浅析混合物分离提纯的方法及选择

河北

钱明安

人教版化学《必修1》第一章“从实验学化学”第一节开篇介绍了过滤、蒸发、蒸馏、萃取、分液等分离和提纯混合物的方法。以此为基础奠定了实验是高中化学学习的一种基本方法的基调，同时，也指明了分离提纯是物质获取和制备工艺的重要环节。

奥苏泊尔认为，无论是客体的知识结构，还是主体的认知结构，都具有纵横联系的性质，因而提出了综合贯通的原则。该原则有助于教师根据学生认知结构的特点来设计教学内容、安排教学序列，从而有助于学生对知识的学习和保持、迁移和应用。由于混合物分离提纯的方法多种多样，且零散分布在不同年级教材和不同的章节中，因此，在高三总复习过程中，教师需要将其综合连贯在一起进行梳理和考量。对比其中的原理，把握各自的操作特征，促进学生形成系统分析“混合物分离提纯”的视角和思路，引导学生建构分离提纯混合物方案设计的思维模型。

本文结合一些实例，就典型的分离提纯方法做一归纳，找出它们与沸点、密度、溶解性及聚集态等物理性质之间的关联，阐述它们的适用条件，以期帮助学生克服死记硬背，增强处理综合实验或工业流程中有关分离提纯环节问题的能力。

一、蒸馏

蒸馏，是利用液体混合物中各组分沸点的差别，加热液体混合物使之部分汽化，又将蒸气冷凝为液体，从而实现其所含组分的分离。

人教版化学《必修1》第7页讲述了蒸馏的基本原理，并从使用自来水制取蒸馏水实验入手获得蒸馏操作的直接经验。《必修2》第75页生成乙酸乙酯实验涉及了酯的蒸出，第90页结合海水资源利用讲述了海水蒸馏原理，第96页介绍了石油的分馏，将蒸馏原理的应用推向高潮。《选修5》在“研究有机物的一般步骤和方法”中，进一步总结了蒸馏原理和适用条件，并进行了“含有杂质的工业乙醇的蒸馏”实验，熟悉蒸馏基本操作步骤，真正认识到蒸馏是液体混合物分离、纯化的有效手段。

例1.(2013海南，20题节选)高纯硅是现代信息、半导体和光伏发电等产业都需要的基础材料。工业上提纯硅有多种技术路线，其中一种工艺流程示意图及主要反应如下：

发生的主要反应电弧炉SiO2+2C1 600^1 800℃Si+2CO↑流化床反应器Si+3HCl250^300℃SiHCl3+H2还原炉SiHCl3+H21 100^1 200℃Si+3HCl

(1)用石英砂和焦炭在电弧炉中高温加热也可以生产碳化硅，该反应的化学方程式为______________；碳化硅又称________，其晶体结构与__________相似。

(2)在流化床反应的产物中，SiHCl3大约占85%，还有SiCl4、SiH2Cl2、SiH3Cl等，有关物质的沸点数据如下表，提纯SiHCl3的主要工艺操作依次是沉降、冷凝和 。

物质SiSiCl4SiHCl3SiH2Cl2SiH3ClHClSiH4沸点/℃2 35557.631.88.2-30.4-84.9-111.9

分析：在提纯SiHCl3的工艺操作中，“沉降”针对的是处于悬浮流动状态下的固体Si，“冷凝”则使蒸气产物液化，因液化后的SiHCl3中混有SiCl4等杂质，故可利用它们沸点的不同进行蒸馏。

(2)精馏(或蒸馏)

二、萃取和反萃取

人教版《必修1》第一章第一节第8页就以从实验走进化学世界的思想，介绍了萃取的概念、仪器以及操作方法和步骤。《必修2》中为验证I2、Br2的生成使用了CCl4萃取。《选修5》第一章第四节又进行了萃取的再学习，以分类的角度叙述了液- 液萃取和固- 液萃取。至此，大多数学生应该能够很好地理解萃取的原理、类型和应用。

液- 液萃取，是利用溶质在两种互不相溶的两相之间溶解度或分配比的不同，并形成一定密度差来达到提取和分离目的的一种操作。它既上得厅堂，如我国化学家“稀土之父”徐光宪的萃取理论和成果，又能下得厨房，如沸水泡茶、浸取植物油等。教材也叙述了“萃取在天然香料、药物的提取及核燃料的处理等技术中得到的广泛应用”，这些恰恰浓缩了萃取的价值所在。萃取是通过少量的溶剂将“喜欢的对象”从一种复杂的混合体系中定向转移到相对简单的体系中，既是一种选择的操作，也是一种富集的过程，为下一步分离出纯净物打下基础。萃取与其他分离溶液组分的方法相比，优点在于常温操作，节省能源，操作方便，尤其表现在以下方面，通常是有利的。①多离子的分离，如矿物浸取液的分离和净制，若加入化学试剂分步沉淀，不但分离质量差，而且伴随过滤操作，损耗也大；②溶液各组分的沸点相近，甚至形成共沸物，为精馏所不能奏效的情况；③低浓度高沸点物质的分离，若用蒸馏法则能耗高。

萃取的逆过程是反萃取。萃取剂一般是有机溶剂，反萃(取)剂则为无机溶液。反萃取就是用反萃(取)剂使被萃取物从负载有机相返回水相的过程。反萃(取)剂主要起破坏有机相中被萃组分结构的作用，使被萃组分生成易溶于水的化合物，或生成既不溶于水也不溶于有机相的沉淀，经过反萃取及所得反萃液经过进一步处理后，便得到被分离物的成品。反萃取后经洗涤不含或少含萃合物的有机相称再生有机相，可继续循环使用。反萃取法也是一种分离方法，虽游离教材之外，但也在学生理解范围之内。

例2.(2015浙江，29题节选)某学习小组按如下甲、乙两种实验方案实验流程探究碘的制取。

请回答：

(1)①分液漏斗使用前须检漏，检漏方法为_______________________________。

②步骤X中，萃取后分液漏斗内观察到的现象是____________________。

③下列有关步骤Y的说法，正确的是___________________。

A．应控制NaOH溶液的浓度和体积

B．将碘转化成离子进入水层

C．主要是除去海带浸取原液中的有机杂质

D．NaOH溶液可以由乙醇代替

④实验(二) 中操作Z的名称是_______。

(2)方案甲中采用蒸馏不合理，理由是___________________________________________。

分析：含I2的CCl4溶液提取I2，方案甲为蒸馏法，也是2006年四川卷26题提供的答案。目前大部分教师在教学中也都认可这种答案，这个答案到底正确与否？I2的沸点虽然是184.35℃，但当温度在45～77℃就会完全升华，而CCl4的沸点是76.8℃，在加热蒸馏过程中，溶质碘和溶剂如影相随地一同被蒸馏出来，仅有少量I2留在烧瓶中，在客观存在的实验事实面前，证明常压蒸馏不能有效分离I2- CCl4(减压至3×103Pa蒸馏没有共沸现象，I2和CCl4可以分离，但操作复杂成本高)。2015年浙江高考命题时大概从此出发，“引导”学生回答采用蒸馏法不合理的理由，以纠正在中学化学教学中的“流行性感冒”似的认识。

改换思路，如果我们能够控制好步骤Y中NaOH以及下一步操作中H2SO4溶液的浓度和体积，则可得到碘泥，进而采用升华法提取出纯碘。

CCl4萃取I2后因为共沸不能蒸馏分离，但如果我们就认准蒸馏分离法了，有办法吗？有，我们可以釜底抽薪更改萃取剂，乙醚的沸点只有34.6℃，实验证明乙醚萃取I2后可以在45℃以下蒸馏分离出I2来。

答案：(1)①向分液漏斗中加入少量水，检查旋塞处是否漏水；将漏斗倒转过来，检查玻璃塞是否漏水 ②液体分上下两层，下层呈紫红色 ③AB ④过滤

(2)主要由于碘易升华，会导致碘的损失

三、过滤

过滤是利用物质的溶解性差异将液体和不溶于液体的固体分离开来的过程，是义务教育阶段的一个启蒙实验，也是高中化学各本教材中出现次数最多的分离方法，是伴随重结晶、加入沉淀剂或调节溶液pH使杂质离子沉淀等分离提纯过程的一步操作。

例3.(2015安徽，27题节选)硼氢化钠(NaBH4)在化工等领域具有重要的应用价值，某研究小组采用偏硼酸钠(NaBO2)为主要原料制备NaBH4，其流程如下：

已知：NaBH4常温下能与水反应，可溶于异丙胺(沸点：33℃)。

第②步分离采用的方法是_________；第③步分出NaBH4并回收溶剂，采用的方法是_________。

分析：根据题干中给出的“已知”信息，可知步骤②加入了异丙胺，使产物NaBH4(s)溶解其中形成“溶液”，而“固执”的Na2SiO3依然是固态，说明它不溶于异丙胺中，所以步骤②分离的方法应为过滤。目标产品NaBH4溶于异丙胺内，可利用异丙胺沸点低的性质采用蒸馏的方法将其分离出来，随着异丙胺的不断蒸出，烧瓶内逐步析出NaBH4晶体，这与NaCl水溶液的蒸发结晶有相似之处。

答案：过滤 蒸馏

四、渗析

人教版高中化学《必修2》第90页“海水资源的利用”一栏中提及电渗析法是海水淡化的一种方法，但无具体内容。《选修6》第16页介绍了以半透膜为标志的渗析分离方法，例举了在胶体除杂中的应用。

利用半透膜的选择透过性来分离直径大小不同的溶质粒子的方法叫做渗析；以阴、阳离子交换膜为电解质隔膜，以电位差为推动力，使溶质带电粒子定向迁移的渗析称为电渗析。离子交换膜是选择透过性膜，阳离子可以透过阳离子交换膜，阴离子可以透过阴离子交换膜，从而实现溶液淡化或浓缩、精制或纯化的目的。渗析法已广泛应用于食品、医药、生物、化工、水处理、废液的处理与贵重金属的回收等领域，现成为当今分离科学中最重要的手段之一。

例4.工业品氢氧化钾的溶液中含有某些含氧酸根杂质,可用离子交换膜法电解提纯。电解槽内装有阳离子交换膜(只允许阳离子通过),其工作原理如图所示:

(1)该电解槽的阳极反应式是____________。

(2)通电开始后,阴极附近溶液pH会增大,原因是____________________。

(3)除去杂质后的KOH溶液从溶液出口______(填“A”或“B”)导出。

(2)H2O电离出来的H+放电，促进水的电离,c(OH-)增大

(3)B

点评：工业品KOH中含氧酸根如何脱出，传统的方法是加入电解质沉淀法，但存在试剂过量引入新的杂质离子等缺点。电场力推动阴、阳离子分别向着阳、阴极定向移动，离子交换膜具有选择性分离功能，这样电解技术和膜技术集成完成了混合物的除杂和提纯。

五、结晶及重结晶

结晶是利用混合物中各成分在同一种溶剂里溶解度的不同或在冷热情况下溶解度显著差异加以分离的操作方法。因为只有同类粒子才能排列成晶体，也就是说只要有结晶形成，表明化合物纯度达到了很高的程度，所以结晶法是精制固体化合物的重要方法之一。

初次析出的结晶往往不纯，将不纯的晶体溶于溶剂以后，又重新从溶液中结晶的过程叫重结晶。若待分离纯化的物质溶解度为陡升型，先将其用适量水溶解,然后蒸发浓缩该溶液(浓缩的程度视杂质的含量和溶解度而定)，最后将浓缩后的溶液冷却，在冷却过程中由于溶液过饱和，从而“推动”该物质重新结晶出来。由于杂质含量少，未必达到饱和状态，故全部(或大部分)留在溶液中。如果杂质在溶剂中的溶解度极小，则可在蒸发浓缩溶液后趁热过滤将不溶性杂质除去。

例5.(2014山东，32题改编)工业上用重铬酸钠(Na2Cr2O7)结晶后的母液(含少量杂质Fe3+)生产重铬酸钾(K2Cr2O7)。工艺流程及相关物质溶解度曲线如图：

(1)向Na2Cr2O7母液中加碱液调pH的目的是为了除去Fe3+，如何确定母液中Fe3+已除尽？___________。

(2)母液Ⅰ的溶质主要为_________(填化学式)；固体B主要为_________(填化学式)。

(3)流程中要得到母液Ⅲ和固体A的操作为蒸发浓缩、__________，原因是__________。

答案：(1)向上层澄清母液继续滴加碱液，若不产生红褐色沉淀则母液中Fe3+已除尽

(2)Na2Cr2O7K2Cr2O7

(3)趁热过滤 减少K2Cr2O7因降温析出而损失

点评：溶质的溶解度特征，既表现在溶解度的大小，也表现在溶解度随温度的变化。有的物质的溶解度随着温度的升高而增加，溶解过程中吸收热量，称为正溶解度。有的物质的溶解度随着温度的升高而降低，溶解过程中放出热量，称为逆溶解度。了解物质的溶解度特性，有助于结晶方法的选择。对温度变化敏感的物质可选用变温结晶法分离，对温度变化缓慢的物质可选用蒸发结晶法分离。