2.9　沉淀與過濾

2.9.1　沉淀

沉淀是指利用化學(xué)反應(yīng)生成難溶性物質(zhì)的過程。生成的難溶性沉淀物質(zhì)通常也簡稱沉淀。沉淀有時(shí)是所需要的產(chǎn)品，有時(shí)是欲除去的雜質(zhì)。在化學(xué)分析中，可利用沉淀反應(yīng)，使待測組分生成難溶化合物沉淀析出，以進(jìn)行定量測量。在物質(zhì)的制備中，可通過選用適當(dāng)?shù)某恋韯瑢⒖扇苄噪s質(zhì)轉(zhuǎn)變成難溶性物質(zhì)再加以除去的方法來精制粗產(chǎn)物。

無論出于何種目的產(chǎn)生的沉淀，都需與母液分離開來，并加以洗滌。

根據(jù)沉淀過程的目的和生成物的性質(zhì)不同，可采用不同的沉淀?xiàng)l件和操作方式。例如，有些沉淀反應(yīng)要求在熱溶液中進(jìn)行；為使沉淀完全，多數(shù)沉淀反應(yīng)需要加入過量的沉淀劑等。

沉淀操作通常在燒杯中進(jìn)行，為了得到顆粒較大、便于分離的沉淀，應(yīng)在不斷攪拌下慢慢滴加沉淀劑。操作時(shí)，一手持玻璃棒充分?jǐn)嚢瑁硪皇钟玫喂艿渭映恋韯喂芸谝咏芤旱囊好妫悦馊芤簽R出。

檢查是否沉淀完全時(shí)，需將溶液靜置，待沉淀下沉后，沿杯壁向上層清液中滴加1滴沉淀劑，觀察滴落處是否出現(xiàn)混濁。如不出現(xiàn)混濁即表示沉淀完全，否則應(yīng)補(bǔ)加沉淀劑至檢查沉淀完全為止。

2.9.2　過濾與過濾方法

過濾是分離沉淀物和溶液的最常用操作。當(dāng)溶液和沉淀的混合物通過濾器（如濾紙）時(shí)，沉淀物留在濾器上，溶液則通過濾器，所得溶液稱為濾液。溶液過濾速率快慢與溶液溫度、黏度、過濾時(shí)的壓力以及濾器孔隙大小、沉淀物的性質(zhì)有關(guān)。一般來說熱溶液比冷溶液易過濾，溶液黏度愈大過濾愈難。抽濾或減壓過濾比常壓過濾快。濾器的孔隙愈大過濾愈快。沉淀的顆粒細(xì)小容易通過濾器，但濾器孔隙過小，易在濾器表面形成一層密實(shí)濾層，堵塞孔隙使過濾難以進(jìn)行。膠狀沉淀的顆粒很小，能夠穿過濾器，一般都要設(shè)法事先破壞膠體的生成。在進(jìn)行過濾時(shí)必須考慮到上述因素。

濾紙是實(shí)驗(yàn)室中最常用的濾器，它有各種規(guī)格和類型。國產(chǎn)濾紙從用途上分定性濾紙和定量濾紙。定量濾紙已經(jīng)用鹽酸、氫氟酸、蒸餾水洗滌處理過，它的灰分很少，故又稱無灰濾紙，用于精密的定量分析中。定性濾紙的灰分較多，只能用于定性分析和分離之用。濾紙按孔隙大小分為“快速”“中速”“慢速”三種，按直徑大小又有7cm、9cm、11cm等幾種。國產(chǎn)濾紙的規(guī)格見表2-9。

2.9.2.1　固液分離方法

固液分離應(yīng)用十分廣泛，在化工生產(chǎn)中占有重要地位。實(shí)驗(yàn)室中固液分離有三種方法。

（1）傾析法分離沉淀

當(dāng)沉淀的顆粒或密度大，靜置后能沉降至容器底時(shí)，可以利用傾析方法將沉淀與溶液進(jìn)行快速分離。具體說就是先將溶液與沉淀的混合物靜置，不要攪動(dòng)，使沉淀沉降完全后，將沉淀上層的清液小心地沿玻璃棒傾出，而讓沉淀留在容器內(nèi)，如圖2-72所示。

（2）離心分離沉淀

在離心試管中進(jìn)行反應(yīng)時(shí)，生成的沉淀量很少，用離心分離方法最為方便。離心分離使用離心機(jī)。如圖2-73所示，使用時(shí)，把盛有混合物的離心管（或小試管）放入離心機(jī)的套管內(nèi)，對面放一支同樣大小的試管，試管內(nèi)裝有與混合物等體積的水，以保持平衡。然后慢慢啟動(dòng)離心機(jī)，逐漸加速。離心時(shí)間根據(jù)沉淀性狀而定，結(jié)晶形沉淀轉(zhuǎn)速大約為1000r·min^-1，離心時(shí)間為1～2min；無定形沉淀轉(zhuǎn)速約為2000r·min^-1，離心時(shí)間為3～4min。

由于離心作用，沉淀緊密地聚集于離心試管的尖端，上面的溶液是澄清的，可用滴管小心地吸出上方清液，如圖2-74所示，也可將其傾出。如果沉淀需要洗滌可加入少量洗滌劑，用玻璃棒充分?jǐn)噭?dòng)，再進(jìn)行離心分離，如此反復(fù)操作兩三遍即可。

使用離心機(jī)必須注意以下幾點(diǎn)。

①為了防止旋轉(zhuǎn)中碰破離心試管，離心機(jī)的套管底部應(yīng)墊棉花或海綿。

②保持旋轉(zhuǎn)中對稱和平衡。

③啟動(dòng)要慢。

④關(guān)閉離心機(jī)電源開關(guān)，使離心機(jī)自然停止。在任何情況下，不得用外力強(qiáng)制停止。

⑤電動(dòng)離心機(jī)轉(zhuǎn)速很高，應(yīng)注意安全。

2.9.2.2　過濾方法

過濾一般分為常壓過濾、減壓過濾、熱過濾。

（1）常壓過濾

實(shí)驗(yàn)室常壓過濾使用玻璃漏斗。漏斗中內(nèi)襯濾紙，主要用于對沉淀進(jìn)行分離，是重量分析和分離操作中常用的玻璃儀器。漏斗主要有長頸漏斗、短頸漏斗和波紋漏斗三種。長頸漏斗主要用于重量分析中的分離，短頸漏斗主要用于一般沉淀的過濾和分離，波紋漏斗一般用于膠體的過濾和分離。

濾紙按其用途分為定性濾紙和定量濾紙兩類。定量濾紙又名無灰濾紙，用稀鹽酸和氫氟酸處理過，其中大部分無機(jī)雜質(zhì)都可以被除去，每張濾紙灼燒后的灰分常小于0.1mg，在對沉淀進(jìn)行高溫灼燒后稱量時(shí)，濾紙灰分的質(zhì)量對沉淀質(zhì)量的影響可忽略不計(jì)，用于重量分析中。定性濾紙則不然，主要用于對一般沉淀的分離，不能用于重量分析。濾紙按濾速的大小可分為快速型、中速型和慢速型三類。根據(jù)直徑大小，濾紙的規(guī)格有7cm、9cm、11cm、12.5cm。

圖2-75是標(biāo)準(zhǔn)的長頸漏斗。過濾前選取一張濾紙對折兩次（如濾紙是正方形的，此時(shí)將它剪成扇形），撥開一層即成內(nèi)角為60°的圓錐體（與漏斗吻合），并在三層一邊撕去一個(gè)小角，使其與漏斗緊密貼合，如圖2-76所示。放入漏斗的濾紙，其邊緣應(yīng)低于漏斗邊沿0.3～0.5cm。然后左手拿漏斗并用食指按住濾紙，右手拿塑料洗瓶，擠出少量蒸餾水將濾紙潤濕，并用潔凈的手指輕壓，擠盡漏斗與濾紙間的氣泡，以使過濾通暢。

將貼好濾紙的漏斗放在漏斗架上，并使漏斗頸下部尖端緊靠于接收容器的內(nèi)壁。然后即可用傾析法過濾，如圖2-77所示。過濾時(shí)，將靜置沉降完全的上層清液沿玻璃棒傾入漏斗中（傾析法過濾），液面應(yīng)低于濾紙邊緣1cm。待溶液濾至接近完成再將沉淀轉(zhuǎn)移到濾紙上過濾。這樣就不會(huì)因沉淀物堵塞濾紙孔隙而減慢過濾速率。沉淀轉(zhuǎn)移完畢，從洗瓶中擠出少量蒸餾水，淋洗盛放沉淀的容器和玻璃棒，洗滌液全部轉(zhuǎn)入漏斗中。圖2-78列出了一些常見的錯(cuò)誤操作。

濾紙的選擇使用：在重量分析中選用定量濾紙，一般固液分離用定性濾紙。根據(jù)沉淀的性質(zhì)選擇濾紙類型，如Fe₂O₃·nH₂O為膠狀沉淀需選用“快速”濾紙；MgNH₄PO₄為粗晶形沉淀，選用“中速”濾紙；BaSO₄為細(xì)晶形沉淀選用“慢速”濾紙。在大小的選擇上，對于圓形濾紙，選取半徑比漏斗邊高度小0.5～1cm的恰好合適；對方形濾紙應(yīng)取邊長比漏斗邊高度的二倍小1～2cm的。一般要求沉淀的總體積不得超過濾紙錐體高度的1/3。

（2）減壓過濾

減壓過濾是抽走過濾介質(zhì)上面的氣體，形成負(fù)壓，借大氣壓力來加快過濾速率的一種方法。減壓過濾裝置由布氏漏斗、吸濾瓶、安全緩沖瓶、真空抽氣泵（或抽水泵）組成，如圖2-79所示。布氏（Buchner）漏斗是中間具有許多小孔的瓷質(zhì)濾器，漏斗頸上配裝與吸濾瓶口徑相匹配的橡膠塞子，塞子塞入吸濾瓶的部分，一般不得超過1/2。吸濾瓶是上部帶有支管的錐形瓶，能承受一定壓力，可用來接收濾液。吸濾瓶的支管用橡膠管與安全瓶短管相連。安全瓶用來防止出現(xiàn)壓力差使自來水倒吸進(jìn)吸濾瓶，使濾液受到污染。如果濾液不回收，也可不用安全瓶。減壓系統(tǒng)就是真空抽氣泵，最常用的是水泵，又叫水沖泵，有玻璃制品和金屬制品兩種，如圖2-80所示。泵內(nèi)有一窄口，當(dāng)水流急劇流經(jīng)窄口時(shí)，水將被膠管連接的吸濾瓶中的空氣帶走，使吸濾瓶內(nèi)的壓力減小。

減壓過濾的操作：將濾紙剪得比布氏漏斗直徑略小，但又能把全部瓷孔都蓋住；把濾紙平放入漏斗，用少量蒸餾水或所用溶劑潤濕濾紙，微開水龍頭，關(guān)閉安全瓶活塞，濾紙便緊吸在漏斗上（同樣可用傾析法將濾液和沉淀轉(zhuǎn)移到漏斗內(nèi)）；開大水龍頭進(jìn)行抽濾，注意沉淀和溶液加入量不得超過漏斗總?cè)萘康?/3，一直抽至濾餅比較干燥為止，必要時(shí)可用干凈的瓶塞、玻璃釘?shù)染o壓沉淀，盡可能除去溶劑。過濾完畢，先打開安全瓶活塞，再關(guān)水龍頭。

減壓過濾裝置不用水泵，直接與真空水閥連接，更為方便。在某些實(shí)驗(yàn)中，要求有較高的真空度，通常用真空泵來抽取氣體，使裝置減壓或成真空狀態(tài)。真空泵的種類很多，實(shí)驗(yàn)室多用比較簡單的機(jī)械真空泵（簡稱機(jī)械泵），它是旋片式油泵，如圖2-81所示。整個(gè)機(jī)件浸沒在飽和蒸氣壓很低的真空泵油中，真空泵油起封閉和潤滑作用。

真空泵使用注意事項(xiàng)如下。

①開始抽氣時(shí)，要斷續(xù)啟動(dòng)電機(jī)，觀察轉(zhuǎn)動(dòng)方向是否正確，在明確無誤時(shí)才能正式連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)。

②泵正常工作溫度須在75℃以下，超過75℃要采取降溫措施，如用風(fēng)扇吹風(fēng)。

③運(yùn)轉(zhuǎn)中應(yīng)注意有無噪聲。正常情況下，應(yīng)有輕微的閥片起閉聲。

④停泵時(shí)，先將泵與真空系統(tǒng)斷開，打開進(jìn)氣活塞，然后停機(jī)。

⑤使用真空泵的過程中，操作人員不能離開。如泵突然停止工作或突然停電，要迅速將真空系統(tǒng)封閉并打開進(jìn)氣活塞。

⑥機(jī)械泵不能用于抽有腐蝕性、對泵油起化學(xué)反應(yīng)或含有顆粒塵埃的氣體，也不能直接抽含有可凝性蒸氣（如水蒸氣）的氣體，若要抽出這些氣體，要在泵進(jìn)口前安裝吸收瓶。

減壓過濾速率較快，沉淀抽吸得比較干，但不宜用于過濾膠狀沉淀或顆粒很細(xì)的沉淀。具有強(qiáng)氧化性、緩酸性、強(qiáng)堿性溶液的過濾，會(huì)與濾紙作用而破壞濾紙，因此常用石棉纖維、玻璃布、的確良布等代替。對于非強(qiáng)堿性溶液也可用玻璃坩堝或砂芯漏斗過濾。玻璃坩堝（又稱砂芯坩堝）和砂芯漏斗的濾片都是用玻璃砂在600℃左右燒結(jié)成的多孔玻璃片，如圖2-82所示，根據(jù)孔徑大小有G1、G2、G3、G4、G5、G6六種規(guī)格，號碼愈大，孔徑愈小。

減壓過濾常見的錯(cuò)誤操作如圖2-83所示。

（3）熱過濾

當(dāng)需要除去熱濃溶液中的不溶性雜質(zhì)，而在過濾時(shí)又不致析出溶質(zhì)晶體時(shí)，常采用熱過濾法。這種情況一般選用短頸漏斗或無頸漏斗，先將漏斗放在熱水、熱溶劑或烘箱中預(yù)熱后，再將溶液倒入漏斗中進(jìn)行過濾。為了達(dá)到最大的過濾速率常采用褶紋濾紙，折疊方法如圖2-84所示。

從圖2-84（a）折到圖2-84（c）將已折成半圓形的濾紙分成八個(gè)等份，再如圖2-84（d）將每份的中線處來回對折（注意折痕不要集中在頂端的一個(gè)點(diǎn)上）。

如果過濾的溶液量較多，或溶質(zhì)的溶解度對溫度極為敏感易析出結(jié)晶時(shí)，可用保溫（熱濾）漏斗過濾，其裝置如圖2-85所示。它是把玻璃漏斗放在金屬制成的外套中，底部用橡膠塞連接并密封，也有用鋼制的夾套熱漏斗，使用時(shí)夾套內(nèi)充水約2/3，水太多，加熱后可能溢出。

（4）洗滌

晶體或沉淀過濾后，為了除去固體顆粒表面的母液和雜質(zhì)就必須洗滌。

洗滌一般都是結(jié)晶和沉淀的后續(xù)操作，顆粒大或密度大的沉淀或結(jié)晶容易沉降，一般用傾析法洗滌。具體做法是將沉降好的沉淀和溶液用傾析法將溶液傾入過濾器之后，向沉淀中加入少量洗滌液（一般是蒸餾水），用玻璃棒充分?jǐn)嚢瑁缓箪o置，待沉降完全后，將清液用傾析法傾出（視需要傾入過濾器中，或棄之），沉淀仍留在燒杯內(nèi)，重復(fù)以上操作3～4次，即可將沉淀洗凈。

有時(shí)也直接在過濾漏斗中洗滌。當(dāng)用玻璃漏斗過濾時(shí)，從濾紙邊緣稍下部位開始，螺旋形向下移動(dòng)，用洗滌液將附著在濾紙的沉淀沖洗下來集中在濾紙的錐體底部，反復(fù)多次直至將沉淀洗凈，如圖2-86所示。洗滌時(shí)對于水中溶解度大或易于水解的沉淀，不宜用水而應(yīng)用與沉淀具有同離子的溶液洗滌，這樣可以減少沉淀的損失。在非水為洗滌劑的操作中，要根據(jù)實(shí)際情況選擇恰當(dāng)?shù)南礈煲骸?/p>

圖2-86　沉淀的洗滌

沉淀洗滌所使用洗滌劑的量應(yīng)本著少量多次的原則。洗滌次數(shù)要視要求和沉淀性質(zhì)而定，在進(jìn)行定量分析時(shí)，有時(shí)需要洗十幾遍。洗滌是否達(dá)到要求，可通過檢查濾液中有無雜質(zhì)離子為依據(jù)。