CHEMIA OGÓLNA
ĆWICZENIA LABORATORYJNE
Red. E. Luboch, M. Bocheńska, J.F. Biernat
Skrypt PG 2003
Rozdział 19 i 20 – Materiał obowiązujący do ćwiczenia laboratoryjnego Nr 6
Identyfikacja związków organicznych
19. DESTYLACJA
Destylacja jest jedną z najwcześniej poznanych technik rozdzielania i oczyszczania substancji ciekłych, wykorzystującą fakt, że poszczególne składniki mieszaniny różnią się temperaturą wrzenia. Substancja o niższej temperaturze wrzenia szybciej przechodzi w stan gazowy w danej temperaturze niż substancja o wyższej temperaturze wrzenia. Tak więc skład ilościowy par znajdujących się w kontakcie z roztworem dwóch, lub większej liczby składników jest inny niż skład roztworu.
Rozpatrzymy układ składający się z fazy ciekłej, zawierającej dwa składniki A i B oraz pozostającej z nią w kontakcie fazy gazowej zawierającej pary składnika A i pary składnika B.
Rysunek 19.1 przedstawia w formie diagramu prężności par nad mieszaniną dwóch cieczy A i B tworzących roztwór idealny. Zgodnie z prawem Raoulta prężność par składnika A nad roztworem jest wprost proporcjonalna do ułamka molowego składnika A w roztworze.
PA = XA . PoA
PB = X B . PoB
gdzie PoA i PoB to odpowiednie wartości prężności par składników A i B nad czystymi składnikami A i B w tej samej temperaturze.
XA i XB - ułamki molowe składników A i B w roztworze definiowane jako stosunek liczby moli danego składnika do sumy liczby moli wszystkich składników w roztworze.
Uwzględniając fakt, że prężność całkowita P w mieszaninie gazów jest równa sumie prężności par poszczególnych składników (prawo ciśnień cząstkowych Daltona), można napisać:
P = PA + PB = XA . PoA + XB . P oB
Skład mieszaniny gazowej jest determinowany ciśnieniem cząstkowym każdego ze składników mieszaniny. Z prawa Daltona wynika również, że ułamek molowy składnika w mieszaninie gazów (xA, xB) jest równy stosunkowi jego prężności cząstkowej do ciśnienia całkowitego.
xA = PA / (PA + PB ) i xB = PB / (PA + PB)
Zasadę destylacji można wyjaśnić posługując się diagramem prężności par nad mieszaniną dwóch cieczy tworzących roztwór idealny (Rys. 19.1.).
Rys. 19.1. Diagram prężności pary nad mieszaniną dwóch cieczy A i B tworzących roztwór idealny.
Omówmy to na przykładzie:
Z diagramu widać, że prężności par czystych substancji wynoszą odpowiednio PoA =20mmHg i PoB = 50mmHg. . Załóżmy, że mieszanina zawiera 0,25 mola frakcji A i 0,75 mola frakcji B. Prężność par roztworu o takim składzie wynosi:
P = PA + PB = X A PoA + XB PoB = 0,25 × 20 + 0,75 × 50 = 42,5mmHg
Jaki jest skład mieszaniny gazowej nad roztworem?
xA = PA / (PA + PB) = 5 / 42,5 = 0,117
xB = PB / (PA + PB) = 37,5 / 42,5 = 0,883
Jeśli skroplimy pary tej mieszaniny otrzymamy roztwór, w którym ułamek molowy frakcji A wynosi już tylko 0,117, natomiast ułamek molowy frakcji B wzrósł do 0,883.
Dzięki destylacji skład cieczy wzbogaca się w składnik B, a jej temperatura wrzenia ulega obniżeniu. Powtarzając proces wzbogacania otrzymamy czysty składnik B. Jest to składnik o wyższej prężności par, a więc o niższej temperaturze wrzenia.
Zasadę destylacji można również wyjaśnić posługując się diagramem temperatur wrzenia (rys. 19.2). Ciecz o składzie odpowiadającym punktowi C wrze w temperaturze T dając parę, a więc i destylat o składzie D, czyli wzbogacony o bardziej lotny składnik B.
Rys. 19.2. Diagram temperatur wrzenia dwóch cieczy.
Jeżeli zbierzemy oddzielnie pierwsze porcje destylatu, a więc porcje wzbogacone o bardziej lotny składnik B i poddamy je ponownej destylacji zbierając pierwsze porcje, to po powtórzeniu takiej cząstkowej, czyli frakcjonowanej destylacji możemy dojść do praktycznie czystego składnika B.
Destylację można prowadzić w różny sposób, w zależności od właściwości substancji destylowanej i charakteru zanieczyszczeń. I tak wyróżniamy:
1. destylację prostą (z chłodzeniem wodnym lub powietrznym)
2. destylację frakcyjną
3. destylację pod zmniejszonym ciśnieniem
4. destylację z parą wodną
W UZUPEŁNIENIU podano i wyjaśniono sposoby prowadzenia różnego typu destylacji.
W celu sprawdzenia czy poprzez destylację osiągnęliśmy zamierzony cel, tzn. uzyskanie czystej substancji, poddajemy ją identyfikacji polegającej najczęściej na oznaczeniu:
- temperatury wrzenia
- gęstości
- współczynnika załamania światła.
Sposób tych pomiarów podano w UZUPEŁNIENIU.
Część doświadczalna
Ćwiczenie 1.
Destylacja prosta i identyfikacja destylowanej substancji.
Zestawić aparaturę do destylacji według schematu na rys. 19.3. Wykonać destylację substancji A i oznaczyć jej temperaturę wrzenia oraz współczynnik załamania światła.
Ćwiczenie 2.
Zastosowanie wyparki próżniowej do usuwania rozpuszczalników z mieszaniny poreakcyjnej.
Z mieszaniny dwuskładnikowej usunąć rozpuszczalnik pod zmniejszonym ciśnieniem, stosując wyparkę obrotową - (rys.19.7)
Zidentyfikować pozostały w kolbie składnik oznaczając jego współczynnik załamania światła oraz gęstość.
Ćwiczenie 3.
Destylacja frakcyjna - rozdzielenie składników mieszaniny.
Zestawić aparaturę do destylacji frakcyjnej (rys. 19.5) i na drodze destylacji rozdzielić składniki mieszaniny. Podać temperatury wrzenia oraz współczynniki załamania światła każdego ze składników
.
UZUPEŁNIENIE
1. Destylacja prosta.
Polega na doprowadzeniu destylowanej cieczy do wrzenia dostarczając ciepło i następnie skropleniu powstałej pary w chłodnicy w destylat.
Zestaw do prostej destylacji pod ciśnieniem atmosferycznym przedstawia rys. 19.3. Aparatura składa się z kolby destylacyjnej, chłodnicy, przedłużacza oraz odbieralnika. Kolba destylacyjna jest połączona z chłodnicą za pomocą nasadki destylacyjnej. Należy pamiętać, że zbiornik rtęci termometru winien być całkowicie omywany parą, tzn. kulka termometru ma znajdować się nieco poniżej bocznej rurki nasadki destylacyjnej. Przed rozpoczęciem ogrzewania do kolbki należy wrzucić kawałek kaolinu, który zapewnia równomierne wrzenie cieczy.
Dla cieczy wrzących powyżej 150°C należy użyć chłodnicy powietrznej, ponieważ duża różnica w temperaturze wrzenia wody chłodzącej i destylatu może spowodować pęknięcie chłodnicy.
Dopóki nie rozpocznie się wrzenie cieczy, kolbę ogrzewa się raczej intensywnie, następnie zmniejsza się intensywność ogrzewania i reguluje dopływ ciepła tak, aby destylat spływał z chłodnicy z szybkością 1 - 2 kropel / sek. Destylacja nie powinna być prowadzona zbyt powoli, ponieważ w przypadku niedostatecznego dopływu świeżych par do zbiornika z rtęcią termometr oziębia się i odczyty temperatury są nieprawidłowe.
Rys. 19.3. Zestawy do destylacji: a) z chłodnicą wodną, b) z chłodnicą powietrzną
Po dojściu cieczy do stanu wrzenia obserwuje się na termometrze najpierw szybki wzrost temperatury, następnie w pobliżu temperatury wrzenia wzrost ten staje się powolny. Zbierający się destylat stanowi tzw. przedgon. Gdy temperatura ustali się, do aparatury przyłącza się czysty zważony odbieralnik i zbiera się tzw. frakcję właściwą. W regularnych odstępach czasu należy notować wskazania termometru. Gdy obserwowana temperatura zmieni się o 2 - 3°, zmienia się ponownie odbieralnik i zbiera frakcję wyżej wrzącą, tzw. pogon. Jeżeli destylowana ciecz nie jest zbyt zanieczyszczona, to większość jej powinna przedestylować w wąskich granicach temperatury. Pamiętajmy jednak, że nigdy nie należy destylować do końca: w kolbie musi pozostać niewielka ilość cieczy.
Gdy temperatura nie ustala się, lecz stale wzrasta, oznacza to, że związku nie można oczyścić za pomocą destylacji zwykłej i że trzeba zastosować destylację frakcyjną, tzw. rektyfikację. Destylację frakcyjną stosujemy również wtedy, gdy różnica temperatur wrzenia składników mieszaniny nie jest odpowiednio duża.
2. Destylacja frakcyjna.
W laboratorium i w technice przeprowadzamy destylację frakcjonowaną przy użyciu deflegmatorów lub kolumn destylacyjnych. Są to długie pionowe rury, poprzez które pary podążając ku górze ulegają częściowemu skropleniu; skropliny spływają w dół kolumny i są zawracane do kolby. Wewnątrz kolumny następuje bezpośrednie zetknięcie się zawracanej cieczy z dążącymi ku górze parami. W wyniku wymiany cieplnej pomiędzy dwiema fazami dążącymi do stanu równowagi, pary zostają wzbogacone w bardziej lotny składnik kosztem fazy ciekłej. Rozdzielenie mieszaniny na czyste składniki jest możliwe w przypadku, gdy krzywa prężności par w zależności od stężenia nie wykazuje ani maksimum ani minimum. W przeciwnym przypadku nie udaje się rozdzielić mieszaniny przez destylację na czyste składniki, ponieważ w punkcie odpowiadającym maksimum lub minimum skład cieczy i pary jest taki sam. Roztwór o takim składzie nazywamy azeotropem. Destylacja frakcjonowana w takim przypadku prowadzi do rozdzielenia, albo na składnik A i azeotrop, lub na składnik B i azeotrop rys. 19.4.).
Rys. 19.4. Diagram prężności par mieszaniny azeotropowej
Na rys. 19.5 przedstawiono zestaw do destylacji frakcyjnej z zastosowaniem kolumny Vigreux o umiarkowanej sprawności (jedna z najczęściej stosowanych kolumn). Kolumnę Vigreux stanowi rura szklana z wygięciami wykonanymi w ten sposób, że co drugie wgięcie na tym
Rys. 19.5. Zestaw destyla- cyjny z kolumną Vigreux
samym poziomie jest skierowane w dół pod kątem 45°. Ma to na celu zbieranie cieczy ze ścian i przeniesienie jej do środka kolumny. Mieszaninę, którą poddaje się destylacji, umieszcza się w kolbie o takiej pojemności, aby ciecz wypełniała najwyżej połowę kolby i wrzuca się kilka kawałków porowatej porcelany aby zapewnić równomierne wrzenie cieczy. Boczną rurkę kolumny łączy się z chłodnicą wodną. Destylat zbiera się w małych kolbkach stożkowych. Zbiornik termometru powinien znajdować się nieco poniżej poziomu bocznej rurki kolumny. Celowe jest owinięcie kolumny specjalną tkaniną lub folią, co ogranicza chłodzenie kolumny. Izolowanie kolumny ma zasadnicze znaczenie wtedy, gdy którykolwiek ze składników mieszaniny wrze w temperaturze przekraczającej 100°C.
Kolbę ogrzewa się w...
inzynieria.biomedyczna