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1、第二第二(d r)部分部分 结晶结晶一、概念二、结晶操作的特点三、结晶基本(jbn)理论四、晶核生成和晶体生长理论五、结晶溶液的形成及结晶控制六、常用结晶设备七、重结晶1第一页，共三十六页。一、概念一、概念(ginin)结晶是固体物质以晶体状态从蒸汽、溶液或熔融结晶是固体物质以晶体状态从蒸汽、溶液或熔融(rngrng)物中析出的过程。物中析出的过程。固体状态：固体状态：1.结晶：析出速度慢，析出粒子排列有规则；结晶：析出速度慢，析出粒子排列有规则；2.无定形：（沉淀）析出速度快，排列无规则；无定形：（沉淀）析出速度快，排列无规则；2第二页，共三十六页。二、结晶操作二、结晶操作(cozu)的的特
2、点特点1.结晶为同类分子或离子进行规则排列的过程，结晶为同类分子或离子进行规则排列的过程，因此结晶具有高选择性；因此结晶具有高选择性；2.结晶后，大部分杂质留在母液中，经过滤、洗结晶后，大部分杂质留在母液中，经过滤、洗涤得纯度涤得纯度(chnd)高的晶体；高的晶体；3.结晶成本低，设备简单，操作方便，因此应用结晶成本低，设备简单，操作方便，因此应用广泛。广泛应用于氨基酸、有机酸、抗生素、广泛。广泛应用于氨基酸、有机酸、抗生素、维生素、核酸等产品的精制。维生素、核酸等产品的精制。3第三页，共三十六页。三、结晶基本三、结晶基本(jbn)理理论论1.溶解过程、溶解度及其主要影响因素溶解过程、溶解度及
3、其主要影响因素溶解过程溶解过程可溶性固体由于分子运动在溶质可溶性固体由于分子运动在溶质(rngzh)和固体的和固体的溶剂间进行两种分子扩散：一是分子从固体表面扩溶剂间进行两种分子扩散：一是分子从固体表面扩散到液体内部；二是从液体内部扩散到固体表面；散到液体内部；二是从液体内部扩散到固体表面；开始阶段分子向液体内部扩散速率大于从液体内部开始阶段分子向液体内部扩散速率大于从液体内部扩散到固体的速率，表观上处于溶解状态；当两者扩散到固体的速率，表观上处于溶解状态；当两者速率相等时即固液达到平衡状态，表观上固体不再速率相等时即固液达到平衡状态，表观上固体不再溶解，但实质上处于动态平衡，溶解和结晶在同时
4、溶解，但实质上处于动态平衡，溶解和结晶在同时进行，只不过速率相同而已。进行，只不过速率相同而已。4第四页，共三十六页。溶解度溶解度：一定条件下，：一定条件下，100g溶剂溶解溶剂溶解(rngji)的溶质的量的溶质的量。影响溶解度的因素影响溶解度的因素A.温度温度a.一般情况下，温度上一般情况下，温度上升，溶解度上升，只是升，溶解度上升，只是上升的幅度上升的幅度(fd)不同而已。不同而已。5第五页，共三十六页。b.先增大后减小先增大后减小Na2SO4：开始在水中以结晶：开始在水中以结晶水合物的形式存在，之后水合物的形式存在，之后(zhhu)为为Na2SO4。c.溶解度随温度升高而降低溶解度随温度
5、升高而降低Ca（OH）2少量的有机物少量的有机物如螺旋如螺旋霉素。霉素。6第六页，共三十六页。BPH值值大多数药物和大分子有机分子，如：蛋白质、大多数药物和大分子有机分子，如：蛋白质、氨基酸等，在其等电点处的溶解度最小，等电点氨基酸等，在其等电点处的溶解度最小，等电点PI=4-6，调节，调节PH值与等电点值与等电点PI相等可使其溶解度相等可使其溶解度最小。最小。C.离子强度离子强度对于有机药物溶液，加入盐的量改变离子强度，对于有机药物溶液，加入盐的量改变离子强度，也改变了溶质和溶剂间的能量平衡，也会降低药也改变了溶质和溶剂间的能量平衡，也会降低药物在溶液中的溶解度。物在溶液中的溶解度。D.压力
6、压力压力对气体压力对气体(qt)物质的溶解度有较大的影响。物质的溶解度有较大的影响。7第七页，共三十六页。2.过饱和过饱和 达到固液相平衡时的溶液称为达到固液相平衡时的溶液称为饱和溶液饱和溶液。溶液中含有超过饱和量的溶质称为溶液中含有超过饱和量的溶质称为过饱和溶液过饱和溶液（在无扰动、无刺激的条件下降温（在无扰动、无刺激的条件下降温(jingwn)即可即可形成）。形成）。过饱和度过饱和度：C-过饱和溶液的浓度过饱和溶液的浓度;C*-饱和浓度。饱和浓度。8第八页，共三十六页。3.结晶结晶(jijng)溶解相平衡溶解相平衡图图三区特征：三区特征：稳定区：绝无结晶的可能稳定区：绝无结晶的可能(knn
7、g)（原因：溶液未达到（原因：溶液未达到饱和）；饱和）；介稳区：溶液过饱和，但无介稳区：溶液过饱和，但无扰动、无刺激下无结晶；扰动、无刺激下无结晶；不稳区：肯定要有结晶析出；不稳区：肯定要有结晶析出；9第九页，共三十六页。4.晶体物质溶解度与其颗粒半径晶体物质溶解度与其颗粒半径(bnjng)的关系的关系Kelvin公式：公式：-颗粒颗粒(kl)半径；半径；-对应的溶质颗粒的溶解度；对应的溶质颗粒的溶解度；-颗粒与液体的界面张力；颗粒与液体的界面张力；-固体颗粒的密度；固体颗粒的密度；结论结论：半径小的颗粒溶解度大半径小的颗粒溶解度大；若若，则，则，。过饱和度越大，颗粒直径越小过饱和度越大，颗粒
8、直径越小；若若，则，则，。10第十页，共三十六页。四、晶核生成四、晶核生成(shn chn)和晶体生和晶体生长理论长理论结晶基本现象结晶基本现象结晶过程中，过饱和度越大，结晶速率越大，结晶过程中，过饱和度越大，结晶速率越大，结晶颗粒数目多且小，而过饱和度不很大时，结晶颗粒数目多且小，而过饱和度不很大时，颗粒少而大，因此认为结晶分为晶核生成颗粒少而大，因此认为结晶分为晶核生成(shnchn)和晶体生长两个阶段。和晶体生长两个阶段。11第十一页，共三十六页。1.晶核生成晶核生成(shn chn)12第十二页，共三十六页。2.晶体生长（符合晶体生长（符合(fh)扩散理论）扩散理论）13第十三页，共三
9、十六页。3.晶核生成晶核生成(shn chn)与晶体生长与晶体生长的关系的关系 当当S较大时，晶核生成速度增加，晶体较大时，晶核生成速度增加，晶体生长速度也增加，但晶核生成速度增加生长速度也增加，但晶核生成速度增加急剧，必然导致数量多，粒径小。急剧，必然导致数量多，粒径小。如果如果延长结晶延长结晶(jijng)时间；晶核数量会减少，时间；晶核数量会减少，晶体粒径会增大。晶体粒径会增大。原因原因:小粒度晶体比表面积大，所以被溶小粒度晶体比表面积大，所以被溶解的可能性就大，溶解之后，在动态平解的可能性就大，溶解之后，在动态平衡中由于大粒度晶体比表面积小，被溶衡中由于大粒度晶体比表面积小，被溶解的溶
10、质就会结晶在大粒度晶体上解的溶质就会结晶在大粒度晶体上。14第十四页，共三十六页。五、结晶溶液五、结晶溶液(rngy)的形成及结晶的形成及结晶控制控制1.结晶液的形成方法结晶液的形成方法冷却结晶：降低温度，降低溶质的溶解度实现冷却结晶：降低温度，降低溶质的溶解度实现结晶；结晶；蒸发结晶：减少溶剂，使溶液达到过饱和而实蒸发结晶：减少溶剂，使溶液达到过饱和而实现结晶；现结晶；真空绝热冷却结晶：冷却和蒸发溶剂的结合；真空绝热冷却结晶：冷却和蒸发溶剂的结合；加压结晶：对蒸气结晶而言；加压结晶：对蒸气结晶而言；盐析结晶：利用盐改变溶质和溶剂的能量平衡，盐析结晶：利用盐改变溶质和溶剂的能量平衡，降低溶解度
11、的方法；降低溶解度的方法；化学结晶：加入化学结晶：加入(jir)反应剂产生新物质，新物反应剂产生新物质，新物质溶解度超过饱和溶解度时结晶析出。质溶解度超过饱和溶解度时结晶析出。15第十五页，共三十六页。2.结晶结晶(jijng)的控的控制制 操作操作(cozu)(cozu)方式的控制方式的控制 一般一般,结晶是通过降低温度的方式实现的结晶是通过降低温度的方式实现的.但是但是降温结晶只能析出部分的物质降温结晶只能析出部分的物质,难以析出大部难以析出大部分溶质分溶质,因此操作过程中因此操作过程中,一般控制蒸除溶剂并一般控制蒸除溶剂并辅以降温辅以降温.16第十六页，共三十六页。2.结晶结晶(jijn
12、g)的的控制控制 过饱和度的控制过饱和度的控制并非所有的操作都要求产生大粒度颗粒，如：难溶药物，并非所有的操作都要求产生大粒度颗粒，如：难溶药物，为利于人体吸收和利用，要求小粒度，因此在操作过程中为利于人体吸收和利用，要求小粒度，因此在操作过程中应当根据目标产物应当根据目标产物(chnw)所要达到的要求进行控制。此时，所要达到的要求进行控制。此时，过饱和度大是有利的。过饱和度大是有利的。是不是过饱和度越大越好呢是不是过饱和度越大越好呢?非非!过饱和度太大也会导致原料液的粘度过大，粘度过大过饱和度太大也会导致原料液的粘度过大，粘度过大也会使目标产物难以析出，所以过饱和度要控制一定的也会使目标产物
13、难以析出，所以过饱和度要控制一定的度。度。17第十七页，共三十六页。2.结晶结晶(jijng)的控的控制制 结晶成核和结晶生长的控制结晶成核和结晶生长的控制 对于不加结晶的冷却结晶对于不加结晶的冷却结晶,溶液易于自发成核溶液易于自发成核,同时释放出结晶热同时释放出结晶热,结晶热使溶液温度上升结晶热使溶液温度上升,这这时需要时需要(xyo)(xyo)继续冷却继续冷却,冷却又产生更多的核冷却又产生更多的核,以以致使得结晶成核和结晶成长难以控制致使得结晶成核和结晶成长难以控制,因此因此,往往往采取加入晶种往采取加入晶种,并缓慢冷却的结晶过程并缓慢冷却的结晶过程,实现实现结晶程序的控制。结晶程序的控制
14、。18第十八页，共三十六页。六、常用六、常用(chn yn)结结晶设备晶设备1.槽式结晶器：属于冷却结晶槽式结晶器：属于冷却结晶器器有螺旋搅拌物料，停留有螺旋搅拌物料，停留时间分布好，槽上有活动时间分布好，槽上有活动顶盖，便于顶盖，便于(biny)清洁。清洁。缺点缺点：传热面积小，劳动强度：传热面积小，劳动强度大，过饱和度难控制。大，过饱和度难控制。19第十九页，共三十六页。2.结晶结晶(jijng)罐：冷却结罐：冷却结晶晶(jijng)器器间歇间歇(jinxi)操作，冷却速操作，冷却速度易于控制，结晶时间度易于控制，结晶时间可调节，搅拌速度可调；可调节，搅拌速度可调；缺点：生产能力低，过缺点
15、：生产能力低，过饱和度不易控制。饱和度不易控制。20第二十页，共三十六页。3.奥斯陆结晶器奥斯陆结晶器冷却式分级冷却式分级(fnj)结晶器结晶器蒸发式结晶器蒸发式结晶器21第二十一页，共三十六页。真空真空(zhnkng)结晶器结晶器 22第二十二页，共三十六页。七、七、重结晶重结晶 重结晶重结晶利用待重结晶物质，在不同温度下溶解度利用待重结晶物质，在不同温度下溶解度的不同，分离提纯待结晶物质的过程。一般是使的不同，分离提纯待结晶物质的过程。一般是使待重结晶物质在较高的温度（接近溶剂沸点）下待重结晶物质在较高的温度（接近溶剂沸点）下溶于合适的溶剂里；趁热过滤以除去不溶物质和溶于合适的溶剂里；趁热
16、过滤以除去不溶物质和有色杂质（加活性炭煮沸脱色有色杂质（加活性炭煮沸脱色)；将滤液冷却，使；将滤液冷却，使晶体从过饱和溶液晶体从过饱和溶液(bohrny)里析出，而可溶性杂质里析出，而可溶性杂质仍留在溶液中；然后进行減压过滤，把晶体从母仍留在溶液中；然后进行減压过滤，把晶体从母液中分离出来；洗涤晶体除去吸咐在晶体表面上液中分离出来；洗涤晶体除去吸咐在晶体表面上的母液。的母液。23第二十三页，共三十六页。以一个含有目标物以一个含有目标物A和杂质和杂质B的混合物为例。的混合物为例。设设A和和B在某溶剂中的溶解度都是在某溶剂中的溶解度都是1g/100mL(20)和和10g/100mL(100),),
17、若一个混合物样品中含有若一个混合物样品中含有9gA和和2gB，将这个样品用，将这个样品用100mL溶剂在溶剂在100下溶解，下溶解，A和和B可以可以完全溶解于溶剂中。将其冷却到完全溶解于溶剂中。将其冷却到20，则有，则有8gA和和1gB从从溶液中析出。过滤，剩余溶液（通常溶液中析出。过滤，剩余溶液（通常(tngchng)称为母液）称为母液）中还溶有中还溶有1gA和和1gB。在将析出的。在将析出的9g结晶再依上溶解、冷结晶再依上溶解、冷却、过滤，又得到却、过滤，又得到7g结晶，这已是纯的结晶，这已是纯的A物质了，母液物质了，母液又带走了又带走了1gA和和1gB。这样在损失了。这样在损失了2gA的
18、前提下，通过的前提下，通过两次结晶得到了纯净的两次结晶得到了纯净的A。24第二十四页，共三十六页。溶解度对重结晶的影响溶解度对重结晶的影响(yngxing)假设一固体混合物由假设一固体混合物由9.5克被提纯物克被提纯物A和和0.5克克杂质杂质B组成，选择组成，选择(xunz)某溶剂进行重结晶，室某溶剂进行重结晶，室温时温时A、B在此溶剂中的溶解度分别为在此溶剂中的溶解度分别为SA和和SB，通常存在下列三种情况：，通常存在下列三种情况：25第二十五页，共三十六页。（1）低温下杂质较易溶解（）低温下杂质较易溶解（SBSA）。）。设在低温下设在低温下SB2.5克克/100ml，SA0.5克克/100
19、ml，如果如果A在此高温溶剂中的溶解度为在此高温溶剂中的溶解度为9.5克克/100ml，则使，则使用用100ml溶剂即可使混合物在高温时全溶。若将此滤溶剂即可使混合物在高温时全溶。若将此滤液冷却至低温时可析出液冷却至低温时可析出9gA（不考虑操作上的损失）（不考虑操作上的损失）而而B仍留在母液中，仍留在母液中，A损失很小，即被提纯物回收率损失很小，即被提纯物回收率达到达到94。如果。如果A在此高温溶剂中的溶解度为在此高温溶剂中的溶解度为47.5克克/100ml，则只要使用，则只要使用20ml溶剂即可使混合物在高温溶剂即可使混合物在高温时全溶，这时滤液可析出时全溶，这时滤液可析出A9.4克，克，
20、B仍可留在母液中，仍可留在母液中，被提纯物的回收率高达被提纯物的回收率高达99。由此可见，如果杂质在低温时的溶解度大而产物由此可见，如果杂质在低温时的溶解度大而产物在低温时的溶解度小，或溶剂对产物的溶解性能随在低温时的溶解度小，或溶剂对产物的溶解性能随温度的变化温度的变化(binhu)大，这两方面都有利于提高回收率。大，这两方面都有利于提高回收率。26第二十六页，共三十六页。（2）杂质较难溶解（）杂质较难溶解（SBSA）。）。设在低温下设在低温下SB0.5g/100ml，SA2.5g/100ml，A在高温溶剂中的溶解度仍为在高温溶剂中的溶解度仍为9.5g/100ml，则在，则在100ml溶剂重
21、结晶后的母液中含有溶剂重结晶后的母液中含有(hnyu)2.5克克A和和0.5克（即全部）克（即全部）B，析出结晶，析出结晶A7克，产物的回收克，产物的回收率为率为74。但这时，即使。但这时，即使A在高温溶剂中的溶解在高温溶剂中的溶解度更大，使用的溶剂也不能再少了，否则杂质度更大，使用的溶剂也不能再少了，否则杂质B也也会部分地析出，就需再次重结晶。如果混合物中会部分地析出，就需再次重结晶。如果混合物中杂质含量很多，则重结晶的溶剂量就要增加，或杂质含量很多，则重结晶的溶剂量就要增加，或者重结晶的次数要增加，致使操作过程冗长，回者重结晶的次数要增加，致使操作过程冗长，回收率极大的降低。收率极大的降低
22、。27第二十七页，共三十六页。（3）两者溶解度相等（）两者溶解度相等（SA=SB）。）。设在低温下皆为设在低温下皆为2.5克克/100ml，若也用，若也用100ml溶溶剂重结晶，仍可得到纯剂重结晶，仍可得到纯A7克。但如果这时杂质含克。但如果这时杂质含量很多，则用重结晶分离量很多，则用重结晶分离(fnl)产物就比较困难。产物就比较困难。在在A和和B含量相等时，重结晶就不能用来分离产含量相等时，重结晶就不能用来分离产物了。物了。28第二十八页，共三十六页。结结 论论从上述讨论总可以看出，在任何情况下，杂质的从上述讨论总可以看出，在任何情况下，杂质的含量过多都是不利的（杂质太多还会影响结晶速含量过
23、多都是不利的（杂质太多还会影响结晶速度度(sd)，甚至妨碍结晶的生成）。，甚至妨碍结晶的生成）。一般重结晶只适用于纯化杂质含量在一般重结晶只适用于纯化杂质含量在5以下的固以下的固体有机混合物。体有机混合物。在进行重结晶时，选择理想的溶剂是一个关键。在进行重结晶时，选择理想的溶剂是一个关键。29第二十九页，共三十六页。理想溶剂理想溶剂(rngj)的选择条的选择条件件（1）不与被提纯物质起化学反应）不与被提纯物质起化学反应;（2）在较高温度时能溶解多量的被提纯物质；而在室）在较高温度时能溶解多量的被提纯物质；而在室温或更低温度时，只能溶解很少量的该种物质温或更低温度时，只能溶解很少量的该种物质;（
24、3）对杂质的溶解非常大或者非常小（前一种情况是）对杂质的溶解非常大或者非常小（前一种情况是使杂质留在母液中不随被提纯物晶体一同使杂质留在母液中不随被提纯物晶体一同(ytng)析出；析出；后一种情况是使杂质在热过滤时被滤去）后一种情况是使杂质在热过滤时被滤去）;（4）容易挥发（溶剂的沸点较低），易与结晶分离除）容易挥发（溶剂的沸点较低），易与结晶分离除去去;（5）能给出较好的晶体）能给出较好的晶体;（6）无毒或毒性很小，便于操作）无毒或毒性很小，便于操作;（7）价廉易得）价廉易得.30第三十页，共三十六页。实验实验(shyn)和生产中应注意事项和生产中应注意事项（1）溶剂的量）溶剂的量溶剂少则收
25、率高，但可能给热过滤带来麻烦，并溶剂少则收率高，但可能给热过滤带来麻烦，并可能造成更大的损失；溶剂多，显然可能造成更大的损失；溶剂多，显然(xinrn)会影响回会影响回收率。故两者应综合考虑。一般可比需要量多加收率。故两者应综合考虑。一般可比需要量多加20左右的溶剂左右的溶剂（有的教科书上认为一般可比需要量多（有的教科书上认为一般可比需要量多20-100的溶的溶剂）剂）31第三十一页，共三十六页。（2）实际操作温度）实际操作温度可以在溶剂沸点温度时溶解固体，但必须注可以在溶剂沸点温度时溶解固体，但必须注意意(zhy)实际操作温度是多少，否则会因实际操作实际操作温度是多少，否则会因实际操作时，被
26、提纯物晶体大量析出。但对某些晶体析出时，被提纯物晶体大量析出。但对某些晶体析出不敏感的被提纯物，可考虑在溶剂沸点时溶解成不敏感的被提纯物，可考虑在溶剂沸点时溶解成饱和溶液，故因具体情况决定，不能一概而论。饱和溶液，故因具体情况决定，不能一概而论。例例:实验在实验在100时配成饱和溶液，而热过滤操作温时配成饱和溶液，而热过滤操作温度不可能是度不可能是100，可能是，可能是80,也可能是也可能是90,那那么在考虑加多少溶剂时，应同时考虑热过滤的实么在考虑加多少溶剂时，应同时考虑热过滤的实际操作温度。际操作温度。32第三十二页，共三十六页。（3）安全性）安全性为了避免溶剂挥发及可燃性溶剂着火或有毒溶
27、为了避免溶剂挥发及可燃性溶剂着火或有毒溶剂中毒，应在锥形瓶上装置回流冷凝管，添加溶剂中毒，应在锥形瓶上装置回流冷凝管，添加溶剂可从冷凝管的上端加入。剂可从冷凝管的上端加入。（4）活性炭的使用）活性炭的使用(shyng)若溶液中含有色杂质，则应加活性炭脱色，若溶液中含有色杂质，则应加活性炭脱色，应特别注意活性炭的使用。应特别注意活性炭的使用。33第三十三页，共三十六页。常用常用(chn yn)溶剂及其沸点溶剂及其沸点溶 剂沸 点溶 剂 沸 点溶 剂 沸 点水100乙酸乙酯77氯 仿61.7甲 醇65冰 醋 酸118四氯化碳76.5乙 酸78二氧化碳46.5苯80乙 醚34.5丙 酮56粗 汽 油
28、90-15034第三十四页，共三十六页。小小 结结1 结晶的概念及其特点；结晶的概念及其特点；2 溶解过程、溶解度、过饱和；溶解过程、溶解度、过饱和；3 结晶溶解相平衡图；结晶溶解相平衡图；4 开尔文公式及其结论；开尔文公式及其结论；5 晶核生成与晶体生长竞争晶核生成与晶体生长竞争(jngzhng)理论；理论；6 结晶设备；结晶设备；7 结晶的控制及重结晶的方法。结晶的控制及重结晶的方法。35第三十五页，共三十六页。内容(nirng)总结第二部分 结晶。1.结晶：析出速度慢，析出粒子排列有规则。可溶性固体由于分子运动在溶质和固体的溶剂间进行两种分子扩散：一是分子从固体表面扩散到液体内部。开始阶段分子向液体内部扩散速率大于从液体内部扩散到固体的速率，表观(bio un)上处于溶解状态。介稳区：溶液过饱和，但无扰动、无刺激下无结晶。晶核数量会减少，晶体粒径会增大。真空绝热冷却结晶：冷却和蒸发溶剂的结合。1.槽式结晶器：属于冷却结晶器。35第三十六页，共三十六页。