Перегонка и ректификация. Вакуумная перегонка. Возгонка

Перегонка - один из самых важных методов разделения и очистки веществ. В простейшем случае при перегонке жидкость нагревается до кипения, пары конденсируются, охлаждаясь в холодильнике, и собираются в виде дистиллята в приемнике. Так как при этом происходит перемещение только одной фазы, а именно - пара, то говорят о прямоточной, или простой пере­гонке. Если же часть сконденсированного пара (так называемая флегма) сте­кает навстречу восходящему потоку пара и постоянно возвращается в колбу, мы имеем дело с противоточной перегонкой, или ректификацией.

Зависимость температуры кипения вещества от давления Давление паров жидкости с увеличением температуры возрастает. Когда оно становится равным общему давлению газов над жидкостью, начина­ется кипение. Иными словами, при нагревании в открытом сосуде жид­кость закипает, когда давление ее паров становится равным 760 мм рт. ст.; соответствующая температура называется температурой кипения. Если в сосуде поддерживать уменьшенное давление, вещество закипит при более низкой температуре.

Допустим, при комнатной температуре давление насыщенного пара ве­щества составляет 20 мм рт. ст. Это означает, что в вакууме, при дав­лении 20 мм рт. ст. это соединение закипит при комнатной температу­ре - и дальнейшее понижение давления приведет к тому, что температура кипения вещества опустится ниже комнатной. Последнее явление широко используется при сушке соединений от следов органических растворителей с помощью вакуумных установок.

Исходя из тех же соображений, несложно объяснить меньшую эффек­тивность работы водоструйных насосов летом, а также то, что минималь­ное давление, достигаемое с использованием этих простых приборов, составляет ~5 мм рт. ст. - таково давление паров воды, имеющей температуру ~1 °С.

Зависимость давления паров от температуры приближенно описывается уравнением Клаузиуса-Клапейрона:

где р - давление паров, ∆ _vH - молярная энтальпия испарения; Т - темпе­ратура (К); R - газовая постоянная; С - константа, характерная для каж­дой жидкости. Уравнение справедливо для идеальных газов при условии независимости ∆ _vH от температуры. Таким образом, в идеальном случае зависимость логарифма давления паров от обратной температуры графи­чески изображается прямой. Наклон прямой определяется величиной А_УЯ. Если эта величина известна, зависимость температуры кипения от давле­ния можно рассчитать.

На основании данных о строении молекул вещества можно оценить его теплоту испарения и предсказывать температуру кипения.

Рис. 18. Номограмма давление - температура

Если температура кипения при определенном давлении известна, то можно рассчитать температуру кипения при другом давлении или найти ее приблизительно с помощью соответствующей номограммы (рис. 18)

Как это сделать на практике? На номограмму накладывают короткую линейку таким образом, чтобы она пересекала правую шкалу в точке, соответствующей известному давлению, а левую - в точке, соответ­ствующей температуре кипения. Точка пересечения линии со сред­ней шкалой дает приблизительную температуру кипения вещества при атмосферном давлении. Поворачивая линейку относительно этой точки, на средней шкале получим температуры кипения вещества при раз­личных давлениях. Точность определения температуры кипения с использованием номо­грамм невелика. В настоящее время для этой цели используют специали­зированные компьютерные программы.

Для очень приблизительной оценки можно руководствоваться следую­щим простым правилом: при уменьшении внешнего давления вдвое тем­пература кипения понижается на ~15 °С.