ОСНОВЫ ПЕРЕГОНКИ

 

1. Простая пегонка. Перегонкой называют процесс, в ходе которого вещество нагревают в соответствующем аппарате до кипения и образовавшийся пар конденсируют. Целью перегонки является разделение жидких летучих веществ; при этом во время процесса наблюдают за температурой / 6 /.

При простой перегонке разделения удаётся достичь лишь в том случае, когда примесь совершенно нелетуча или разница в температурах кипения достаточно велика (более 100оС). Для разделения компонентов смеси с меньшей разницей в температурах кипения применяют ф р а к ц и о н н у ю перегонку. Ректификацией фракций и повторной перегонкой можно увеличить эффективность разделения.

Поведение смесей жидких веществ при перегонке зависит от их взаимной растворимости. Различают три случая:

а) жидкости взаимно нерастворим (перегонка с водяным паром);

б) жидкости ограниченно растворяются друг в друге и при определённом соотношении образуют две фазы;

в) жидкости смешиваются в любых соотношениях; состав паров такой смеси зависит от взаимодействия молекул отдельных компонентов.

Если в смеси находятся химически родственные вещества, то их молекулы взаимодействуют друг с другом практически так же, как молекулы чистых компонентов. Такие растворы называют и д е а л ь н ы м и. Величина упругости паров каждого компонента определяется молярной концентрацией в растворе согласно закона Рауля:

 

ра=Ра*Ха; рв=Рв*Хв

 

где ра, рв — парциальное давление рассматриваемых компонентов в паровой фазе;

Ра, Рв — давление упругости паров чистых компонентов А и В;

Ха, Хв — молярные концентрации компонентов А и В в жидкости.

Основным фактором, определяющим возможность разделения смеси двух веществ, является так называемая относительная летучасть: ‘

 

А=Ра/Рв,

 

т.е. отношение упругости паров компонентов при температуре перегонки. Величина А показывает степень обогащения газовой фазы более летучим компонентом.

На практике чаще всего приходится иметь дело с растворами веществ, на являющимися химически близкими друг к другу. Поведение последних отличается от поведения идеальных растворов, и для них закон Рауля не действителен. Относительную летучесть этих смесей можно вычислить изсоотношения:

 

У/(1-У)=(Х/(1-Х))*А,

 

Где Х— молярная концентрация низкокипящего компонента в растворе;

У — молярная концентрация этого же компонента в парах (эти величины находятся опытным путём).

Заметим, что состав пара и жидкости различен лишь тогда, когда А>1 и только в этом случае можно разделить компоненты смеси перегонкой.

Таким образом, в результате испарения жидкостей устанавливается равновесие между жидкостями и паром, а следовательно, и определённое давление пара. Величина этого давленая зависит от природы компонентов и температуры. С повышением температуры давление пара сильно возрастает.

Температура, при которой давление пара становится равным внешнему давлению, называют т а м п е р а т у р о й к и п е н и я. Так как температура кипения сильно зависит от давления, рядом с цифрой, обозначающей её, необходимо указывать давление, при котором эта температура кипения наблюдалась. Например, t 60оС (200 мм рт.ст.). Если давление не указывается, то имеется в виду нормальное атмосферное давление. Температура кипения сильно зависит от давления, а содержащиеся в веществе примеси могут влиять на неё по-разному. Поэтому температура кипения менее пригодна для идентификации жидкостей и характеристики их чистоты, чем температура плавления для твёрдых веществ.

Для очистки жидких веществ, загрязнённых небольшими количествами примесей, имеющих ничтожное давление пара при температура очищаемой жидкости (например, смолистые полимерные вещества в технических и лабораторных препаратах), простая перегонка является простым и удобным способом очистки. Простую перегонку можно использовать также для очистки твёрдых, веществ с низкой температурой плавления.

Простейший прибор для перегонки состоит из перегонной колбы, холодильника, аллонжа и приёмника. Термометр, показывающий температуру кипения перегоняемой жидкости, размещают так, чтобы шарик ртути находился чуть ниже боковой трубки и полностью омывался парами (практически он должен находиться на менее чем на 0,5 см ниже нижнего образца бокового отвода). Водяное охлаждение холодильника применяют при перегонке жидкостей, кипящих‚до 120^оС; при более высокой температура кипения подачу воды прекращают после заполнения рубашки холодильника, пары охлаждают нагретой водой. При температуре кипения выше 1б0^оС пользуются воздушным холодильником.

Чтобы перегоняемая жидкость не перегревалась, перед началом перегонки в колбу помещают несколько “кипятильников” - кусочков пористого материала (пористой глины, кирпича, пемзы) или заплавленный с одной стороны капилляр. “Кипятильники” являются источником мелких пузырьков воздуха, способствующих спокойному равномерному нагреванию и кипячению. “Кипятильники” вносят толъко в холодную жидкость. При внесении “кипятильников” в разогретую жидкость происходит сильное вспенивание и выброс последней из перегонной колбы. Заполнение колбы жидкостью производят таким образом, чтобы она была заполнена на 2/3 её объёма. Пёрегонную колбу нагревают на соответствующей бане так, чтобы перегонка проходила постепенно. Для нагрева перегонной колбы используют водяные, масляные, песчаные бани, а также расплавы сплавов (сплав Вуда) и другие высокотемпературные материалы в зависимости от температуры кипения жидкости. При перегонке низкокипящих и легковоспламеняющихся растворителей — ацетона, спирта, бензола и особенно диэтилового эфира следует проявлять особую осторожность. Перегонку таких растворителей необходимо проводить в вытяжном шкафу, используя в качестве источника тепла водяную баню. Нагревание колбы с эфиром можно производить только на в о д я н о й бане, нужную температуру в которой поддерживают, приливая горячую воду. При этом в вытяжном. шкафу и вблизи не должны быть включены нагревательные приборы и горелки. Скорость перегонки выбирают обычно такую, чтобы в минуту стекало 30,40 капель дистиллята. При слишком большой скорости перегонки в колбе создаётся повышенное давление. паров, и измеряемая температура не соответствует температуре кипения данной фракции при атмосферном давлении.

2. Фракционная перегонка. Чтобы посредством простой перегонки получить более или менее чистое вещество, отгоняемый дистиллят разделяют по температурам кипения на несколько фракций, чаще всего на три: головную, среднюю и остаток. Головную фракцию вновь перегоняют при этом новая головная франция обогащается низкокипящим компонентом /8/. Остаток после второй перегонки первой головной фракции смешивают со средней фракцией от первой перегонки и продолжают разгонку. Снова отбирают три фракции. Остаток после этой перегонки обогащён высококипящим компонентом и по составу соответствует остатку от первой перегонки. Поэтому обе фракции соединяют вместе и снова разгоняют. Повторяя такие операции несколько раз, получают головную и остаточную фракцию, кипящие при постоянной температуре, т.е. практически чистые вещества. Средняя фракция уменьшается с каждой перегонкой и обогащается компонентами с промежуточной температурой кипения. Такой способ перегонки называют фракционной (дробной) перегонкой. 0днако она трудоёмка, связана с большими потерями и позволяет разделять вещества лишь с достаточной разницей в температурах кипения (рис.2).

3. Перегонка в вакууме. Как уже было отмечено, температура кипения жидкости в значительной степени зависит от давления причём меньшие давления вдвое снижает температуру кипения примерно на 15°С. Так, например, если при 760 мм рт.ст. температура кипения вещества 200 оС, то при 380мм рт.ст. она будет примерно 185 ^оС, а при 190 мм рт.ст. — только 160 оС. Поэтому для очистки веществ широко применяется перегонка в вакууме. Для создания вакуума используют водоструйные, масляные, ртутные и др. насосы /5/.

Установка для вакуум—перегонки изображена на рис. 3.

Основные преимущества вакуумной перегонки:

а) позволяет перегонять без разложения такие вещества, которые. под атмосферным давлением разлагаются при их температуре кипения;

б) уменьшение или вообще исключение действия кислорода;

в) улучшение разложения смеси веществ за счёт увеличения относительной летучести

г) предотвращение образования в некоторых случаях азеотропной смеси.

В отношении аппаратуры н методики проведения процесса вакуумная перегонка несколько отличается от перегонки при атмосферном давлении. Задержка кипения устраняется при перегонке в вакууме с помощью капилляра — тонкой стеклянной трубки с капиллярным отверстием. При создании вакуума из капилляра в жидкость постоянно вводят мелкие пузырьки воздуха и тем самым обеспечивают равномерное перемешивание и кипение. Перегонные колбы, служат для сбора фракций, должны быть только круглодонные. Сначала установки для перегонки в вакууме проверяют на герметичность затем загружают перегонную колбу, заполняя её не более, чем на половину. Вакуум—насос включают при закрытом кране. Для измерения в системе вакуума периодически открывают кран. Перегонную колбу нагревают, как правило, на водяной или масляной бане. Иногда для перегонки высококипящих веществ используют сплав Вуда. После окончания перегонки нужно дать прибору остыть и при закрытом кране 1 открыть кран 2, соединяющий прибор с атмосферой. Кран необходимо открывать медленно, чтобы не было резкого напора атмосферного воздуха на ртуть, т.к. трубка манометра разбивается под ударом ртути.

4. Парегонка с водяным паром. Упругость паров смеси двух растворимых друг в друге жидкостей определяется упругостями паров отдельных компонентов по закону Рауля. Упругость паров смеси лежит между упругостями паров чистых компонентов, а температура кипения смеси находится между температурами кипения отдельных веществ. Если же два вещества практически нерастворимы друг в друге, то они не оказывают никакого влияния на упругость паров смеси:

 

Р=Ра+Рв,

 

Где Ра- упругостъ паров жидкости;

Рв — упругость паров воды.

 

Следовательно, Рв = р-Ра <Р

Общая упругость Р паров смеси определяется в этом случае суммой упругостей отдельных компонентов. Таким образом, суммарная упругость паров смеси больше упругости паров каждого компонента, и температура кипения такой смеси всегда ниже, температуры кипения самого низкокипящего компонента.

Наиболее важным практическим случаем двухфазной перегонки является перегонка водяным паром. Перегонку с паром применяют:

а) для разделения смесей вещества из которых одно-летучее с водяным паром;

б) для очистки веществ от смолистых примесей;

в) если она обеспечивает более полное разделение летучих веществ, нежели перегонка под у давлением. Перегонку с водяным паром можно осуществить как при атмосферном давлении, так и в вакууме. Прибор для перегонки с водяным паром отличается от прибора для простой перегонки тем, что в качестве нагревателя перегоняемой колбы используется перегретый пар, образующийся в специальном приборе—паровике (рис.4).

5. Техника безопасности при проведении перегонки:

а) нельзя перегонять жидкость досуха

б) чтобы обеспечить равномерное нагревание и избежать перегрева, перегонную колбу необходимо нагреть на одном из видов жидкостных бань, причём нужно следить за температурой бани;

в) для пар легколетучих и легковоспламеняющихся жидкостей (эфир) использовать водяную баню без обогрева. Все нагревательные приборы и горелки на рабочем месте должны быть выключены;

г) при простой перегонке следует строго следить за тем, чтобы внутреннее пространство прибора всегда было соединено с атмосферой;

д) при вакуум—перегонке-надеть защитные очки;

ж) категорически запрещается при наличии вакуума в системе делать какие—либо исправления в перегонной установке;

з) по окончанию перегонки в вакууме вначале необходимо охладить парегонную колбу, а затем соединить систему с атмосферой;.

е)”кипятильники” вносить только в холодную смесь;

и) вся посуда для перегонки должна быть чистой и сухой.