第二单元物质的获取 人类在长期的生产活动中,积累了很多从自然界直接或间接获取物质的经验,前者如 食盐的晒制和提纯;后者如金属冶炼、酒的酿造等。随着科学技术水平的提高和对新物质 需求的增长,人类在不断从自然界中发现和提取新的化学物质的同时,又根据需要合成出 许多天然产物的替代品,或者合成出自然界中原来并不存在的物质。 在获取物质的过程中,无论是直接从原料中提取,还是经过化学反应过程合成制备 都需要利用分离、提纯等技术。 思砉与交流 1.在以前的化学课程中,我们做过水的净化和粗盐提纯的实验,其中使用了哪些分 离方法?分别利用了物质的什么性质?如要进一步除去食盐中的钙、镁、硫酸盐等杂质, 又需利用哪些反应,及哪些实验方法? 2.据史实记載,酿酒(乙醇含量10%左右)始于新石器时代后期,烈性酒大约出现 在11-~12世纪,而酒精则直到16世纪才制得。你能推测其中的原因吗? 目前人类发现和合成的化学物质已经超过2000多 万种,并且新化学物质的数目正以每天5000~7000种 的速度增加着①。其中人工合成的化学物质所占的比例 越来越大。 通过化学分析和仪器分析可以揭示物质的组成和 结构,使我们对物质结构与性质的认识达到分子原子 水平。通过化学合成可以获得与天然产物完全相同的 物质,并为该物质的工业化生产奠定基础。如染料 药物和橡胶的认识与发展史就是这一过程的最好证明。 更重要的是,这种分子原子水平上的认识,还提供了 通过改变物质的组成和结构获得新物质的可能性。 图21侯德榜(1890-1974) 根据物质的组成与化学性质,利用简单的仪器装1942年,我国化学家侯德榜通过实验 置,经历或多或少的反应步骤,我们可以通过分子成功改进了制备纯碱的方法,采用侯氏制碱 间的相互反应,得到我们所需要的物质。当我们将法为化工行业的发展和祖国制碱工业做出 堆废铁屑转变为晶莹美丽的莫尔盐晶体时,就可了不朽的功绩 ①数子来源于美国2004 CAS Catalog( Access to the World' s Scientific research) 第二单元物质的获取13
以感受到科学的力量,而这种力量就掌握在你 手中。 本单元我们除了要在以前所学基础上,再学习 些分离、提纯物质的技术之外,还要学习通过化 学反应合成物质的思路和方法,并利用这些知识 方法和技术,探讨、解决一些实际问题。通过提 取、合成,使物质由复杂变简单,或从简单到复 图22结晶牛胰岛素 杂,废物得到利用,化腐朽为神奇,这就是化学实 965年,中国科学院生物化学研究所,有 验的魅力所在。 机化学研究所、北京大学化学系等单位协作、 合成了具有生理活性的牛胰岛素结晶,这是世界 上首次在实验室用化学方法合成的蛋白质 课题一物质的分离和提纯 获取纯净物的分离方法随着科学技术的进步而发展 着。从酒的蒸馏到石油的分馏,从过滤分离到膜分离①,蒸馏 distillation 尽管近代分离技术已经与传统的蒸馏、过滤、萃取等有很过滤 filtration 大的差异,所用设备的效率与功能也远非实验室简单仪器萃取 extraction 所能比拟,但是在原理上是相通的。 在前面的化学课程的学习中,我们已经接触过一些分离、提纯物质的方法。 思砉与交流 1.在下表中,请列举你所用过或知道的分离、提纯物质的方法,及该方法的适用条 件、操作要点等。 表21分离、提纯物质的常用方法 分离方法 适用条件 所需仪器 操作要点 2.从加热KCIO和MnO混合物制取氧气的残渣中,如何获得纯净的KC|和MnO2? ①见本课题后“科学视野” 14“第二单元物质的获取
3.在设计上述混合物分离的实验方案时,你用到了哪些方法?选择这些方法的依据 是什么? 选择分离、提纯的方法首先应掌握混合物中各物质的性质,包括物理性质和化学性 质。不同物质在某些性质上的差异,如沸点、密度、溶解度、状态等是所有分离技术的基 础。本课题中我们学习的层析和渗析两种分离方法,就分别利用了混合物不同组分溶解性 和粒子大小上的差异。 、层析法 层析法 chromatography 思砉与交流 现有FeCl和CuCl2的混合溶液,可以采用什么方法将他们分离? 层析法也称色层法,是分离、提纯和鉴定物质的重要方法之一,这种方法最初源于对 有色物质的分离,因而又称为色谱法。后来,随着各种显色、鉴定技术的引入,其应用范 围早已扩展到无色物质。 层析法有许多种类,但基本原理是一致的,即利用待分离混合物中各组分在某一物质 (称作固定相)中的亲和性差异,如吸附性差异、溶解性(或称分配作用)差异,让混合物溶 液(此相称作流动相)流经固定相,使混合物在流动相和固定相之间进行反复吸附或分配等 作用,从而使混合物中的各组分得以分离。层析法可以进一步分为纸上层析、柱层析和薄 层层析等。 纸上层析要求流动相溶剂对分离物质有适当的溶解度,太大,待分离物质会随流动相 跑到前沿;太小,则会留在固定相附近,分离效果不好。因此,要根据待分离物质的性质 选择合适的流动相。通常,对于能溶于H2O的待分离物质,以吸附在滤纸上的H2O作为 固定相,以与H2O能混合的有机溶剂(如醇类)作流动相。 实践活动 444,4 在一条滤纸离末端约2cm处用铅笔画“×”作记号,用毛细管 玻璃管拉制而成)在记号处滴一滴饱和的FeCl和CuCl2的混合溶 液(体积比1:1),晾干再滴,重复三次,要求试样留下的斑点直径 保持在0.5cm以内。将滤纸用大头针固定在橡胶塞上 装置如图23所示,大试管中盛有10mL丙酮和6mol/L盐酸 (体积比9:1)的混合溶剂。把滤纸条末端浸入溶剂中,注意样品斑图23纸上层析分离F 点不能接触溶剂。塞上橡胶塞,静置。待溶剂扩散到滤纸上端时,取 下滤纸,放在一盛有浓氨水的试剂瓶口处,用氨气熏,观察实验现象。 课题一物质的分离和提纯15
可以看到,滤纸上端出现红棕色,红棕色的下方出现蓝色。红棕色是Fe”与氨水作 用生成的Fe(OH)2的颜色,蓝色是Cu2+与氨水生成的铜氨络离子[Cu(NH)4]+的颜色。 这说明混合物中的Fe+和Cu2+已经分开了 资料 利用纸上层析鉴定物质 在一定条件下,不同的化合物在滤纸上以不同的速度移动,通常用距离表示移动的位置, 称之为比移率。比移率(R)的计算公式是: R一素宝人餐 中心的距离 中心的距离 当温度、滤纸质量和流动相都相同时,每种化合物的R都是一个特定的常数,因此可用 作物质鉴定的依据。由于影响R(的因素很多,实验数据往往与文献记載不完全相同,鉴定未 知物时,常用标准样品在同一张滤纸上点样,做对照实验。 渗析 如图2-4所示,海水通过高分子膜之后变成了淡水, 是由于该高分子膜让水通过,而不让盐通过,从而使水与净析 dialysis 盐分离。这种有选择地让某些物质通过的膜叫半透膜。类 似现象在生活中也能见到,如鸡蛋放在食盐水中浸泡一段时间后就会成为咸鸡蛋,这说明 NaCl能通过蛋壳进入鸡蛋,而蛋白和蛋黄则不能通过蛋壳渗出来。实际上蛋壳的内膜也 是一种有选择地让某些物质通过的半透膜。利用半透膜可以达到分离、提纯某些物质的 目的。 制的攒 加压 淡水 海水 图24膜分离淡化海水示意图 16第二单元物质的获取
实践活动 淀粉胶体和 如图25所示,把10mL淀粉胶体和5 mL NaCl溶液 NaC溶液 的混合溶液,加入用半透膜制成的袋内,将此袋浸入蒸馏 半透膜 蒸馏水 水中。几分钟后,取烧杯中的少量液体分置于两支试管内, 向两支试管里分别滴加硝酸银溶液和碘水。观察现象。 图25渗析分离实验 实验表明烧杯中的液体里含有氯离子,而不含有淀粉分子。为什么氯离子可以通过半 透膜而淀粉分子不能通过半透膜呢?因为所用半透膜的孔径较小,只有小分子或离子才能 通过,而胶粒或其他大分子不能通过。利用半透膜的性质,我们可以分离大分子与小分子 组成的混合物,这种分离方法称之为渗析。 在生产和科学研究实践中,单独使用某一种方法往往不能很好地达到分离、提纯的目 的,一般是几种方法配合使用。在选择分离、提纯物质的方法时,我们通常要注意以下几 点:(1)不得引人新杂质;(2)不损失或很少损失被提纯的物质;(3)所涉及的反应要完 全;(4)方法简单、所使用仪器常见;(5)所用试剂经济、易得。 随着科技水平的提高,新的特效分离、提纯方法不断出现,分离已成为一门跨越多个 学科的新技术领域。 利字视野 新的分离技术——膜分离技术 膜分离技术是现代化学工业中常用的一种分离技术,它的基本原理是利用天然或 人工合成的、具有选择透过性的薄膜,以外界能量或化学位差(浓度差、电位差、温 度差、压力差等)为推动力,对两种组分或多种组分的混合物进行分离、提纯或富集 的方法。膜的作用类似于筛子,它优先允许某种组分通过,而对其他组分起着类似 于过滤一样的截留作用,从而达到分离或浓缩的目的。渗析就是一种利用浓度差进 行分离的膜分离方法。膜分离技术既可应用于液体混合物的分离,也可应用于气体 混合物的分离。 膜分离技术与传统分离技术相比,具有耗能低、适用对象广泛、分离过程和设备简 单、选择性高等特点,能应用于液-固、液液、气气及溶液的分离。膜分离技术应用很 广,例如分离氢和氘、污水处理,以及由空气制备富氧混合物等。膜分离是大有前途的分 离技术之一 实验2-1纸上层析分高甲基橙和酚酞 实验目的 1.了解纸上层析的实验原理。 2.掌握用纸上层析分离混合物的方法。 课题一物质的分离和提纯