分析化學 / 子課題
分離和提純的方法
Separation and Purification Methods
結晶、蒸餾、液液萃取、色層及熔沸點測定的原理和應用
核心考點 (Knowledge Groups)
1. 結晶、蒸餾與萃取
考評提示：各方法的適用對象、步驟及關鍵觀察
- 結晶：適用於從溶液提純固態化合物。加熱溶劑至飽和，冷卻使溶質形成晶體，雜質則留在母液中。
- 簡單蒸餾：適用於沸點差 ≥ 25°C 的液體或從溶液回收溶劑；分餾柱裝置適用於沸點接近的液體。
- 分餾柱作用：玻璃珠或填料提供大表面積，氣體反覆冷凝—再蒸發，沿柱向上愈高的部份愈接近低沸點組份的純態。
- 液—液萃取：以分液漏斗使溶質在兩種互不相溶的溶劑 (如水與乙醚) 之間按分配係數分布，反覆萃取以提高回收率。
- 分液漏斗使用時須先排氣 (避免壓力累積)，兩層靜置清晰後放出下層，收集上層於容器中。
2. 色層法與純度測試
考評提示：Rf 值計算、紙/TLC/柱色層的原理、熔沸點用於純度檢驗
- 色層法原理：基於組份在固定相與流動相之間的分配係數不同—與固定相作用較弱者隨流動相移動較快。
- Rf (保留因子) = 物質移動距離 / 溶劑前緣移動距離，0 < Rf ≤ 1；在固定溶劑及固定相條件下，Rf 可用於物質鑑定。
- 紙色層：纖維素吸附水為固定相；薄層色層 (TLC)：矽膠/氧化鋁塗層；柱色層：適用於大量樣品的分離。
- 純物質具尖銳、固定的熔點及沸點；含雜質時熔點降低且熔程變寬 (熔點下降 degree 與雜質量呈定性關係)。
- 應用：物質熔點與文獻值比較 (±1°C 內) 可確認身份及純度；混合熔點法可鑑定未知樣品是否與已知物相同。
常見題型 · scoring points
描述結晶法的步驟及操作注意事項
- 選擇合適的溶劑：熱時溶解目標物質多，冷時溶解少；雜質溶於冷溶劑中不析出。
- 加熱溶解至飽和：用熱水浴或回流加熱，避免溶劑大量揮發。
- 熱濾去不溶雜質 (可用預熱漏斗)；冷卻濾液使溶質緩慢結晶。
- 過濾收集晶體 (Buchner 抽氣過濾)，以少量冷溶劑洗滌並風乾。
比較簡單蒸餾與分餾的應用及裝置特點
- 簡單蒸餾：適用於沸點相差 ≥ 25°C 的液體或從溶液提取溶劑；裝置不含分餾柱。
- 分餾：適用於沸點接近 (如乙醇 78°C 與水 100°C) 的液體混合物；裝置加裝分餾柱。
- 分餾柱作用：氣體在填料表面反覆冷凝—再蒸發，使上升氣體逐漸富集低沸點組份。
- 注意：溫度計應置於蒸餾頭側管口 (讀取蒸氣溫度)；不能直接插入燒瓶液體內。
描述液液萃取的原理及操作步驟
- 原理：溶質按分配係數 Kd = [溶質]有機相 / [溶質]水相，在兩種互不相溶的溶劑間分布。
- 操作：將水相混合物與有機溶劑 (如乙醚) 倒入分液漏斗，塞蓋搖晃使兩相充分混合。
- 重要：倒置漏斗開啟活塞排氣 (因揮發性溶劑產生壓力)，防止塞爆開。
- 靜置使兩相分層清晰，放出下層 (水層)，保留含目標的上層 (有機層)；可重複萃取提高回收率。
解釋紙色層法原理及計算 Rf 值
- 原理：纖維素吸附水作為固定相，選定溶劑作為流動相；組份與兩相作用強弱不同，移動速度不同。
- 操作：在濾紙底端畫基線，點上樣品與參考物斑點，將紙插入展開槽使溶劑緩慢上升。
- 計算：當溶劑前緣接近頂端時取出紙，標記前緣位置；Rf = 斑點中心移動距離 / 溶劑前緣移動距離。
- 舉例：某斑點移動 3.6 cm，溶劑前緣移動 8.0 cm → Rf = 3.6 / 8.0 = 0.45。
比較紙色層、薄層色層 (TLC) 及柱色層的異同
- 共同：均基於組份在固定相與流動相之間的分配差異分離。
- 固定相：紙色層為纖維素 + 水；TLC 為矽膠/氧化鋁塗層 (塗在玻璃/塑膠板上)；柱色層多為矽膠填裝於玻璃管中。
- 規模：紙色層/TLC 主要用於分析 (少量)；柱色層可製備性分離 (克量級)。
- 速度與解析：TLC 比紙色層快且分離度高；柱色層可用不同極性溶劑梯度洗提以提高解析。
解釋如何以熔點或沸點測定判斷物質純度
- 純物質具固定、尖銳的熔沸點 (熔程 < 1°C)；與文獻值相符即為純。
- 含雜質：熔點降低且熔程變寬 (例如熔程 > 2°C 暗示純度不足)；沸點可能升高並出現回流時溫度漂移。
- 混合熔點法：將未知樣品與已知純物質等量混合，若熔點未降低且熔程仍尖銳→兩者為同一物質。
- 局限：不適用於分解化合物或熔點附近易昇華的物質，須配合色層法或光譜確認。
設計方案以分離並提純含鹽 (NaCl)、砂和碘的混合物
- 步驟一：將混合物溶於水—NaCl 溶解，砂及 I₂ 不溶 (碘溶解度低)。
- 步驟二：過濾—濾液含 NaCl 溶液；殘渣含砂及 I₂。
- 步驟三：將殘渣加熱昇華—I₂ 昇華為紫色蒸氣，冷卻凝固收集為純 I₂；砂留下。
- 步驟四：將 NaCl 濾液蒸發結晶得純 NaCl。
評估選擇合適分離方法的考慮因素
- 物理性質：熔/沸點差距大→蒸餾；物質在水與有機溶劑間分配係數差異大→萃取。
- 樣品量：分析級少量→TLC 或紙色層；製備級大量→柱色層或蒸餾。
- 雜質種類：難揮發固態雜質→結晶；不同極性有色組份→色層。
- 經濟與安全：考慮溶劑成本及毒性 (盡量選擇無毒/可再循環溶劑)、能源消耗及回收率。
分析化學 其他子課題
關於本文：由 DSE 神器團隊整理，資料以香港考試及評核局（HKEAA）最新公佈為準，含歷屆考評建議引用。最後更新：2026 年 4 月。想隨時隨地溫習？下載 DSE 化學神器 App。
