2.8 蒸發和結晶
2.8.1 溶液的蒸發
含不揮發溶質的溶液，其溶劑在液體表面發生的汽化現象叫蒸發。從現象上看，蒸發就是用加熱方法使溶液中一部分溶劑汽化，從而提高溶液濃度或析出固體溶質的過程。溶液的表面積大、溫度高，溶劑的蒸氣壓大，則易蒸發。所以蒸發通常都在敞口容器中進行。
加熱方式根據溶質對熱的穩定性和溶劑的性質來選擇。對熱穩定的水溶液可直接用明火加熱蒸發；易分解或可燃的溶質及溶劑，要在水浴上加熱蒸發或讓其在室溫下蒸發。
在實驗室中，水溶液的蒸發濃縮通常在蒸發皿中進行。它的表面積大、蒸發速率快。蒸發皿中蒸發的液體量不得超過蒸發皿容積的2/3，以防液體濺出。液體過多，一次容納不下，可隨水分的不斷蒸發而不斷續加，或改用大燒杯來完成。溶液很稀時，可先放在石棉網或泥三角上直接用明火或電爐蒸發（溶液沸騰后改用小火），然后再放在水（蒸汽）浴上蒸發。
蒸發有機溶劑常在錐形瓶或燒杯中進行。視溶劑的沸點、易燃性選用合適的熱浴加熱，最常用的是水浴。有機溶劑蒸發濃縮要在通風櫥中進行，并要加入沸石等，防止暴沸。大量有機液體蒸發應考慮使用蒸餾方法。
在蒸發液體表面緩緩導入空氣流或其他惰性氣流，除去與溶液平衡的蒸氣可加快蒸發速率。也可用水泵或真空泵抽吸液體表面蒸氣，進行減壓蒸發，既能降低蒸發溫度又能達到快速蒸發的目的。
蒸發程度取決于溶質的溶解度、結晶對濃度的要求。當溶質的溶解度較大時，應蒸發至溶液表面出現晶膜；若溶質的溶解度較小或隨溫度的變化較大時，則蒸發到一定程度即可停止。如希望得到較大晶體，則不宜蒸發到濃度過大。強堿的蒸發濃縮不宜用陶瓷、玻璃等制品，應選用耐堿的容器。
用旋轉蒸發器（又叫薄膜蒸發器）進行蒸發濃縮，方便、快速，其構造如圖2-70所示。燒瓶在減壓下一邊旋轉，一邊受熱。由于溶液的蒸發過程主要在燒瓶內壁的液膜上進行，因而大大增加了溶劑蒸發面積。提高了蒸發效率。又因為溶液不斷旋轉，不會產生暴沸現象，不必裝沸石或毛細管，使得在實驗室中進行濃縮、干燥、回收溶劑等操作極為簡單。
圖2-70 旋轉蒸發器
1—夾子桿；2—夾子；3—座桿；4—轉動部分固定旋鈕；5—連接支架；6—夾子桿調正旋鈕；7—轉動部分角度調節旋鈕；8—轉動部分；9—調速旋鈕；10—水平旋轉旋鈕；11—升降固定套；12—聯軸節螺母；13—轉動部分電源線；14—升降調節手柄；15—底座；16—座桿固定旋鈕
2.8.2 結晶
物質從液態或氣態形成晶體的過程叫結晶。結晶的條件從溶解度曲線上（圖2-71）分析可知，溶解度曲線上任何一點（如A）都表示溶質（固相）與溶液（液相）處于平衡狀態，這時溶液是飽和溶液。曲線下方區域為不飽和溶液，曲線上方區域為過飽和溶液。如A0代表的不飽和溶液恒溫（t1）蒸發溶劑，溶液的濃度變大，成為A1所表示的不穩定的過飽和狀態，即可自發析出晶體使溶液濃度變成A0點所示的溶液。A所示的溶液從t1降低溫度至t2，因溶解度減小，使溶液成為飽和溶液如B點所示，再降溫至t3，溶液成為B1所示的不穩定過飽和溶液，自發析出晶體使溶液濃度成為C所示的飽和溶液。
圖2-71 結晶原理
以上就是結晶的兩種方法，一種是恒溫或加熱蒸發，減少溶劑，使溶液達到過飽和而析出結晶，一般適用于溶解度隨溫度變化不大的物質如NaCl、KCl等。另一種是通過降低溫度使溶液達到過飽和而析出晶體，這種方法主要適用于溶解度隨溫度下降而顯著減小的物質，如KNO3、NaNO3等。如果溶液中同時含有幾種物質，原則上可利用不同物質溶解度的差異，通過分步結晶將其分離，NaCl和KNO3混合物分離則是一個例子。
從溶液中析出晶體的純度與結晶顆粒大小有直接關系。結晶生長快速，晶體中不易裹入母液或其他雜質，有利于提高結晶的純度。大晶體慢速生成，則不利于提高純度。但是，顆粒過細或參差不齊的晶體能形成稠厚的糊狀物，不易過濾和洗滌，也會影響產品純度。因此通常要求結晶顆粒大小要適宜和均勻。
結晶顆粒大小與結晶條件有關。溶液濃度高、溶質溶解度小、冷卻速率快、某些誘導因素（如攪拌、投放晶體）等，容易析出細小的結晶，反之可得較大的晶體。有時，某些物質的溶液已達到一定的過飽和程度，仍不析出晶體，此時可用攪拌、摩擦器壁、投入“晶種”等方法促使結晶。
為了得到純度較高的結晶，將第一次所得的粗晶體，重新加溶劑加熱溶解后再結晶，這就是重結晶。重結晶是固體純化的重要技巧之一，為了得到純粹的預期產品，一般重結晶的原料物中的雜質含量不得高于5%，溶解粗晶體的溶劑量一般是先加入計算量加熱至沸，再添加已加入量的20%左右。
對有機化合物來說，冷卻溫度與結晶速率有一個經驗規律：體系溫度大約比待結晶物質的熔點低100℃時，晶核形成最多；體系溫度低于待結晶物質的熔點50℃時，結晶速率最快。