2.8　固體物質的溶解、固液分離、蒸發和結晶

在化合物制備、提純過程中，常用到溶解、過濾、蒸發（濃縮）和結晶（重結晶）等基本操作。

2.8.1　固體物質的溶解

溶解固體物質通常分4個步驟進行。

①研細固體　除非固體試劑或固體物質已經足夠細，或者極易溶解，否則必須先將固體物質用研缽研細后再倒入燒杯中進行溶解。

②加入溶劑　在擬訂方案時，用于溶解固體物質的溶劑其種類和用量都應先予以確定。選用溶劑時，除了要考慮待溶物質在其中的溶解度之外，還要考慮在后續過程中易于處理而又不致引入難以除去的雜質。溶劑的用量應以能使固體粉末完全溶解而又不致過量太多為宜（必要時應根據固體在操作溫度下的溶解度及固體的量進行估算）。把準備好的溶劑沿玻璃棒加入燒杯中。

③攪拌溶解　攪拌可以加速溶解過程。用玻璃棒攪拌時，應手持玻璃棒并轉動手腕，使攪拌棒在溶液中均勻地轉圈子，不要用力過猛，用微力使玻璃棒在容器中部的液體中均勻攪拌，使固體與溶劑充分接觸而溶解，不要使攪拌棒碰到器壁上，以免發出響聲，損壞容器。

④必要時加熱　在大多數情況下，加熱可加速固體物質的溶解。采用直接加熱還是間接加熱取決于物質的熱穩定性。應該注意的是對于熱分解溫度小于100℃的物質，不能采用直接加熱的方法，只能用水浴加熱。

2.8.2　固、液分離及沉淀洗滌

常用的固、液分離方法有傾析法、過濾法和離心分離。

2.8.2.1　傾析法

當沉淀的密度較大或結晶的顆粒較大，靜置后能沉降至容器底部時，可用傾析法進行沉淀的分離和洗滌。具體作法是把沉淀上部的溶液傾入另一容器內，然后往盛著沉淀的容器內加入少量洗滌液，充分攪拌后，沉降，傾去洗滌液。如此重復，即可把沉淀洗凈，使沉淀與溶液分離。

2.8.2.2　過濾法

要徹底分離固體和溶液，最常用的操作方法是過濾法。過濾時沉淀留在過濾器上，溶液通過過濾器而進入容器中，所得溶液叫做濾液。

溶液的黏度、溫度、過濾時的壓力、過濾器孔隙的大小和沉淀物的狀態都會影響過濾的速度。溶液的黏度越大，過濾越慢。熱溶液比冷溶液容易過濾。減壓過濾比常壓過濾快。過濾器的孔隙要合適，太大時會透過沉淀，太小時則過濾速度較慢。沉淀呈膠狀時，需加熱破壞后方可過濾?？傊?，過濾時，可根據過濾的目的和要求選擇過濾器的種類，視沉淀顆粒的大小、狀態及溶液的性質而選用合適的過濾器和過濾方式。選擇方法如下。

①根據沉淀物顆粒的粗細，選用型號不同的濾紙、濾板和濾膜，以沉淀物不穿濾為原則，盡可能選擇濾速快的濾器或濾材。

②中性、弱酸性、弱堿性溶液，可以用濾紙過濾分離。強酸、強堿和強氧化性溶液不能用濾紙過濾分離。

③強酸（除氫氟酸外）或強氧化性溶液，可以用玻璃砂芯坩堝（或漏斗）過濾分離，但強堿性溶液不能用玻璃砂芯濾器過濾。

④當沉淀物顆粒極細甚至是膠狀物，難以取得良好的過濾效果時，可以采用離心分離法。

常用的過濾方法共有三種：常壓過濾、減壓過濾和熱過濾。

（1）常壓過濾

此法最簡便和常用，只需普通漏斗和濾紙即可進行。

普通漏斗大多是玻璃材質，但也有搪瓷、塑料的，分長頸和短頸兩種。

化學實驗室中常用的有定量分析濾紙和定性分析濾紙兩種，按過濾速度和分離性能的不同，又分為快速、中速和慢速三種。濾紙外形有圓形和方形兩種。常用的圓形濾紙有ф7cm、ф9cm、ф11cm等規格，濾紙盒上貼有濾速標簽。方形濾紙都是定性濾紙，有60cm×60cm、30cm×30cm等規格。定量濾紙又稱為無灰濾紙。以直徑12.5cm定量濾紙為例，每張濾紙的質量約1g，在灼燒后其灰分的質量不超過0.1mg（小于或等于常量分析天平的感量），在重量分析法中可以忽略不計。

①濾紙的選擇　在實驗過程中，應當根據沉淀的性質和數量，合理地選用濾紙。例如對于BaSO4等晶形沉淀，應選用孔隙小的慢速濾紙；而對Fe（OH）3等無定形沉淀，則應選用孔隙大的快速濾紙。濾紙的大小應根據沉淀量的多少而定。沉淀的體積應低于紙容積的1/3。此外還應跟漏斗相適應，一般濾紙放入漏斗后，其邊緣應低于漏斗口0.5～1.0cm。

②濾紙的折疊與安放　用干燥潔凈的手采用四折法折疊濾紙，即按圖2-36所示，先將濾紙對折，然后再對折，但不要折死。打開形成圓錐體后，放入潔凈漏斗中，試其與漏斗壁是否密合。如果濾紙與漏斗不十分密合，可稍稍改變濾紙折疊的角度，直到與漏斗密合為止。此時可把第二次折邊折死。

為了使漏斗與濾紙之間貼合而無氣泡，可將三層厚的外層撕去一角（此小塊濾紙保留，用于擦洗燒杯）。用食指把濾紙按在漏斗的內壁上，用水潤濕，趕盡濾紙與漏斗壁之間的氣泡。

然后向漏斗中加蒸餾水至幾乎達到濾紙邊。這時漏斗頸應全部被水充滿，而且當濾紙上的水已全部流盡后，漏斗頸中的水柱仍能保留。如形不成水柱，可以用手指堵住漏斗下口，稍稍掀起濾紙的一邊，向濾紙和漏斗間加水，直到漏斗頸及錐體的大部分全被水充滿，并且頸內氣泡完全排出。然后把紙邊按緊，再放開下面堵住出口的手指，此時水柱即可形成。在過濾和洗滌過程中，借助水柱的抽吸作用可使濾速明顯加快。

對于較大量的溶液或需要快速過濾時，可采用折疊式濾紙，其折疊方法如圖2-37所示。先將圓形濾紙對折成半圓［見圖2-37（a）］，再按圖2-37（b）所示的順序將半圓折成8等份（折痕凸面都保持在同一面）。隨后沿每等份的平分線來回對折（折時，折痕不要都集中在頂端的一個點上），得一扇形［見圖2-37（c）］。將折好的扇形展開成為“半圓”［見圖2-37（e）］，便得到可放入漏斗使用的折疊濾紙。

③沉淀的過濾和轉移　過濾操作多采用傾析法［見圖2-38（a）］，即待燒杯中的沉淀靜置沉降后，將上面的清液傾入漏斗內。讓沉淀盡可能留在燒杯內，然后再加少量洗滌液于燒杯中，攪起沉淀進行充分洗滌，再靜置澄清，然后再傾出上層清液，這樣既可加速過濾，不致使沉淀堵塞濾紙，又能使沉淀得到充分的洗滌。

操作時，溶液應從燒杯尖口處沿玻璃棒流入漏斗中，而玻璃棒的下端對著三層濾紙處，但不要觸到濾紙。傾入的溶液液面至濾紙邊緣約0.5cm處，應暫停傾注，以免沉淀因毛細作用越出濾紙邊緣，造成損失。當停止傾注時，將燒杯嘴沿玻璃棒慢慢向上提起，使燒杯直立，再將玻璃棒放回燒杯中，以免杯嘴處的液滴流失。注意玻璃棒勿靠在杯嘴處，以免杯嘴上的少量沉淀黏附在玻璃棒上。

當清液傾析完畢，即可在燒杯內將沉淀作初步洗滌。再用傾析法過濾，如此重復3～4次。

初步洗滌后，即可進行沉淀的定量轉移。為了把沉淀轉移到濾紙上，先用少量洗滌液把沉淀攪起，并立即將懸浮液轉移到濾紙上，然后用洗瓶沖下杯壁和玻璃棒上的沉淀，再進行轉移。如此重復幾次，一般可將絕大部分沉淀轉移到濾紙上。殘留少量沉淀，按圖2-38（b）所示的吹洗方法全部轉移干凈。即用左手拿住燒杯，玻璃棒放在杯嘴上，以食指按住玻璃棒，燒杯嘴朝向漏斗傾斜，玻璃棒下端指向濾紙三層部分，右手持洗瓶吹出液流沖洗燒杯內壁，沉淀連同溶液沿玻璃棒流入漏斗中。注意：這一步最容易引起沉淀灑濺，造成損失，一定要規范操作。

④沉淀的洗滌　沉淀完全轉移至濾紙上后，在濾紙上進行最后洗滌，用洗瓶吹出細小緩慢的液流，從濾紙上部沿漏斗螺旋式向下吹洗，如圖2-39所示，使沉淀集中到濾紙錐體的底部直到沉淀洗凈為止。注意：洗滌時切勿將洗滌液沖在沉淀上，否則容易濺出。

洗滌的目的是為了洗去沉淀表面所吸附的雜質和殘留的母液，獲得純凈的沉淀。為了提高洗滌效率，盡量減少沉淀的溶解損失，洗滌應遵循“少量多次”的原則，即總體積相同的洗滌液，應盡可能分多次洗滌，每次使用少量洗滌液（沒過沉淀為度），待沉淀瀝干后，再進行下一次洗滌。洗滌數次后，用潔凈的表面皿或試管接取一些濾液，選擇靈敏的定性反應來檢驗沉淀是否洗凈（注意：接取濾液時勿使漏斗下端觸及濾器中的濾液）。

選用什么樣的洗滌劑洗滌沉淀，應根據沉淀的性質而定。

對難溶的無機晶形沉淀，可用冷的稀沉淀劑洗滌，利用洗滌劑產生的同離子效應，可降低沉淀的溶解量；但若沉淀劑為不易揮發的物質，則只好用水或其溶劑來洗滌。對無機非晶形沉淀，需用熱的電解質溶液為洗滌劑，以防止產生膠溶現象，多數采用易揮發的銨鹽作洗滌劑。對溶解度較大的沉淀，可采用沉淀劑加有機溶劑來洗滌，以降低沉淀的溶解度。

（2）減壓過濾

減壓過濾也稱吸濾法過濾或抽吸過濾，簡稱抽濾。此法可加速過濾，并把沉淀抽吸得較干燥，但不適合過濾膠狀沉淀和顆粒太細的沉淀，因為膠狀沉淀在快速過濾時易透過濾紙，顆粒太細的沉淀易在濾紙上形成一層密實的沉淀，使溶液不易透過。

減壓過濾裝置由布氏漏斗、吸濾瓶、抽氣管（水泵）、水循環泵或電動真空泵等組成。減壓過濾裝置如圖2-40所示。

減壓過濾操作時，需掌握五個要點：①抽濾用的濾紙應比布氏漏斗的內徑略小一些（濾紙邊緣距漏斗壁1～2mm），但又能把瓷孔全部蓋沒；剪濾紙時，不能將濾紙折疊，因折疊處在減壓過濾時很容易透濾；②布氏漏斗端的斜口應該面對吸濾瓶的支管，以避免減壓過濾時，濾液被吸入濾瓶支管口；③將濾紙放入漏斗并用蒸餾水潤濕后，打開水泵，先抽氣使濾紙貼緊，然后通過玻璃棒向漏斗內轉移溶液，注意加入溶液的量不能超過漏斗容積的2/3；④在停止過濾時，應先打開安全瓶的二通閥或先拔去連接吸濾瓶的橡膠管，再關水泵；⑤洗滌沉淀時（如果固體量較大，可先在燒杯中初步洗滌），應暫停抽濾，加入洗滌劑使沉淀剛好被其沒過為宜，用玻璃棒或不銹鋼刮刀攪松沉淀（勿把濾紙捅破），再開啟水泵，直至沉淀抽干。如此重復2～3次，就可把濾餅洗滌干凈。

抽濾完畢，先拔掉橡膠管，再關水泵，用玻璃棒或藥勺輕輕掀起濾紙邊緣，或取下布氏漏斗倒扣在表面皿上，輕輕拍打漏斗以取下濾紙和沉淀。倒出濾液時，注意由吸濾瓶上口傾出，不能從支管倒出。

對于強酸性、強堿性及強腐蝕性溶液，可用尼龍布或微孔玻璃漏斗（或坩堝）過濾，但其不適合過濾堿性太強的物質。

微孔玻璃漏斗、坩堝及抽濾裝置分別示于圖2-41～圖2-43。此種過濾器皿的濾板是用玻璃粉末在高溫熔結而成。按照微孔的孔徑，由大到小分為六級：G1～G6（或稱1號至6號）。1號的孔徑最大（80～120μm），6號的孔徑最?。?μm以下）。在定量分析中一般用G3～G6規格（相當于慢速濾紙過濾細晶形沉淀）。使用此類濾器時，需用抽氣法過濾。不能用微孔玻璃漏斗和坩堝過濾強堿性溶液，因強堿液會損壞漏斗或坩堝的微孔。

（3）熱過濾

如果溶液中的溶質在溫度下降時容易析出大量結晶，而又不希望它在過濾過程中留在濾紙上，這時就要趁熱進行過濾。熱過濾有普通熱過濾和減壓熱過濾兩種。普通熱過濾是將普通漏斗放在銅質的熱漏斗內（見圖2-44），銅質熱漏斗內裝有熱水，以維持必要的溫度。為了加快過濾速度，常使用折疊式濾紙。對于易燃溶液，應先加熱夾套，待熄滅明火后，再開始過濾。

減壓熱過濾采用布氏漏斗或玻璃砂芯漏斗。過濾前應將漏斗放在水浴上以熱水或蒸汽預熱（見圖2-45），或放入烘箱內預熱（預熱時應將橡膠塞取下），抽濾前用熱溶劑潤濕濾紙，然后快速完成過濾操作。

在進行熱過濾操作時，準備要充分，動作要迅速。

2.8.2.3　離心分離

離心分離法是一種快速分離固體和液體的方法，需要借助電動離心機（見圖2-46）或高速冷凍離心機來完成。

使用電動離心機時應注意如下事項。

①離心機應放在堅實、平整的臺面上。

②將待分離的物料放在離心管內再放入離心機的塑料套管中，放置的位置要對稱，質量要平衡。否則，離心機將劇烈震動而損壞機件。

③使用時應將蓋子蓋好。

④應先將變速旋鈕旋至轉速最小處再接通電源。然后逐漸旋轉變速旋鈕，使轉速由小變大，直到所需要的轉速（所需的轉速和離心的時間由沉淀的性質而定）。

⑤關機時應讓其自然停止，不能用手強制停止轉動。

若要分離由沉淀反應生成的少量沉淀物時，反應可直接在離心試管中進行。操作時，應逐滴加入試劑，待反應完全后再離心分離。離心沉降后，沉淀緊密聚集于離心試管底部的尖端，上層離心液應為清澈透明溶液。

移出離心液時，可將離心液傾入另一離心試管中，或用滴管徐徐吸出離心液。在用滴管吸溶液時，必須先用手指捏緊滴管的膠頭，將滴管慢慢伸入離心液中（切勿插入溶液后再捏膠頭）；然后慢慢放松膠頭，使離心液吸入滴管中；取出滴管，將清液放入另一離心試管中。

如果沉淀需要洗滌，可以加入少量洗滌劑，用玻璃棒充分攪拌后，再進行離心分離，棄去清液。重復上述操作，直至沉淀洗凈為止。

2.8.3　蒸發

為使溶解在較大量溶劑中的溶質從溶液中分離出來，常采用蒸發和結晶的方法。在蒸發過程中，溶劑不斷被揮發除去，當溶質在溶液中處于過飽和狀態時便結晶出來，經固-液分離處理后得到該溶質的結晶。

溶液的蒸發和濃縮有常壓加熱蒸發和降壓蒸發兩種。

常壓蒸發一般在蒸發皿（或燒杯）中進行，其溶液的體積不應超過蒸發皿容積的2/3。在無機制備、提純實驗中，蒸發、濃縮一般在水浴上進行。若溶液很稀，物質對熱的穩定性又比較好時，可將蒸發皿放在鐵環上用火直接（或放在石棉網上）加熱，蒸發濃縮時，溶液不應劇烈地沸騰，否則容易濺出。

蒸發濃縮的程度與溶質溶解度的大小和對晶粒大小的要求以及有無結晶水有關。若物質的溶解度隨溫度變化不大，為了獲得較多的晶體，應在結晶析出后繼續蒸發。若物質在高溫時溶解度很大而在低溫時變小，又分為兩種情況：若物質的溶解度大時，應蒸發至溶液表面出現晶膜（液面上漂浮一層固體），冷卻即可析出晶體；若物質的溶解度小，則不必蒸發至出現晶膜，就可冷卻結晶。某些結晶水合物在不同溫度下析出時，所帶結晶水的數目不同，制備此類化合物時應注意要滿足其結晶條件?？傊苜|的溶解度越大，要求的晶粒越小，晶體又不含結晶水，蒸發、濃縮的時間要長些，蒸得要干一些。反之則短些、稀些。

在定量分析中，常通過蒸發來減少溶液的體積，而又保持不揮發組分不致損失。蒸發時容器上要加蓋表面皿，容器與表面皿之間應墊以玻璃鉤，以便蒸汽逸出。應當小心控制加熱溫度，以免因暴沸而濺出試樣。

用蒸發的方法還可以除去溶液中的某些組分。如驅氧、驅趕H2O2，加入硫酸并加熱至產生大量SO3白煙時，可除去Cl- 、等。

2.8.4　結晶與重結晶

（1）結晶

當溶質含量超過其溶解度時，其晶體從溶液中析出的過程稱為結晶。結晶是提純固態物質的重要方法之一。

通常有兩種方法：一種是蒸發法，即通過蒸發減少一部分溶劑，使溶液達到飽和而析出晶體。此法主要用于溶解度隨溫度改變而變化不大的物質（如氯化鈉）；另一種是冷卻法，即通過降低溫度使溶液冷卻達到飽和而析出晶體。此法主要用于溶解度隨溫度下降而明顯減小的物質（如硝酸鉀）。有時需將這兩種方法結合使用。

當溶液發生過飽和現象時，可以通過振蕩容器、用玻璃棒攪動或輕輕摩擦器壁，或投入幾粒晶體（晶種），促使晶體析出。

析出晶體的顆粒大小往往與結晶條件有關。若溶液的濃度較高，溶質的溶解度較小，而冷卻速度較快，那么析出的晶體顆粒就較細小；反之，若將溶液慢慢冷卻或靜置，則可得到較大顆粒的晶體。晶體顆粒太小，雖然晶體包含的雜質少，但由于表面積大而吸附雜質多；而晶體顆粒太大，則在晶體中會夾雜母液，難于干燥。實際操作中，常根據需要控制適宜的結晶條件，以得到大小合適的晶體顆粒。

（2）重結晶

重結晶是純化固體物質的重要手段之一。當第一次得到的晶體純度不合乎要求時，可將所得晶體溶于盡可能少的溶劑中使之成為飽和溶液，然后進行蒸發（或冷卻）、結晶、分離，這種操作稱為重結晶。它適用于溶解度隨溫度改變有顯著變化的物質的提純。無機化合物重結晶時通常是以水做溶劑，一般適用于提純雜質含量在5％以下的固體化合物。通常根據物質的純度要求，可以進行多次重結晶。注意每次操作的母液中都含有一些溶質，應收集起來適當處理，以提高產率。

有機化合物重結晶的一般過程包括：①溶劑的選擇，②固體的溶解，③脫色或除去不溶雜質，④析晶，⑤收集和洗滌晶體，⑥晶體的干燥。

2.8.5　升華

升華是提純固體化合物的方法之一。某些固體物質具有較高的蒸氣壓，在其熔點以下加熱，往往不經過液態而直接變成蒸氣，蒸氣遇冷，再直接變成固體，這個過程叫做升華。當具有較高蒸氣壓的物質中含有蒸氣壓較低的不揮發性雜質時，可以通過升華的方法來除去雜質，使固體混合物分離，達到產品精制的目的。

升華操作時間較長，得到的產品雖然純度較高，但損失也較大，而且要純化的固體物質必須在低于其熔點的溫度下具有高于2666.9Pa（20mmHg）的蒸氣壓，一般只適用于實驗室中少量物質（1～2g）的提純。

圖2-47是常壓下簡單的升華裝置。在蒸發皿上放置粉狀樣品，上面覆蓋一個直徑比它小的漏斗。漏斗頸用棉花塞住，以防止蒸氣逸出。蒸發皿和漏斗之間用一張穿有許多小孔（孔刺向上）的濾紙隔開，以避免升華得到的物質再落回蒸發皿中。操作時，用沙浴（或其他熱?。┘訜?，在低于熔點的溫度下，使樣品慢慢升華。較大量物質的升華可在燒杯中進行，如圖2-48所示，燒杯上放置一個通冷水的圓底燒瓶，使蒸氣在燒瓶的底部凝結成晶體，并附著在瓶底上。