2.8　固体物质的溶解、固液分离、蒸发和结晶

在化合物制备、提纯过程中，常用到溶解、过滤、蒸发（浓缩）和结晶（重结晶）等基本操作。

2.8.1　固体物质的溶解

溶解固体物质通常分4个步骤进行。

①研细固体　除非固体试剂或固体物质已经足够细，或者极易溶解，否则必须先将固体物质用研钵研细后再倒入烧杯中进行溶解。

②加入溶剂　在拟订方案时，用于溶解固体物质的溶剂其种类和用量都应先予以确定。选用溶剂时，除了要考虑待溶物质在其中的溶解度之外，还要考虑在后续过程中易于处理而又不致引入难以除去的杂质。溶剂的用量应以能使固体粉末完全溶解而又不致过量太多为宜（必要时应根据固体在操作温度下的溶解度及固体的量进行估算）。把准备好的溶剂沿玻璃棒加入烧杯中。

③搅拌溶解　搅拌可以加速溶解过程。用玻璃棒搅拌时，应手持玻璃棒并转动手腕，使搅拌棒在溶液中均匀地转圈子，不要用力过猛，用微力使玻璃棒在容器中部的液体中均匀搅拌，使固体与溶剂充分接触而溶解，不要使搅拌棒碰到器壁上，以免发出响声，损坏容器。

④必要时加热　在大多数情况下，加热可加速固体物质的溶解。采用直接加热还是间接加热取决于物质的热稳定性。应该注意的是对于热分解温度小于100℃的物质，不能采用直接加热的方法，只能用水浴加热。

2.8.2　固、液分离及沉淀洗涤

常用的固、液分离方法有倾析法、过滤法和离心分离。

2.8.2.1　倾析法

当沉淀的密度较大或结晶的颗粒较大，静置后能沉降至容器底部时，可用倾析法进行沉淀的分离和洗涤。具体作法是把沉淀上部的溶液倾入另一容器内，然后往盛着沉淀的容器内加入少量洗涤液，充分搅拌后，沉降，倾去洗涤液。如此重复，即可把沉淀洗净，使沉淀与溶液分离。

2.8.2.2　过滤法

要彻底分离固体和溶液，最常用的操作方法是过滤法。过滤时沉淀留在过滤器上，溶液通过过滤器而进入容器中，所得溶液叫做滤液。

溶液的黏度、温度、过滤时的压力、过滤器孔隙的大小和沉淀物的状态都会影响过滤的速度。溶液的黏度越大，过滤越慢。热溶液比冷溶液容易过滤。减压过滤比常压过滤快。过滤器的孔隙要合适，太大时会透过沉淀，太小时则过滤速度较慢。沉淀呈胶状时，需加热破坏后方可过滤。总之，过滤时，可根据过滤的目的和要求选择过滤器的种类，视沉淀颗粒的大小、状态及溶液的性质而选用合适的过滤器和过滤方式。选择方法如下。

①根据沉淀物颗粒的粗细，选用型号不同的滤纸、滤板和滤膜，以沉淀物不穿滤为原则，尽可能选择滤速快的滤器或滤材。

②中性、弱酸性、弱碱性溶液，可以用滤纸过滤分离。强酸、强碱和强氧化性溶液不能用滤纸过滤分离。

③强酸（除氢氟酸外）或强氧化性溶液，可以用玻璃砂芯坩埚（或漏斗）过滤分离，但强碱性溶液不能用玻璃砂芯滤器过滤。

④当沉淀物颗粒极细甚至是胶状物，难以取得良好的过滤效果时，可以采用离心分离法。

常用的过滤方法共有三种：常压过滤、减压过滤和热过滤。

（1）常压过滤

此法最简便和常用，只需普通漏斗和滤纸即可进行。

普通漏斗大多是玻璃材质，但也有搪瓷、塑料的，分长颈和短颈两种。

化学实验室中常用的有定量分析滤纸和定性分析滤纸两种，按过滤速度和分离性能的不同，又分为快速、中速和慢速三种。滤纸外形有圆形和方形两种。常用的圆形滤纸有ф7cm、ф9cm、ф11cm等规格，滤纸盒上贴有滤速标签。方形滤纸都是定性滤纸，有60cm×60cm、30cm×30cm等规格。定量滤纸又称为无灰滤纸。以直径12.5cm定量滤纸为例，每张滤纸的质量约1g，在灼烧后其灰分的质量不超过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计。

①滤纸的选择　在实验过程中，应当根据沉淀的性质和数量，合理地选用滤纸。例如对于BaSO4等晶形沉淀，应选用孔隙小的慢速滤纸；而对Fe（OH）3等无定形沉淀，则应选用孔隙大的快速滤纸。滤纸的大小应根据沉淀量的多少而定。沉淀的体积应低于纸容积的1/3。此外还应跟漏斗相适应，一般滤纸放入漏斗后，其边缘应低于漏斗口0.5～1.0cm。

②滤纸的折叠与安放　用干燥洁净的手采用四折法折叠滤纸，即按图2-36所示，先将滤纸对折，然后再对折，但不要折死。打开形成圆锥体后，放入洁净漏斗中，试其与漏斗壁是否密合。如果滤纸与漏斗不十分密合，可稍稍改变滤纸折叠的角度，直到与漏斗密合为止。此时可把第二次折边折死。

为了使漏斗与滤纸之间贴合而无气泡，可将三层厚的外层撕去一角（此小块滤纸保留，用于擦洗烧杯）。用食指把滤纸按在漏斗的内壁上，用水润湿，赶尽滤纸与漏斗壁之间的气泡。

然后向漏斗中加蒸馏水至几乎达到滤纸边。这时漏斗颈应全部被水充满，而且当滤纸上的水已全部流尽后，漏斗颈中的水柱仍能保留。如形不成水柱，可以用手指堵住漏斗下口，稍稍掀起滤纸的一边，向滤纸和漏斗间加水，直到漏斗颈及锥体的大部分全被水充满，并且颈内气泡完全排出。然后把纸边按紧，再放开下面堵住出口的手指，此时水柱即可形成。在过滤和洗涤过程中，借助水柱的抽吸作用可使滤速明显加快。

对于较大量的溶液或需要快速过滤时，可采用折叠式滤纸，其折叠方法如图2-37所示。先将圆形滤纸对折成半圆［见图2-37（a）］，再按图2-37（b）所示的顺序将半圆折成8等份（折痕凸面都保持在同一面）。随后沿每等份的平分线来回对折（折时，折痕不要都集中在顶端的一个点上），得一扇形［见图2-37（c）］。将折好的扇形展开成为“半圆”［见图2-37（e）］，便得到可放入漏斗使用的折叠滤纸。

③沉淀的过滤和转移　过滤操作多采用倾析法［见图2-38（a）］，即待烧杯中的沉淀静置沉降后，将上面的清液倾入漏斗内。让沉淀尽可能留在烧杯内，然后再加少量洗涤液于烧杯中，搅起沉淀进行充分洗涤，再静置澄清，然后再倾出上层清液，这样既可加速过滤，不致使沉淀堵塞滤纸，又能使沉淀得到充分的洗涤。

操作时，溶液应从烧杯尖口处沿玻璃棒流入漏斗中，而玻璃棒的下端对着三层滤纸处，但不要触到滤纸。倾入的溶液液面至滤纸边缘约0.5cm处，应暂停倾注，以免沉淀因毛细作用越出滤纸边缘，造成损失。当停止倾注时，将烧杯嘴沿玻璃棒慢慢向上提起，使烧杯直立，再将玻璃棒放回烧杯中，以免杯嘴处的液滴流失。注意玻璃棒勿靠在杯嘴处，以免杯嘴上的少量沉淀黏附在玻璃棒上。

当清液倾析完毕，即可在烧杯内将沉淀作初步洗涤。再用倾析法过滤，如此重复3～4次。

初步洗涤后，即可进行沉淀的定量转移。为了把沉淀转移到滤纸上，先用少量洗涤液把沉淀搅起，并立即将悬浮液转移到滤纸上，然后用洗瓶冲下杯壁和玻璃棒上的沉淀，再进行转移。如此重复几次，一般可将绝大部分沉淀转移到滤纸上。残留少量沉淀，按图2-38（b）所示的吹洗方法全部转移干净。即用左手拿住烧杯，玻璃棒放在杯嘴上，以食指按住玻璃棒，烧杯嘴朝向漏斗倾斜，玻璃棒下端指向滤纸三层部分，右手持洗瓶吹出液流冲洗烧杯内壁，沉淀连同溶液沿玻璃棒流入漏斗中。注意：这一步最容易引起沉淀洒溅，造成损失，一定要规范操作。

④沉淀的洗涤　沉淀完全转移至滤纸上后，在滤纸上进行最后洗涤，用洗瓶吹出细小缓慢的液流，从滤纸上部沿漏斗螺旋式向下吹洗，如图2-39所示，使沉淀集中到滤纸锥体的底部直到沉淀洗净为止。注意：洗涤时切勿将洗涤液冲在沉淀上，否则容易溅出。

洗涤的目的是为了洗去沉淀表面所吸附的杂质和残留的母液，获得纯净的沉淀。为了提高洗涤效率，尽量减少沉淀的溶解损失，洗涤应遵循“少量多次”的原则，即总体积相同的洗涤液，应尽可能分多次洗涤，每次使用少量洗涤液（没过沉淀为度），待沉淀沥干后，再进行下一次洗涤。洗涤数次后，用洁净的表面皿或试管接取一些滤液，选择灵敏的定性反应来检验沉淀是否洗净（注意：接取滤液时勿使漏斗下端触及滤器中的滤液）。

选用什么样的洗涤剂洗涤沉淀，应根据沉淀的性质而定。

对难溶的无机晶形沉淀，可用冷的稀沉淀剂洗涤，利用洗涤剂产生的同离子效应，可降低沉淀的溶解量；但若沉淀剂为不易挥发的物质，则只好用水或其溶剂来洗涤。对无机非晶形沉淀，需用热的电解质溶液为洗涤剂，以防止产生胶溶现象，多数采用易挥发的铵盐作洗涤剂。对溶解度较大的沉淀，可采用沉淀剂加有机溶剂来洗涤，以降低沉淀的溶解度。

（2）减压过滤

减压过滤也称吸滤法过滤或抽吸过滤，简称抽滤。此法可加速过滤，并把沉淀抽吸得较干燥，但不适合过滤胶状沉淀和颗粒太细的沉淀，因为胶状沉淀在快速过滤时易透过滤纸，颗粒太细的沉淀易在滤纸上形成一层密实的沉淀，使溶液不易透过。

减压过滤装置由布氏漏斗、吸滤瓶、抽气管（水泵）、水循环泵或电动真空泵等组成。减压过滤装置如图2-40所示。

减压过滤操作时，需掌握五个要点：①抽滤用的滤纸应比布氏漏斗的内径略小一些（滤纸边缘距漏斗壁1～2mm），但又能把瓷孔全部盖没；剪滤纸时，不能将滤纸折叠，因折叠处在减压过滤时很容易透滤；②布氏漏斗端的斜口应该面对吸滤瓶的支管，以避免减压过滤时，滤液被吸入滤瓶支管口；③将滤纸放入漏斗并用蒸馏水润湿后，打开水泵，先抽气使滤纸贴紧，然后通过玻璃棒向漏斗内转移溶液，注意加入溶液的量不能超过漏斗容积的2/3；④在停止过滤时，应先打开安全瓶的二通阀或先拔去连接吸滤瓶的橡胶管，再关水泵；⑤洗涤沉淀时（如果固体量较大，可先在烧杯中初步洗涤），应暂停抽滤，加入洗涤剂使沉淀刚好被其没过为宜，用玻璃棒或不锈钢刮刀搅松沉淀（勿把滤纸捅破），再开启水泵，直至沉淀抽干。如此重复2～3次，就可把滤饼洗涤干净。

抽滤完毕，先拔掉橡胶管，再关水泵，用玻璃棒或药勺轻轻掀起滤纸边缘，或取下布氏漏斗倒扣在表面皿上，轻轻拍打漏斗以取下滤纸和沉淀。倒出滤液时，注意由吸滤瓶上口倾出，不能从支管倒出。

对于强酸性、强碱性及强腐蚀性溶液，可用尼龙布或微孔玻璃漏斗（或坩埚）过滤，但其不适合过滤碱性太强的物质。

微孔玻璃漏斗、坩埚及抽滤装置分别示于图2-41～图2-43。此种过滤器皿的滤板是用玻璃粉末在高温熔结而成。按照微孔的孔径，由大到小分为六级：G1～G6（或称1号至6号）。1号的孔径最大（80～120μm），6号的孔径最小（2μm以下）。在定量分析中一般用G3～G6规格（相当于慢速滤纸过滤细晶形沉淀）。使用此类滤器时，需用抽气法过滤。不能用微孔玻璃漏斗和坩埚过滤强碱性溶液，因强碱液会损坏漏斗或坩埚的微孔。

（3）热过滤

如果溶液中的溶质在温度下降时容易析出大量结晶，而又不希望它在过滤过程中留在滤纸上，这时就要趁热进行过滤。热过滤有普通热过滤和减压热过滤两种。普通热过滤是将普通漏斗放在铜质的热漏斗内（见图2-44），铜质热漏斗内装有热水，以维持必要的温度。为了加快过滤速度，常使用折叠式滤纸。对于易燃溶液，应先加热夹套，待熄灭明火后，再开始过滤。

减压热过滤采用布氏漏斗或玻璃砂芯漏斗。过滤前应将漏斗放在水浴上以热水或蒸汽预热（见图2-45），或放入烘箱内预热（预热时应将橡胶塞取下），抽滤前用热溶剂润湿滤纸，然后快速完成过滤操作。

在进行热过滤操作时，准备要充分，动作要迅速。

2.8.2.3　离心分离

离心分离法是一种快速分离固体和液体的方法，需要借助电动离心机（见图2-46）或高速冷冻离心机来完成。

使用电动离心机时应注意如下事项。

①离心机应放在坚实、平整的台面上。

②将待分离的物料放在离心管内再放入离心机的塑料套管中，放置的位置要对称，质量要平衡。否则，离心机将剧烈震动而损坏机件。

③使用时应将盖子盖好。

④应先将变速旋钮旋至转速最小处再接通电源。然后逐渐旋转变速旋钮，使转速由小变大，直到所需要的转速（所需的转速和离心的时间由沉淀的性质而定）。

⑤关机时应让其自然停止，不能用手强制停止转动。

若要分离由沉淀反应生成的少量沉淀物时，反应可直接在离心试管中进行。操作时，应逐滴加入试剂，待反应完全后再离心分离。离心沉降后，沉淀紧密聚集于离心试管底部的尖端，上层离心液应为清澈透明溶液。

移出离心液时，可将离心液倾入另一离心试管中，或用滴管徐徐吸出离心液。在用滴管吸溶液时，必须先用手指捏紧滴管的胶头，将滴管慢慢伸入离心液中（切勿插入溶液后再捏胶头）；然后慢慢放松胶头，使离心液吸入滴管中；取出滴管，将清液放入另一离心试管中。

如果沉淀需要洗涤，可以加入少量洗涤剂，用玻璃棒充分搅拌后，再进行离心分离，弃去清液。重复上述操作，直至沉淀洗净为止。

2.8.3　蒸发

为使溶解在较大量溶剂中的溶质从溶液中分离出来，常采用蒸发和结晶的方法。在蒸发过程中，溶剂不断被挥发除去，当溶质在溶液中处于过饱和状态时便结晶出来，经固-液分离处理后得到该溶质的结晶。

溶液的蒸发和浓缩有常压加热蒸发和降压蒸发两种。

常压蒸发一般在蒸发皿（或烧杯）中进行，其溶液的体积不应超过蒸发皿容积的2/3。在无机制备、提纯实验中，蒸发、浓缩一般在水浴上进行。若溶液很稀，物质对热的稳定性又比较好时，可将蒸发皿放在铁环上用火直接（或放在石棉网上）加热，蒸发浓缩时，溶液不应剧烈地沸腾，否则容易溅出。

蒸发浓缩的程度与溶质溶解度的大小和对晶粒大小的要求以及有无结晶水有关。若物质的溶解度随温度变化不大，为了获得较多的晶体，应在结晶析出后继续蒸发。若物质在高温时溶解度很大而在低温时变小，又分为两种情况：若物质的溶解度大时，应蒸发至溶液表面出现晶膜（液面上漂浮一层固体），冷却即可析出晶体；若物质的溶解度小，则不必蒸发至出现晶膜，就可冷却结晶。某些结晶水合物在不同温度下析出时，所带结晶水的数目不同，制备此类化合物时应注意要满足其结晶条件。总之，溶质的溶解度越大，要求的晶粒越小，晶体又不含结晶水，蒸发、浓缩的时间要长些，蒸得要干一些。反之则短些、稀些。

在定量分析中，常通过蒸发来减少溶液的体积，而又保持不挥发组分不致损失。蒸发时容器上要加盖表面皿，容器与表面皿之间应垫以玻璃钩，以便蒸汽逸出。应当小心控制加热温度，以免因暴沸而溅出试样。

用蒸发的方法还可以除去溶液中的某些组分。如驱氧、驱赶H2O2，加入硫酸并加热至产生大量SO3白烟时，可除去Cl- 、等。

2.8.4　结晶与重结晶

（1）结晶

当溶质含量超过其溶解度时，其晶体从溶液中析出的过程称为结晶。结晶是提纯固态物质的重要方法之一。

通常有两种方法：一种是蒸发法，即通过蒸发减少一部分溶剂，使溶液达到饱和而析出晶体。此法主要用于溶解度随温度改变而变化不大的物质（如氯化钠）；另一种是冷却法，即通过降低温度使溶液冷却达到饱和而析出晶体。此法主要用于溶解度随温度下降而明显减小的物质（如硝酸钾）。有时需将这两种方法结合使用。

当溶液发生过饱和现象时，可以通过振荡容器、用玻璃棒搅动或轻轻摩擦器壁，或投入几粒晶体（晶种），促使晶体析出。

析出晶体的颗粒大小往往与结晶条件有关。若溶液的浓度较高，溶质的溶解度较小，而冷却速度较快，那么析出的晶体颗粒就较细小；反之，若将溶液慢慢冷却或静置，则可得到较大颗粒的晶体。晶体颗粒太小，虽然晶体包含的杂质少，但由于表面积大而吸附杂质多；而晶体颗粒太大，则在晶体中会夹杂母液，难于干燥。实际操作中，常根据需要控制适宜的结晶条件，以得到大小合适的晶体颗粒。

（2）重结晶

重结晶是纯化固体物质的重要手段之一。当第一次得到的晶体纯度不合乎要求时，可将所得晶体溶于尽可能少的溶剂中使之成为饱和溶液，然后进行蒸发（或冷却）、结晶、分离，这种操作称为重结晶。它适用于溶解度随温度改变有显著变化的物质的提纯。无机化合物重结晶时通常是以水做溶剂，一般适用于提纯杂质含量在5％以下的固体化合物。通常根据物质的纯度要求，可以进行多次重结晶。注意每次操作的母液中都含有一些溶质，应收集起来适当处理，以提高产率。

有机化合物重结晶的一般过程包括：①溶剂的选择，②固体的溶解，③脱色或除去不溶杂质，④析晶，⑤收集和洗涤晶体，⑥晶体的干燥。

2.8.5　升华

升华是提纯固体化合物的方法之一。某些固体物质具有较高的蒸气压，在其熔点以下加热，往往不经过液态而直接变成蒸气，蒸气遇冷，再直接变成固体，这个过程叫做升华。当具有较高蒸气压的物质中含有蒸气压较低的不挥发性杂质时，可以通过升华的方法来除去杂质，使固体混合物分离，达到产品精制的目的。

升华操作时间较长，得到的产品虽然纯度较高，但损失也较大，而且要纯化的固体物质必须在低于其熔点的温度下具有高于2666.9Pa（20mmHg）的蒸气压，一般只适用于实验室中少量物质（1～2g）的提纯。

图2-47是常压下简单的升华装置。在蒸发皿上放置粉状样品，上面覆盖一个直径比它小的漏斗。漏斗颈用棉花塞住，以防止蒸气逸出。蒸发皿和漏斗之间用一张穿有许多小孔（孔刺向上）的滤纸隔开，以避免升华得到的物质再落回蒸发皿中。操作时，用沙浴（或其他热浴）加热，在低于熔点的温度下，使样品慢慢升华。较大量物质的升华可在烧杯中进行，如图2-48所示，烧杯上放置一个通冷水的圆底烧瓶，使蒸气在烧瓶的底部凝结成晶体，并附着在瓶底上。