Здавалка
Главная | Обратная связь

Проведение перегонки на колонках



 

В перегонную колбу наливают жидкость не более 2/3 ее объема, бросают в колбу «кипелки», так как разделяющая способность колонки сильно зависит от равномерности кипения жидкости. Содержимое колбы быстро нагревают до кипения, а температуру теплоизоляционного слоя (муфты) регулируют таким образом, чтобы температура в ней была на 5° ниже температуры кипения самого легкокипящего компонента. После того как температура перегонки в колбе и муфте установлена, колонку вводят в режим «захлебывания», увеличивая нагревание колбы. При «захлебывании» колонка полностью освобождается от воздуха и вся поверхность насадки смачивается жидкостью. Перегонную колбу нагревают дополнительно до тех пор, пока жидкость не заполнит всю колонку (примерно 10-15 минут). Затем дополнительный обогрев колбы прекращают, и флегмовая жидкость постепенно стекает вниз, при этом нельзя допускать, чтобы головка колонки оказалась сухой. Рекомендуется «захлебывание» повторить еще раз.

После этого устанавливают равновесное состояние колонки, для чего обогрев муфты регулируют так, чтобы температура верхней ее части была равна или немного меньше, чем температура в головке колонки, а температура в нижней части муфты равна или немного меньше температуры, показываемой термометром в перегонной колбе. Колонку выдерживают при полном орошении некоторое время для того, чтобы установилось равновесие. Считается, что для колонок с насыпной насадкой на каждые 10 теоретических тарелок требуется приблизительно 1,5 часа для установления равновесия. Наступление равновесия можно определить по прекращению снижения температуры паров в головке колонки.

После установления равновесия приступают к отбору дистиллята с такой скоростью, чтобы флегмовое число соответствовало ранее заданному. Флегмовое число чаще всего определяют по отношению числа капель, стекающих в единицу времени из головки в колонку, к числу капель дистиллята. Обычно флегмовое число выбирается таким образом, чтобы его числовое значение было приблизительно равно числу теоретических тарелок, необходимых для разделения данной смеси. Дистиллят отбирают в виде одной фракции до тех пор, пока температура постоянна. Как только температура начинает резко повышаться, отбирают промежуточную фракцию, уменьшив при этом флегмовое число.

Если хотят перегнать полностью вещество в колонках, имеющих большую задержку, то в перегонную колбу добавляют жидкость, резко отличающуюся по температуре кипения от исходного вещества.

Для колонок, имеющих диаметр насадочной части до 10-12 мм, незначительное уменьшение нагрева муфты или перегонной колбы может привести к нарушению нормального режима работы, поэтому за работой колонки нужно все время внимательно наблюдать и своевременно устранять причины нарушения режима.

После перегонки колонка очищается 1-2-часовым орошением диэтиловым эфиром, ацетоном, после чего продувается инертным газом. Вычищенную и высушенную колонку хранят в закрытом виде, предохраняя ее от загрязнения и увлажнения.

 

Контрольные вопросы

 

1. Что такое перегонка и какие виды перегонки вы знаете?

2. Требования к посуде при перегонке и правила сборки прибора.

3. Сколько жидкости можно наливать в перегонную колбу?

4. Высушивание жидкостей, требования к осушителям.

5. Перенесение вещества после высушивания в перегонную колбу.

6. Как устанавливают термометр в перегонной колбе?

7. Введение поправок в показания термометра:

а) на выступающий столбик ртути;

б) изменение атмосферного давления;

в) неточность калибровки.

8. Какова должна быть скорость перегонки?

9. Чем характеризуется перегонка чистого вещества, в каких пределах нужно собирать её?

10. Что называется температурой кипения, ее зависимость от давления?

11. Когда применяют перегонку под вакуумом?

12. Для чего применяют «кипелки» и когда их помещают в жидкость?

13. Выбор нагревательного прибора при перегонке.

14. Когда применяют дефлегматоры, каковы их типы?

15. Типы холодильников, их назначение.

16. Работа с эфиром. Отгонка эфира от высококипящих веществ. Техника безопасности при работе с диэтиловым эфиром и другими легколетучими веществами.


ПЕРЕГОНКА С ПАРОМ

Перегонка с паром является частным случаем перегонки двух несмешивающихся жидкостей и наиболее эффективным методом очистки веществ, практически нерастворимых и химически не взаимодействующих с определенным компонентом.

Широко применяют перегонку с водяным паром веществ, не растворимых в воде и химически с ней не взаимодействующих. Иногда лучший эффект дает перегонка с паром других жидкостей, например высококипящих фракций керосина или ртути. Так, очистка п-нитрофенола или индиго с парами высококипящего керосина дает значительно больший выход очень чистого вещества, чем перекристаллизация.

Перегонка с парами ртути применяется для очистки многоядерных ароматических углеводородов.

Если вместо воды применяется другая жидкость, то она должна отвечать следующим требованиям:

– обладать малой взаимной растворимостью с перегоняемым ве-ществом;

– иметь упругость паров, близкую к парам воды;

– иметь низкую молекулярную массу.

При перегонке с паром совершенно безразлично: перегонять вещество с пропусканием пара извне или просто подвергать перегонке смесь вещества с водой.

Перегонка с паром проводится как при атмосферном давлении, так и под вакуумом.

Перегонку с паром применяют:

– для очистки веществ от больших количеств смолистых примесей;

– разделения смесей веществ, из которых только одно летуче с во-дяным паром;

– отделения веществ с высокой температурой кипения от нелетучих примесей, если перегонка с паром более эффективна, чем под вакуумом;

– отделения растворителей с высокой температурой кипения от неле-тучих веществ. Например, отделение перегонкой с паром нитробензола, являющегося растворителем, от нелетучих продуктов реакции;

– разделения смесей на фракции, если перегонка с паром более эффективна, чем кристаллизация, экстракция или перегонка под вакуумом.

Перегонку с водяным паром нельзя применять, если перегоняемое вещество неограниченно растворимо в воде или химически взаимодействует с водой в условиях перегонки.

С водой в условиях перегонки с водяным паром могут взаимодействовать следующие классы органических веществ: сложные эфиры минеральных кислот, сложные эфиры карбоновых кислот, ортоэфиры муравьиной и угольной кислот, ангидриды кислот, амиды кислот, нитрилы кислот, галоидангидриды карбоновых и сульфокислот, изонитрилы, амидины, гидроксамовые кислоты, a-галогенозамещенные альдегиды, a-галоидкетоны, a-галоидкислоты, a-галоидарилы, орто- нитро- или сульфогалоидарилы, алкоголяты и меркаптиды, окиси олефинов и этиленимины, кетены, элементорганические соединения (натрия, калия, лития, рубидия, цезия, магния, цинка, алюминия, бора), алкилхлорсиланы, первичные алкилфосфины, диазосоединения, сульфокислоты, нитрозоалканы и другие.

По своему поведению при перегонке с водяным паром вещества могут быть разделены на две группы:

– вещества, практически нерастворимые в воде и не изменяющие давление пара в присутствии воды (углеводороды, галогено- и нитропроизводные, простые эфиры и т.д.);

– вещества, незначительно растворимые в воде и сильно уменьшающие давление пара в присутствии горячей воды (кислоты, спирты, фенолы, амины).

Насыщенный пар несмешивающихся веществ подчиняется закону Дальтона – общее давление газовой смеси есть сумма парциальных давлений отдельных газов:

 

Р = Р1 + Р2 + Р3 + … + Рn , (6)

 

где Р – общее давление газовой смеси; Р1, Р2, Р3, … Рn – парциальное давление отдельных газов.

Кипение таких смесей начинается, когда сумма парциальных давлений насыщенного пара будет равна внешнему давлению. Таким образом, перегонка с водяным паром происходит всегда при температуре ниже температуры кипения чистой воды, то есть ниже 100°С. Температуру кипения в этом случае можно определить из графика зависимости упругости пара от температуры, построенного по данным, приведенным в [14].

В связи с тем, что общее давление пара смеси нерастворимых веществ не зависит от относительного количества составляющих смесь компонентов, составы пара и, соответственно, дистиллята остаются постоянными до тех пор, пока имеются все компоненты смеси.

Состав пара и дистиллята определяется по закону Авогадро: при температуре кипения компоненты переходят в пар в мольном соотношении, отвечающем соотношению их парциальных давлений:

 

откуда весовое количество вещеcтва, отгоняемого с водяным паром вычисляется по формуле

 

а в общем виде

 

(7)

 

где Wa и Wв – весовое количество вещества и воды в дистилляте; Ра и Рв – давление пара вещества и воды; Ма и 18,016 – молекулярные массы вещества и воды.

Из последней формулы следует, что чем выше молекулярная масса вещества, тем меньше его перегоняется с одним граммом воды. Однако опытные данные всегда меньше, чем это следует из формулы, так как водяной пар не успевает полностью насытиться парами вещества.

В случае, когда вещества ограниченно растворимы в воде, перегонка с паром определяется более сложными закономерностями, так как молекулы этих веществ ассоциированы и образуют в водном растворе более или менее стойкие гидраты. Перегонка с паром характеризуется лишь константой, вычисляемой на основании эмпирически устанавливаемого состава дистиллята:


(8)

 

где К – относительная летучесть вещества с водяным паром; х1 и у1 – процентное содержание вещества и воды в колбе в начале какого-либо периода перегонки; х2 и у2 – соответствующее количество вещества и воды в конце перегонки.

Следует помнить, что имеющиеся в литературе [4] значения К могут быть использованы для расчетов только при полном совпадении условий опыта.

В гомологических рядах данной группы соединений имеется зависимость между молекулярной массой и летучестью с водяным паром: с увеличением молекулярной массы возрастает и летучесть с паром. Это объясняется тем, что с увеличением углеводородного остатка уменьшается влияние полярной группы, ее гидратация и т.п.

При перегонке с паром ограниченно растворимых веществ рекомендуется прибавлять к смеси какую-нибудь инертную соль в таком количестве, чтобы ее концентрация была больше шестинормальной. Особенно увеличивает летучесть с водяным паром хлористый натрий; по-видимому, он уменьшает степень гидратации полярных соединений.

Если вещество достаточно неустойчивое или имеет очень низкое давление паров, то применяют перегонку с водяным паром под вакуумом. Этот вид перегонки более выгоден из-за разной зависимости давления паров от температуры у ассоциированной воды и вещества.

Перегонку с водяным паром при атмосферном давлении проводят в приборе, состоящем из металлического или стеклянного парообразователя, круглодонной длинногорлой колбы, длинного водяного прямого холодильника, аллонжа и приемника (рис. 11, 12).

Парообразователь должен иметь предохранительную трубку длиной около одного метра, которая предохраняет прибор от разрушения под действием избыточного давления. Парообразователь заполняется не более чем на 2/3 объема водой, так как при большем заполнении возможен переброс кипящей воды в перегонную колбу. Для более полного использования воды на парообразование предохранительная трубка должна доходить почти до дна парообразователя. Иногда парообразователь снабжают каплеуловителем, так как вместе с паром увлекаются мельчайшие капельки воды. Рекомендуется закреплять парообразователь за горловину в зажиме штатива, чтобы исключить несчастный случай при опрокидывании парообразователя.

Парообразователь при помощи резиновой трубки через тройник соединяют с пароподводной трубкой. Перегонная колба заполняется не более чем на 1/3 и располагается наклонно, чтобы летящие вверх брызги жидкости не попадали в пароотводную трубку (рис. 11). Применение каплеуловителя (см. рис. 54) решает эту проблему (рис. 12).

При сборке прибора необходимо учесть, что перегонная колба должна обогреваться нагревателем. Перегонная колба снабжается резиновой пробкой, в которой две трубки. Трубка для подвода пара должна иметь изогнутый конец при наклонном расположении колбы, чтобы пар проходил через весь слой жидкости, и по длине она должна почти достигать дна колбы. Если трубка для подвода пара плотно упирается в дно колбы или закупоривается застывшим веществом, то в парообразователе возникает избыточное давление, которое приводит к выбросу кипящей воды через предохранительную трубку.

Трубка, отводящая пар, должна быть большего диаметра и немного выходить из пробки (0,5-1,0 см).

Перегонку с водяным паром проводят следующим образом: нагревают заполненный на 2/3 парообразователь, после чего начинают собирать прибор. Собрав, его подсоединяют к парообразователю, оставив открытым боковой отросток тройника.

 

 

 

 


Рис. 11. Прибор для перегонки с водяным паром:

1 – парообразователь; 2 – трубка предохранительная; 3 – тройник; 4 – зажим винтовой; 5 – трубка пароподводная; 6 – колба перегонная (круглодонная длинногорлая); 7 – перегоняемое вещество и вода; 8 – колбонагреватель; 9 – трубка пароотводная; 10 – холодильник; 11 – аллонж; 12 – приемник; 13 – штатив; 14 – горелка

 

 


Рис. 12. Прибор для перегонки с водяным паром:

1 – парообразователь; 2 – трубка предохранительная; 3 – тройник; 4 – зажим винтовой; 5 – трубка пароподводная; 6 – колба перегонная (2- или 3-горлая); 7 – перегоняемое вещество и вода; 8 – колбонагреватель; 9 – каплеуловитель; 10 – холодильник; 11 – аллонж; 12 – приемник; 13 – штатив; 14 – горелка


 

Для уменьшения объема жидкости в перегонной колбе за счет конденсации подаваемого пара её предварительно подогревают колбонагревателем. Рекомендуется нагревание перегонной колбы продолжать на протяжении всей перегонки, особенно когда она занимает продолжительное время. Нагревание колбы нужно обязательно проводить и в случае перегонки тяжелой и очень вязкой жидкости, что приводит к уменьшению гидростатического сопротивления столба жидкости.

Когда вода в парообразователе закипит, закрывают винтовой зажим на тройнике, пропускают пар через жидкость в перегонной колбе. Пар, насыщенный парами вещества, конденсируется в хорошо действующем холодильнике.

Если перегоняемое вещество имеет температуру плавления выше комнатной, то в холодильнике вещество может осесть в виде кристаллов и даже закупорить холодильник, что приведет к выбросу кипящей воды через предохранительную трубку. Для предотвращения этого с самого начала перегонки холодильник только заполняют водой, не давая циркуляции воды. Пары воды и вещества нагревают воду в рубашке холодильника, и таким образом исключается застывание вещества. Затем, установив небольшую циркуляцию воды в холодильнике, добиваются такого положения, чтобы вещество не застыло и в то же время весь пар конденсировался в холодильнике. Подачу холодной воды в холодильник нужно производить в этом случае очень осторожно, чтобы предотвратить растрескивание его от резкой смены температуры.

Регулируя подачу пара нагревом парообразователя и воды в холодильник, добиваются того, чтобы перегонка происходила с достаточной скоростью. Её ведут до тех пор, пока из холодильника не начнет стекать чистая вода.

После окончания перегонки сначала гасят горелку, затем открывают винтовой зажим на тройнике, иначе при быстром охлаждении парообразователя создавшийся в нем вакуум втянет жидкость из перегонной колбы в парообразователь.

Перегнанное с водяным паром вещество отделяют от воды во флорентийском сосуде или делительной воронке, а для веществ, мало растворимых в воде, проводят экстракцию. Если количественное выделение вещества из сравнительно большого количества воды неудобно, то используют приборы, обеспечивающие автоматическое возвращение перегнанного водного раствора в перегонную колбу, что позволяет ограничить объем воды до минимума.

Перегонку с перегретым водяным паром (рис. 13) применяют для веществ, имеющих высокие температуры кипения и при 100°С незначительную упругость паров. Температуру перегретого пара выби-рают такой, чтобы вещество как можно меньше разлагалось. Перегретый пар получают, пропуская водяной пар через нагретый змеевик (паропере-греватель). Пароперегреватель располагают между парообразователем и колбой перегонной и нагревают до необходимой температуры на плитке электрической или горелке. Следят, чтобы расстояние между пароперегревателем и колбой перегонной было как можно мéньшим. Для предотвращения охлаждения паров и его конденсации колбу перегонную нагревают на масляной бане при температуре на 10-15° выше температуры подаваемого пара.

 

 


Рис. 13. Прибор для перегонки с перегретым водяным паром:

1 – парообразователь; 2 – трубка предохранительная; 3 – тройник; 4 – зажим винтовой; 5 – трубка пароподводная; 6 – колба перегонная (круглодонная длинногорлая); 7 – перегоняемое вещество и вода; 8 – баня масляная; 9 – каплеуловитель; 10 – холодильник; 11 – аллонж; 12 – приемник; 13 – штатив; 14 – горелка; 15 – парообразователь (змеевик); 16 – плитка электрическая; 17 – термометр; 18 – гильза для термометра

 

Прибор для перегонки с водяным паром небольшого количества вещества (рис. 14) состоит из круглодонной колбы, в которую на пробке вставлена пробирка с двумя трубками: нижняя – для ввода водяного пара в слой вещества и верхняя – для отвода смеси паров. Отводную трубку соединяют с холодильником, затем устанавливают аллонж и приемник. В круглодонную колбу наливают дистиллированную воду, которую нагревают до энергичного кипения каким-либо нагревателем.

При перегонке с водяным паром иногда образуются устойчивые эмульсии. В этом случае продукт выделяют высаливанием или проводят экстракцию органическим растворителем.

 

 

Рис. 14. Прибор для перегонки малых количеств веществ с водяным паром: 1 – колба круглодонная; 2 – пробирка с двумя трубками; 3 – холодильник
Контрольные вопросы

 

1. Какое различие в давлении паров над смесью:

а) двух взаимно растворимых ве-ществ;

б) двух взаимно нерастворимых ве-ществ?

2. С парами каких жидкостей можно про-изводить перегонку несмешивающихся веществ; каким требованиям они должны отвечать?

3. На каком законе основана перегонка несмешивающихся веществ? При какой температуре она происходит? Какой тип холодильника применяется?

4. На чем основана перегонка огра-ниченно растворимых веществ, какие закономерности при этом установ-лены?

5. Каким законом определяется состав дистиллята?

6. В каких случаях применяется перегон-ка с паром, когда ее нельзя применять? Написать реакции взаимодействия с водой упомянутых в тексте (см. с. 27-28) классов органических соединений.

7. Сколько жидкости необходимо наливать в перегонную колбу, в парооб-разователь?

8. Как должны располагаться пароподводная и пароотводная трубки?

9. О чем говорит:

а) выброс кипящей воды из парообразователя;

б) выход пара через предохранительную трубку?

10. Как проводить перегонку веществ, имеющих высокую температуру плавления?

11. Когда применяется перегонка с перегретым паром?

12. В каком приборе производят микроперегонку?








©2015 arhivinfo.ru Все права принадлежат авторам размещенных материалов.