再結晶化を繰り返すとなぜ純度が上がるのか

　結晶化時に不純物が混ざるのは何故かを考えてみると，大きく２つの理由が考えられます。

１つは「不純物も結晶化するから」であり，もう１つは「目的化合物の結晶に不純物分子が混ざり込むから」です。

　まず前者の場合を考えます。この場合，再結晶で不純物が除かれるのは，目的化合物と不純物との間に溶解度の差があるから，又は，目的化合物と不純物の量が異なるからです。

【目的化合物と不純物との間に溶解度の差がある場合】

　今例として再結晶に使用する溶媒に目的化合物は１０ｇしか溶けず，不純物は５０ｇ溶けるとします。そして，両者８０ｇづつの混合物を再結晶するとします。

　１回目の再結晶で，目的化合物は８０ｇ中の１０ｇが溶け，残りの７０ｇが結晶になります。一方，不純物は８０ｇ中の５０ｇが溶け，３０ｇが結晶になります。

　２回目では，目的化合物は７０ｇ中１０ｇが溶けて６０ｇが結晶になります。不純物は３０ｇしかありませんから，全部溶けてしまい結晶にはなりません。つまり，２回目の再結晶で得られる結晶は目的化合物だけを含む事になります。

【目的化合物と不純物の量が異なる場合】

　簡単のため，目的化合物と不純物ともに２０ｇ溶けるとします。今，目的化合物７０ｇと不純物３０ｇの混合物を再結晶した場合を考えます。

　１回目の再結晶で目的化合物と不純物それぞれ２０ｇが溶け，結晶になるのは目的化合物５０ｇと不純物１０ｇです。

　２回目の再結晶では，目的化合物は２０ｇが溶けて３０ｇが結晶になります。一方，不純物は１０ｇすべてが溶けて結晶にはなりません。結果，２回目の再結晶で得られる結晶は目的化合物だけを含む事になります。

　かなり簡単に，また極端な例で示しましたが，基本的にはこの両者が元になって再結晶で化合物の精製ができます。

　次に，「目的化合物の結晶に不純物分子が混ざり込む場合」ですが，この場合，どの程度不純物が混ざり込むかは不純物の濃度に依存すると考えられます。濃度が高い程，混ざり込み易いのは分かると思います。

　上記の様に，再結晶を繰り返すと不純物の濃度は低下しますので，目的化合物の結晶に混ざり込む可能性も低下していきます。結果，再結晶を繰り返すと，目的化合物の純度が上がっていきます。

　いかがでしょうか。

　結晶ができていくとき最初のうちは細かい結晶ができたものがくっついていく際に結晶と結晶の間に不純物が入っていきます。

その時の不純物を５とします。
　また溶解させ再結晶させると今度は結晶同士の間に入るものが３くらいになるのではないでしょうか。残りの不純物は水溶液中に残ったままで。
　これを繰り返すとだんだん単結晶が大きくなり結晶同士の隙間に入っていく不純物の量が減ってアセトアニリドの純度が上がっていくのではないでしょうか。

基本的に再結晶はより純度の高い結晶を作るための方法ですが質問ではアセトアリニドを水に溶解させて濾過し、再結晶させる。

この操作を繰り返すとのことですが、同じ濾過の方法でやる限りは限界があると思います。

この場合、純度を何処まで必要とするかにより、濾過の方法（不純物の取り除き方と言った方がいいかも知れません）も変わると思います。

普通、濾過する場合は濾紙などを使うと思いますが（濾紙を使うことを前提にすると）、この場合取り除ける不純物は濾紙の目よりも大きな物になります。
濾紙の目を小さな物に替えていくとすればある程度純度は上がりますが、上記の理由で限界はある筈です。

それでも不純物（例えばイオン、溶解した分子など）が水に溶けている場合は取り除くことができないことはおわかりだと思います。（ただし、アセトアリニドだけを選択的に濾過できるのであれば別ですが。）

一般的に、結晶の純度をより高めるため方法として、粗結晶を溶かした水溶液中に活性炭などを加え、不純物を吸着させて取り除く場合がよくあります。ただ、この場合もアセトアリニドが活性炭に吸着しないか、吸着力が弱い場合に限られます。

純度を何処まで必要とするかによって再結晶前の扱いが変わってくると言うことだと思います。

前のご質問を見ていないのですが、

「結晶化するときには、不純物を含まない
　純粋結晶の方が自然な組成となり、結晶として生成され
　やすいので結果的に不純物の純度が下がる」
では、ダメでしょうか？

参考URL：http://www.geocities.co.jp/Milkyway/1001/p-nitor …