如果我們就認準蒸餾分離法了,有辦法嗎?有,我們可以釜底抽薪更改萃取劑,乙醚的沸點只有34.6℃,實驗證明乙醚萃取I2后可以在45℃以下蒸餾分離出I2來。
答案:(1)①向分液漏斗中加入少量水,檢查旋塞處是否漏水;將漏斗倒轉過來,檢查玻璃塞是否漏水 ②液體分上下兩層,下層呈紫紅色 ③AB ④過濾
(2)主要由于碘易升華,會導致碘的損失
過濾是利用物質的溶解性差異將液體和不溶于液體的固體分離開來的過程,是義務教育階段的一個啟蒙實驗,也是高中化學各本教材中出現(xiàn)次數(shù)最多的分離方法,是伴隨重結晶、加入沉淀劑或調節(jié)溶液pH使雜質離子沉淀等分離提純過程的一步操作。
例3.(2015安徽,27題節(jié)選)硼氫化鈉(NaBH4)在化工等領域具有重要的應用價值,某研究小組采用偏硼酸鈉(NaBO2)為主要原料制備NaBH4,其流程如下:
已知:NaBH4常溫下能與水反應,可溶于異丙胺(沸點:33℃)。
第②步分離采用的方法是_________;第③步分出NaBH4并回收溶劑,采用的方法是_________。
分析:根據(jù)題干中給出的“已知”信息,可知步驟②加入了異丙胺,使產(chǎn)物NaBH4(s)溶解其中形成“溶液”,而“固執(zhí)”的Na2SiO3依然是固態(tài),說明它不溶于異丙胺中,所以步驟②分離的方法應為過濾。目標產(chǎn)品NaBH4溶于異丙胺內,可利用異丙胺沸點低的性質采用蒸餾的方法將其分離出來,隨著異丙胺的不斷蒸出,燒瓶內逐步析出NaBH4晶體,這與NaCl水溶液的蒸發(fā)結晶有相似之處。
答案:過濾 蒸餾
人教版高中化學《必修2》第90頁“海水資源的利用”一欄中提及電滲析法是海水淡化的一種方法,但無具體內容?!哆x修6》第16頁介紹了以半透膜為標志的滲析分離方法,例舉了在膠體除雜中的應用。
利用半透膜的選擇透過性來分離直徑大小不同的溶質粒子的方法叫做滲析;以陰、陽離子交換膜為電解質隔膜,以電位差為推動力,使溶質帶電粒子定向遷移的滲析稱為電滲析。離子交換膜是選擇透過性膜,陽離子可以透過陽離子交換膜,陰離子可以透過陰離子交換膜,從而實現(xiàn)溶液淡化或濃縮、精制或純化的目的。滲析法已廣泛應用于食品、醫(yī)藥、生物、化工、水處理、廢液的處理與貴重金屬的回收等領域,現(xiàn)成為當今分離科學中最重要的手段之一。
例4.工業(yè)品氫氧化鉀的溶液中含有某些含氧酸根雜質,可用離子交換膜法電解提純。電解槽內裝有陽離子交換膜(只允許陽離子通過),其工作原理如圖所示:
(1)該電解槽的陽極反應式是____________。
(2)通電開始后,陰極附近溶液pH會增大,原因是____________________。
(3)除去雜質后的KOH溶液從溶液出口______(填“A”或“B”)導出。
(2)H2O電離出來的H+放電,促進水的電離,c(OH-)增大
(3)B
點評:工業(yè)品KOH中含氧酸根如何脫出,傳統(tǒng)的方法是加入電解質沉淀法,但存在試劑過量引入新的雜質離子等缺點。電場力推動陰、陽離子分別向著陽、陰極定向移動,離子交換膜具有選擇性分離功能,這樣電解技術和膜技術集成完成了混合物的除雜和提純。
結晶是利用混合物中各成分在同一種溶劑里溶解度的不同或在冷熱情況下溶解度顯著差異加以分離的操作方法。因為只有同類粒子才能排列成晶體,也就是說只要有結晶形成,表明化合物純度達到了很高的程度,所以結晶法是精制固體化合物的重要方法之一。
初次析出的結晶往往不純,將不純的晶體溶于溶劑以后,又重新從溶液中結晶的過程叫重結晶。若待分離純化的物質溶解度為陡升型,先將其用適量水溶解,然后蒸發(fā)濃縮該溶液(濃縮的程度視雜質的含量和溶解度而定),最后將濃縮后的溶液冷卻,在冷卻過程中由于溶液過飽和,從而“推動”該物質重新結晶出來。由于雜質含量少,未必達到飽和狀態(tài),故全部(或大部分)留在溶液中。如果雜質在溶劑中的溶解度極小,則可在蒸發(fā)濃縮溶液后趁熱過濾將不溶性雜質除去。
例5.(2014山東,32題改編)工業(yè)上用重鉻酸鈉(Na2Cr2O7)結晶后的母液(含少量雜質Fe3+)生產(chǎn)重鉻酸鉀(K2Cr2O7)。工藝流程及相關物質溶解度曲線如圖:
(1)向Na2Cr2O7母液中加堿液調pH的目的是為了除去Fe3+,如何確定母液中Fe3+已除盡?___________。
(2)母液Ⅰ的溶質主要為_________(填化學式);固體B主要為_________(填化學式)。
(3)流程中要得到母液Ⅲ和固體A的操作為蒸發(fā)濃縮、__________,原因是__________。
答案:(1)向上層澄清母液繼續(xù)滴加堿液,若不產(chǎn)生紅褐色沉淀則母液中Fe3+已除盡
(2)Na2Cr2O7K2Cr2O7
(3)趁熱過濾 減少K2Cr2O7因降溫析出而損失
點評:溶質的溶解度特征,既表現(xiàn)在溶解度的大小,也表現(xiàn)在溶解度隨溫度的變化。有的物質的溶解度隨著溫度的升高而增加,溶解過程中吸收熱量,稱為正溶解度。有的物質的溶解度隨著溫度的升高而降低,溶解過程中放出熱量,稱為逆溶解度。了解物質的溶解度特性,有助于結晶方法的選擇。對溫度變化敏感的物質可選用變溫結晶法分離,對溫度變化緩慢的物質可選用蒸發(fā)結晶法分離。