Базы данных
База данных понятий
Очистка органических веществ путем перегонки с водяным паром широко используется как в лаборатории, так и в промышленности. Процесс заключается в перегонке смеси воды и несмешивающейся с нею жидкости. Несмешивающимися называют жидкости, взаимная растворимость которых является незначительной. Перегоняемая с водяным паром жидкость не должна химически взаимодействовать с водой.
Перегонка с паром позволяет выделить высококипящий компонент при атмосферном давлении и температуре, лежащей ниже 100°С. Поэтому такая перегонка применяется для очистки и выделения высококипящих веществ, разлагающихся при температуре кипения или вблизи нее, а также в тех случаях, когда продукт реакции загрязнен большим количеством нелетучих примесей (например, смол). В промышленности с помощью перегонки с водяным паром производится выделение анилина, нафталина, эфирных масел (из растительного материала), бензола (из каменноугольной смолы) и др.
Перегонка с водяным паром - частный случай перегонки смеси двух жидкостей, нерастворимых друг в друге. Общее давление насыщенного пара таких несмешивающихся жидкостей P, согласно закону Дальтона, равно сумме парциальных давлений ее компонентов р1 и р2.
Р = p1 + р2.
Следовательно, общее давление пара над смесью равно сумме упругостей паров компонентов при данной температуре. Это давление не зависит от соотношения компонентов в смеси, поскольку величины р1 и p2 не зависят от количеств жидкостей. Когда общее давление станет равным атмосферному давлению, смесь закипает. Температура кипения смеси двух несмешивающихся жидкостей всегда ниже температур кипения каждого из компонентов смеси, так как Р больше, чем р1 и p2.
Состав пара над кипящей смесью можно вычислить, учитывая, что число молекул каждого компонента в таком паре пропорционально парциальному давлению компонента при данной температуре (т. е. при температуре кипения смеси).
Если n1 и n2 - количества жидкости и воды в молях, содержащиеся в данном объеме пара, то состав пара определяется отношением n1/n2 = p1/p2, где р1 и p2 - парциальные давления паров перегоняемой жидкости и воды при температуре кипения смеси. Однако n1 = m1/M1 и n2 = m2/M2, где m1 и m2 - массы жидкости и воды в данном объеме пара; М1 и М2 - молекулярные веса (массы) тех же веществ. Отсюда следует m1/m2 = M1p1/M2p2.
Поскольку относительные веса перегоняемой жидкости и воды в паровой фазе равны их относительным весам в дистилляте, то при перегонке получаем количества жидкости и воды, прямо пропорциональные парциальным давлениям паров указанных веществ и их молекулярным весам. Значит, состав пара не зависит от состава жидкой смеси. Температура кипения смеси остается постоянной до тех пор, пока не исчезнет один из компонентов, после чего она скачком повышается до точки кипения второго компонента.
Выгодность применения перегонки с водяным паром обусловлена малым молекулярным весом М2 и низким парциальным давлением водяного пара р2, из-за малого значения произведения М2*р2 значение m1 увеличивается. Благодаря этому такой метод очистки целесообразно применять к веществам, имеющим большой молекулярный вес М1 и малую упругость пара р1.
Пример. При атмосферном давлении анилин кипит при 184,4° С. Известно, что смесь анилина с водой закипает при 98,5° С. При этой температуре давление паров воды равно 720 мм рт. ст., анилина - 43 мм рт. ст. Молекулярный вес анилина равен 93, воды - 18. Находим
m1/m2 = 93*43/18*720 = 3,1/10
Следовательно, на каждые 10 г воды в дистилляте будет содержаться 3,1 г анилина. Дистиллят будет иметь 3,1*100/13,1 = 23,1% анилина и 76,9% воды.
В действительности переходит с паром несколько меньшее количество анилина, так как анилин заметно растворим в воде (в 100 г воды растворяется более 3 г анилина), поэтому давление пара анилина несколько понижено.
Перегонка с водяным паром проводится на установке по перегонке с водяным паром. Перегоняемое вещество вместе с небольшим количеством воды наливают в большую круглодонную колбу с длинной шейкой. К колбе присоединяют длинный холодильник, через который пропускают струю охлаждающей воды. Пар получают в парообразователе, снабженном опущенной почти до самого дна предохранительной трубкой, а также водомерной трубкой. Холодильник соединен форштосом с колбой-приемником. Стеклянная трубка, подводящая пар, должна быть несколько согнута внизу и доходить почти до дна колбы. Колбу располагают несколько наклонно, чтобы летящие при перегонке вверх брызги не попадали в отводящую пары трубку; эта трубка должна лишь немного выдаваться из пробки. Между парообразователем и перегонной колбой можно вставить стеклянный тройник, на боковую трубку которого надевают короткую резиновую трубку с винтовым зажимом. Перед началом работы эту трубку оставляют открытой.
Последовательность работы такова. Следует сначала нагреть колбу с жидкостью и водой почти до кипения. Это предварительное нагревание имеет целью предотвратить слишком сильное увеличение объема смеси в колбе за счет конденсации паров воды в ходе перегонки. В дальнейшем перегонную колбу можно не нагревать. В некоторых случаях предварительного нагревания не производят, тогда следует колбу обернуть куском ткани, чтобы она не остывала. Когда из парообразователя пойдет сильная струя пара, закрывают зажимом резиновую трубку, надетую на тройник, и начинают перегонку с паром. Через находящуюся в колбе жидкость должна проходить довольно сильная струя пара.
Признаком окончания перегонки является появление прозрачного дистиллята (чистой воды). Если перегоняемое вещество имеет заметную растворимость в воде (например, анилин), следует собрать небольшое количество прозрачного дистиллята, содержащего растворенный анилин. По окончании перегонки открывают зажим и лишь после этого гасят горелки (тем самым устраняется опасность втягивания жидкости из перегонной колбы в парообразователь).
Высококипящие вещества, трудно перегоняющиеся с водяным паром, имеющим температуру 100°С, можно перегонять с перегретым водяным паром, если только нет опасности разложения вещества при слишком высокой температуре. Для образования перегретого пара применяют пароперегреватели различного устройства.
Обычно пар из парообразователя поступает в металлический змеевик, обогреваемый пламенем сильной горелки. Пароперегреватель должен иметь патрубок для измерения температуры. Необходимо поддерживать определенную температуру перегретого пара, чтобы контролировать скорость перегонки и избежать разложения вещества. Перегонную колбу следует погрузить в масляную или металлическую баню, нагретую до требуемой температуры, а горло колбы плотно обернуть асбестовым шнуром. Если перегонка ведется при температуре выше 120-130°С, необходимо к перегонной колбе присоединить последовательно сначала воздушный, а затем водяной холодильники.
Применение перегретого пара позволяет во много раз увеличить скорость перегонки труднолетучих веществ.