2.9 沉淀与过滤
2.9.1 沉淀
沉淀是指利用化学反应生成难溶性物质的过程。生成的难溶性沉淀物质通常也简称沉淀。沉淀有时是所需要的产品，有时是欲除去的杂质。在化学分析中，可利用沉淀反应，使待测组分生成难溶化合物沉淀析出，以进行定量测量。在物质的制备中，可通过选用适当的沉淀剂，将可溶性杂质转变成难溶性物质再加以除去的方法来精制粗产物。
无论出于何种目的产生的沉淀，都需与母液分离开来，并加以洗涤。
根据沉淀过程的目的和生成物的性质不同，可采用不同的沉淀条件和操作方式。例如，有些沉淀反应要求在热溶液中进行；为使沉淀完全，多数沉淀反应需要加入过量的沉淀剂等。
沉淀操作通常在烧杯中进行，为了得到颗粒较大、便于分离的沉淀，应在不断搅拌下慢慢滴加沉淀剂。操作时，一手持玻璃棒充分搅拌，另一手用滴管滴加沉淀剂，滴管口要接近溶液的液面，以免溶液溅出。
检查是否沉淀完全时，需将溶液静置，待沉淀下沉后，沿杯壁向上层清液中滴加1滴沉淀剂，观察滴落处是否出现混浊。如不出现混浊即表示沉淀完全，否则应补加沉淀剂至检查沉淀完全为止。
2.9.2 过滤与过滤方法
过滤是分离沉淀物和溶液的最常用操作。当溶液和沉淀的混合物通过滤器（如滤纸）时，沉淀物留在滤器上，溶液则通过滤器，所得溶液称为滤液。溶液过滤速率快慢与溶液温度、黏度、过滤时的压力以及滤器孔隙大小、沉淀物的性质有关。一般来说热溶液比冷溶液易过滤，溶液黏度愈大过滤愈难。抽滤或减压过滤比常压过滤快。滤器的孔隙愈大过滤愈快。沉淀的颗粒细小容易通过滤器，但滤器孔隙过小，易在滤器表面形成一层密实滤层，堵塞孔隙使过滤难以进行。胶状沉淀的颗粒很小，能够穿过滤器，一般都要设法事先破坏胶体的生成。在进行过滤时必须考虑到上述因素。
滤纸是实验室中最常用的滤器，它有各种规格和类型。国产滤纸从用途上分定性滤纸和定量滤纸。定量滤纸已经用盐酸、氢氟酸、蒸馏水洗涤处理过，它的灰分很少，故又称无灰滤纸，用于精密的定量分析中。定性滤纸的灰分较多，只能用于定性分析和分离之用。滤纸按孔隙大小分为“快速”“中速”“慢速”三种，按直径大小又有7cm、9cm、11cm等几种。国产滤纸的规格见表2-9。
表2-9 国产滤纸的规格
2.9.2.1 固液分离方法
固液分离应用十分广泛，在化工生产中占有重要地位。实验室中固液分离有三种方法。
（1）倾析法分离沉淀
当沉淀的颗粒或密度大，静置后能沉降至容器底时，可以利用倾析方法将沉淀与溶液进行快速分离。具体说就是先将溶液与沉淀的混合物静置，不要搅动，使沉淀沉降完全后，将沉淀上层的清液小心地沿玻璃棒倾出，而让沉淀留在容器内，如图2-72所示。
图2-72 倾析法分离沉淀
（2）离心分离沉淀
在离心试管中进行反应时，生成的沉淀量很少，用离心分离方法最为方便。离心分离使用离心机。如图2-73所示，使用时，把盛有混合物的离心管（或小试管）放入离心机的套管内，对面放一支同样大小的试管，试管内装有与混合物等体积的水，以保持平衡。然后慢慢启动离心机，逐渐加速。离心时间根据沉淀性状而定，结晶形沉淀转速大约为1000r·min-1，离心时间为1～2min；无定形沉淀转速约为2000r·min-1，离心时间为3～4min。
图2-73 离心机
由于离心作用，沉淀紧密地聚集于离心试管的尖端，上面的溶液是澄清的，可用滴管小心地吸出上方清液，如图2-74所示，也可将其倾出。如果沉淀需要洗涤可加入少量洗涤剂，用玻璃棒充分搅动，再进行离心分离，如此反复操作两三遍即可。
图2-74 用滴管吸取上层清夜
使用离心机必须注意以下几点。
①为了防止旋转中碰破离心试管，离心机的套管底部应垫棉花或海绵。
②保持旋转中对称和平衡。
③启动要慢。
④关闭离心机电源开关，使离心机自然停止。在任何情况下，不得用外力强制停止。
⑤电动离心机转速很高，应注意安全。
2.9.2.2 过滤方法
过滤一般分为常压过滤、减压过滤、热过滤。
（1）常压过滤
实验室常压过滤使用玻璃漏斗。漏斗中内衬滤纸，主要用于对沉淀进行分离，是重量分析和分离操作中常用的玻璃仪器。漏斗主要有长颈漏斗、短颈漏斗和波纹漏斗三种。长颈漏斗主要用于重量分析中的分离，短颈漏斗主要用于一般沉淀的过滤和分离，波纹漏斗一般用于胶体的过滤和分离。
滤纸按其用途分为定性滤纸和定量滤纸两类。定量滤纸又名无灰滤纸，用稀盐酸和氢氟酸处理过，其中大部分无机杂质都可以被除去，每张滤纸灼烧后的灰分常小于0.1mg，在对沉淀进行高温灼烧后称量时，滤纸灰分的质量对沉淀质量的影响可忽略不计，用于重量分析中。定性滤纸则不然，主要用于对一般沉淀的分离，不能用于重量分析。滤纸按滤速的大小可分为快速型、中速型和慢速型三类。根据直径大小，滤纸的规格有7cm、9cm、11cm、12.5cm。
图2-75是标准的长颈漏斗。过滤前选取一张滤纸对折两次（如滤纸是正方形的，此时将它剪成扇形），拨开一层即成内角为60°的圆锥体（与漏斗吻合），并在三层一边撕去一个小角，使其与漏斗紧密贴合，如图2-76所示。放入漏斗的滤纸，其边缘应低于漏斗边沿0.3～0.5cm。然后左手拿漏斗并用食指按住滤纸，右手拿塑料洗瓶，挤出少量蒸馏水将滤纸润湿，并用洁净的手指轻压，挤尽漏斗与滤纸间的气泡，以使过滤通畅。
图2-75 长颈漏斗
图2-76 滤纸的折叠与装入漏斗
将贴好滤纸的漏斗放在漏斗架上，并使漏斗颈下部尖端紧靠于接收容器的内壁。然后即可用倾析法过滤，如图2-77所示。过滤时，将静置沉降完全的上层清液沿玻璃棒倾入漏斗中（倾析法过滤），液面应低于滤纸边缘1cm。待溶液滤至接近完成再将沉淀转移到滤纸上过滤。这样就不会因沉淀物堵塞滤纸孔隙而减慢过滤速率。沉淀转移完毕，从洗瓶中挤出少量蒸馏水，淋洗盛放沉淀的容器和玻璃棒，洗涤液全部转入漏斗中。图2-78列出了一些常见的错误操作。
图2-77 倾析法过滤
图2-78 列出了一些常见的错误操作
滤纸的选择使用：在重量分析中选用定量滤纸，一般固液分离用定性滤纸。根据沉淀的性质选择滤纸类型，如Fe2O3·nH2O为胶状沉淀需选用“快速”滤纸；MgNH4PO4为粗晶形沉淀，选用“中速”滤纸；BaSO4为细晶形沉淀选用“慢速”滤纸。在大小的选择上，对于圆形滤纸，选取半径比漏斗边高度小0.5～1cm的恰好合适；对方形滤纸应取边长比漏斗边高度的二倍小1～2cm的。一般要求沉淀的总体积不得超过滤纸锥体高度的1/3。
（2）减压过滤
减压过滤是抽走过滤介质上面的气体，形成负压，借大气压力来加快过滤速率的一种方法。减压过滤装置由布氏漏斗、吸滤瓶、安全缓冲瓶、真空抽气泵（或抽水泵）组成，如图2-79所示。布氏（Buchner）漏斗是中间具有许多小孔的瓷质滤器，漏斗颈上配装与吸滤瓶口径相匹配的橡胶塞子，塞子塞入吸滤瓶的部分，一般不得超过1/2。吸滤瓶是上部带有支管的锥形瓶，能承受一定压力，可用来接收滤液。吸滤瓶的支管用橡胶管与安全瓶短管相连。安全瓶用来防止出现压力差使自来水倒吸进吸滤瓶，使滤液受到污染。如果滤液不回收，也可不用安全瓶。减压系统就是真空抽气泵，最常用的是水泵，又叫水冲泵，有玻璃制品和金属制品两种，如图2-80所示。泵内有一窄口，当水流急剧流经窄口时，水将被胶管连接的吸滤瓶中的空气带走，使吸滤瓶内的压力减小。
图2-79 减压过滤装置
1—布氏漏斗；2—吸滤瓶；3—安全瓶；4—减压阀
图2-80 水泵
减压过滤的操作：将滤纸剪得比布氏漏斗直径略小，但又能把全部瓷孔都盖住；把滤纸平放入漏斗，用少量蒸馏水或所用溶剂润湿滤纸，微开水龙头，关闭安全瓶活塞，滤纸便紧吸在漏斗上（同样可用倾析法将滤液和沉淀转移到漏斗内）；开大水龙头进行抽滤，注意沉淀和溶液加入量不得超过漏斗总容量的2/3，一直抽至滤饼比较干燥为止，必要时可用干净的瓶塞、玻璃钉等紧压沉淀，尽可能除去溶剂。过滤完毕，先打开安全瓶活塞，再关水龙头。
减压过滤装置不用水泵，直接与真空水阀连接，更为方便。在某些实验中，要求有较高的真空度，通常用真空泵来抽取气体，使装置减压或成真空状态。真空泵的种类很多，实验室多用比较简单的机械真空泵（简称机械泵），它是旋片式油泵，如图2-81所示。整个机件浸没在饱和蒸气压很低的真空泵油中，真空泵油起封闭和润滑作用。
图2-81 旋片式机械真空泵结构示意图
1—进气管；2—泵体；3—转子；4—旋片；5—弹簧；6—真空泵油；7—排气阀门；8—排气管
真空泵使用注意事项如下。
①开始抽气时，要断续启动电机，观察转动方向是否正确，在明确无误时才能正式连续运转。
②泵正常工作温度须在75℃以下，超过75℃要采取降温措施，如用风扇吹风。
③运转中应注意有无噪声。正常情况下，应有轻微的阀片起闭声。
④停泵时，先将泵与真空系统断开，打开进气活塞，然后停机。
⑤使用真空泵的过程中，操作人员不能离开。如泵突然停止工作或突然停电，要迅速将真空系统封闭并打开进气活塞。
⑥机械泵不能用于抽有腐蚀性、对泵油起化学反应或含有颗粒尘埃的气体，也不能直接抽含有可凝性蒸气（如水蒸气）的气体，若要抽出这些气体，要在泵进口前安装吸收瓶。
减压过滤速率较快，沉淀抽吸得比较干，但不宜用于过滤胶状沉淀或颗粒很细的沉淀。具有强氧化性、缓酸性、强碱性溶液的过滤，会与滤纸作用而破坏滤纸，因此常用石棉纤维、玻璃布、的确良布等代替。对于非强碱性溶液也可用玻璃坩埚或砂芯漏斗过滤。玻璃坩埚（又称砂芯坩埚）和砂芯漏斗的滤片都是用玻璃砂在600℃左右烧结成的多孔玻璃片，如图2-82所示，根据孔径大小有G1、G2、G3、G4、G5、G6六种规格，号码愈大，孔径愈小。
图2-82 过滤器
减压过滤常见的错误操作如图2-83所示。
图2-83 减压过滤错误操作
（3）热过滤
当需要除去热浓溶液中的不溶性杂质，而在过滤时又不致析出溶质晶体时，常采用热过滤法。这种情况一般选用短颈漏斗或无颈漏斗，先将漏斗放在热水、热溶剂或烘箱中预热后，再将溶液倒入漏斗中进行过滤。为了达到最大的过滤速率常采用褶纹滤纸，折叠方法如图2-84所示。
图2-84 褶纹滤纸的折叠方法
从图2-84（a）折到图2-84（c）将已折成半圆形的滤纸分成八个等份，再如图2-84（d）将每份的中线处来回对折（注意折痕不要集中在顶端的一个点上）。
如果过滤的溶液量较多，或溶质的溶解度对温度极为敏感易析出结晶时，可用保温（热滤）漏斗过滤，其装置如图2-85所示。它是把玻璃漏斗放在金属制成的外套中，底部用橡胶塞连接并密封，也有用钢制的夹套热漏斗，使用时夹套内充水约2/3，水太多，加热后可能溢出。
图2-85 保温过滤装置图
（4）洗涤
晶体或沉淀过滤后，为了除去固体颗粒表面的母液和杂质就必须洗涤。
洗涤一般都是结晶和沉淀的后续操作，颗粒大或密度大的沉淀或结晶容易沉降，一般用倾析法洗涤。具体做法是将沉降好的沉淀和溶液用倾析法将溶液倾入过滤器之后，向沉淀中加入少量洗涤液（一般是蒸馏水），用玻璃棒充分搅拌，然后静置，待沉降完全后，将清液用倾析法倾出（视需要倾入过滤器中，或弃之），沉淀仍留在烧杯内，重复以上操作3～4次，即可将沉淀洗净。
有时也直接在过滤漏斗中洗涤。当用玻璃漏斗过滤时，从滤纸边缘稍下部位开始，螺旋形向下移动，用洗涤液将附着在滤纸的沉淀冲洗下来集中在滤纸的锥体底部，反复多次直至将沉淀洗净，如图2-86所示。洗涤时对于水中溶解度大或易于水解的沉淀，不宜用水而应用与沉淀具有同离子的溶液洗涤，这样可以减少沉淀的损失。在非水为洗涤剂的操作中，要根据实际情况选择恰当的洗涤液。
图2-86 沉淀的洗涤
沉淀洗涤所使用洗涤剂的量应本着少量多次的原则。洗涤次数要视要求和沉淀性质而定，在进行定量分析时，有时需要洗十几遍。洗涤是否达到要求，可通过检查滤液中有无杂质离子为依据。