4.3. Kryštalizácia

Kryštalizácia patrí k najspoľahlivejším spôsobom prípravy čistých anorganických aj organických látok. Je to proces vylúhovania tuhej fázy istej látky z jej roztoku, taveniny alebo z plynného stavu v kryštalickej forme.

V chemickom laboratóriu sa najčastejšie používa kryštalizácia z roztoku. Čistenie látky kryštalizáciou pozostáva z jej rozpustenia vo vhodnom rozpúšťadle, vyčistenia roztoku filtráciou a opätovného vylúčenia látky z roztoku. V ideálnom prípade vykryštalizuje čistá látka a nečistoty ostanú na filtračnom papieri (pri filtrácii roztoku) a v roztoku (matečnom lúhu) po kryštalizácii. V reálnych prípadoch musíme kryštalizáciu opakovať, aj viackrát po sebe (rekryštalizácia).

Vhodným rozpúšťadlom pre podstatnú väčšinu anorganických látok, organické kyseliny, mnohé aldehydy, aminozlúčeniny a fenoly je voda. Na rozpúšťanie uhľovodíkov, ketónov, nitrozlúčenín a vyšších aldehydov a alkoholov používame benzén (teplota varu 80 °C) a toluén (teplota varu 110 °C). Výhoda acetónu a etanolu; je ich výborná miešateľnosť s vodou, takže v prípade potreby môžeme namiesto čistých rozpúšťadiel použiť ich zmesi s rôznym zložením. Všeobecnou nevýhodou organických rozpúšťadiel je ich horľavosť a takmer vždy ich jedovatosť.

Aby látka z roztoku vykryštalizovala, musíme porušiť fázovú rovnováhu danej sústavy. Roztok musí byť presýtený, a navyše musia vzniknúť nepatrné kryštalizačné jadrá, ktoré potom narastajú na kryštáliky. Kryštalizácia sa teda skladá z nukleácie (vznik zárodočných kryštálikov porušením fázovej rovnováhy v roztoku) a z rastu kryštálov okolo vytvorených jadier. Kryštalizáciu, pri ktorej sa roztok mieša, nazývame rušenou, na rozdiel od voľnej kryštalizácie.

Tvorba kryštalizačných jadier (nukleí) závisí od intenzity chladenia, od rýchlosti a spôsobu miešania, od teploty, od fyzikálno-chemických vlastností látky, ako aj od prímesí v roztoku. Vznik veľkého počtu nukleí podporuje rýchle ochladenie, intenzívne miešanie a nízka hodnota relatívnej molekulovej hmotnosti rozpustenej látky. Počet vznikajúcich jadier zásadne ovplyvní tvar a veľkosť kryštálikov. Pri malom počte jadier sa pomaly tvoria veľké kryštály, v opačnom prípade vznikajú drobné kryštáliky s narušenými plochami. Ak sú kryštáliky extrémne malé, potom sa môžu na ich povrchu adsorbovať značné množstvá nečistôt z kryštalizačného roztoku, a navyše, takéto kryštáliky sa ťažko filtrujú a premývajú. U veľkých kryštálikov je značná pravdepodobnosť uzatvorenia mikroskopických kvapôčok matečného lúhu v ich dutinách, čo prirodzene znemožňuje ich dôkladné premytie. Z týchto dôvodov sa vždy snažíme získať kryštáliky primeranej veľkosti (zrnitosti).

Presýtenie roztoku môžeme dosiahnuť v princípe trojakým spôsobom: odparením rozpúšťadla, zmenou teploty alebo výmenou rozpúšťadla.

Pri kryštalizácii metódou izotermického odparenia roztoku pripravíme nasýtený roztok kryštalizovanej látky pri laboratórnej teplote a roztok necháme voľne odparovať na vzduchu alebo v exsikátore. Túto metódu používame najmä pri látkach, ktoré sú pri zvýšenej teplote nestále, alebo pri látkach, pri ktorých sa rozpustnosť s teplotou takmer nemení. Výhodné sú rozpúšťadla s nízkou hodnotou teploty varu.

Pri kryštalizácii ochladením roztoku postupujeme tak, že rozpúšťadlo čiastočne odparíme pri zvýšenej teplote (a to buď na vodnom kúpeli, alebo jeho oddestilovaním za laboratórneho, resp. zníženého tlaku), až kým sa na povrchu kvapaliny neobjaví kryštalizačná blana (plávajúce kryštáliky). Potom takýto roztok prelejeme do kryštalizačnej misky, túto prikryjeme a necháme voľne chladnúť. Chladenie môže byť na laboratórnu teplotu, na teplotu tečúcej studenej vody, na teplotu zmesi vody a ľadu, alebo jednoducho v chladničke. Tento spôsob kryštalizácie možno úspešne využívať pri látkach, ktoré majú pri nižšej teplote podstatne menšiu rozpustnosť ako pri vyššej.

Treťou metódou je výmena rozpúšťadla. V tomto prípade pridáme do nasýteného roztoku Ďalšie rozpúšťadlo, ktoré sa s pôvodným dobre mieša (napríklad pridávame etanol do vody), avšak v ktorom má daná látka podstatne nižšiu rozpustnosť. Treba upozorniť, že príliš veľké množstvo "zrážacieho rozpúšťadla" môže viesť k vylúčeniu látky v mazľavej alebo olejovitej forme, s ktorou sa potom Ďalej ťažko pracuje. Toto riziko je podstatne vyššie pri organických látkach, než pri anorganických. Tiež záleží na tom, či sa druhé rozpúšťadlo pridá do roztoku naraz a za stáleho miešania (drobné kryštáliky) alebo postupne a bez miešania (možnosť vytvorenia dvojvrstvy a pomalej kryštalizácie).

Vylúčené kryštáliky je najvhodnejšie odsať na Büchnerovom lieviku a premyť premývacou kvapalinou. Ak takúto kvapalinu nemáme, potom kryštáliky len dôkladne vysušíme medzi dvomi filtračnými papiermi.

Kryštalický produkt uskladňujeme v dobre uzatvorených prachovniciach alebo navažovačkách. Hygroskopické látky uschovávame v exsikátoroch alebo v prachovniciach so zaparafínovanou alebo dôkladne zalepenou zátkou.

Treba ešte poznamenať, že niektorých prímesí sa nemusíme zbaviť ani opakovanou kryštalizáciou. Dosť často však pomôže malý prídavok aktívneho uhlia do roztoku, ktorý po pretrepaní a zahriatí odfiltrujeme. Kryštalizácia býva potom úspešná.

Pri kryštalizácii zmenou teploty nám ostáva vždy časť látky v matečnom lúhu. Výťažok kryštalizácie si vieme vopred vypočítať z údajov o rozpustnosti látky pri dvoch použitých teplotách.