Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Химическая технология органических веществ. Учебное пособие-1
.pdf
Рис. 2.40. Установка для фракционной перегонки:
а – колба Вигре; б – насадочная колонка
Методика проведения перегонки
Фракционную перегонку проводят следующим образом.
Подлежащую разделению смесь помещают в перегонную колбу и
ведут перегонку, собирая фракции, перегоняющиеся в разных
температурных интервалах, в отдельные приемники. При неизвестном
101
составе исходной смеси температурными интервалами, в которых
отбираются фракции, задаются произвольно, либо сообразуясь со
скоростью подъема температуры паров при перегонке (при быстром
подъеме температуры интервал, в котором отбираются фракции,
можно принять большим, так как количество отобранной фракции при
этом бывает небольшим).
При известном составе перегоняемой смеси температурные
интервалы фракций выбирают так, чтобы отдельно собирать фракции,
соответствующие температурам кипения имеющихся в смеси веществ
(в интервалах 2 – 50С), и отдельно промежуточные фракции. Если
количество вещества в промежуточных фракциях будет большим, то
между температурами кипения веществ следует отбирать не по одной,
а по 2 – 3 промежуточные фракции.
После этого производят повторное фракционирование. В
перегонную колбу помещают фракцию от первой перегонки и
производят перегонку.
Легкокипящую фракцию отбирают отдельно, а вторую
фракцию отбирают в таком же температурном интервале, как первую
фракцию при первой перегонке. Затем, к остатку в перегонной колбе
добавляют вторую фракцию от первой перегонки, после чего
отбирают фракцию, приблизительно соответствующую по
температурным интервалам второй фракции первой перегонки. Таким
образом, последовательно перегоняют все полученные от первой
перегонки фракции. Если необходимо, проводят несколько
последовательных перегонок, причем с каждой повторной перегонкой
происходит все более четкое разделение первоначальной смеси. При
этом скорость повышения температуры при перегонке фракций,
соответствующих по температуре кипения индивидуальным
веществам, уменьшается, и температурные интервалы этих фракций
следует сужать, разбивая каждую из них на 2 или 3 фракции или
увеличивая температурные интервалы промежуточных фракций.
При достижении четкого разделения основные фракции при
повторной перегонке должны перегоняться в узких температурных
интервалах, соответствующих температурам кипения
индивидуальных веществ, и не давать после перегонки более
высококипящего остатка.
102
Часто встречающейся ошибкой при фракционной перегонке
является стремление провести перегонку возможно быстрее. Иногда
для этой цели закрывают дефлегматор теплоизоляционным
материалом, значительно снижая, таким образом, его эффективность и
затрудняя процесс разделения.
Закрывать дефлегматор теплоизоляцией нужно лишь при
перегонке высококипящих веществ, когда требуется избежать полной
конденсации паров в дефлегматоре. Но и в этом случае следует
изолировать лишь нижнюю часть дефлегматора. В открытой верхней
части в этом случае будет происходить интенсивное образование
флегмы, обеспечивающее хороший массообмен между паром и
жидкостью по всей высоте дефлегматора.
Перегонка с водяным паром
Перегонка с водяным паром – один из распространенных
методов разделения и очистки органических веществ. Этот метод
широко используется не только в лаборатории, но и в
промышленности. Перегонка с паром применяется к веществам,
которые практически не смешиваются с водой и химически не
взаимодействуют с ней / 2 /.
Перегонку с паром ведут в следующих случаях.
1. Для выделения из смесей и очистки многих веществ,
которые кипят при очень высокой температуре или вообще не
перегоняются без разложения.
2. Для очистки веществ, загрязненных большим количеством
смолистых примесей.
3. Для разделения смесей веществ, из которых только одно
вещество отгоняется с водяным паром (например, природные смолы и
масла могут быть разделены этим методом на летучие с паром и
нелетучие фракции).
4. Для выделения нелетучих с паром твердых веществ из их
растворов в растворителях с высокой температурой кипения (таких,
как нитробензол с температурой кипения 2100С, который
перегоняется с водяным паром при 990С).
5. Для выделения малорастворимых в воде веществ, имеющих
при температуре около 100 0С заметное давление пара.
103
С повышением температуры давление паров воды и давление
Q
B
PB
M
A
паров не смешивающегося с нею вещества возрастают практически
независимо одно от другого.
Кипение начинается, когда сумма парциальных давлений
насыщенного пара будет равна внешнему давлению. Следовательно,
согласно закону Дальтона, суммарное давление пара Р является
суммой парциальных давлений паров перегоняемого вещества А и
воды В:
Р = РА + РВ. (2.8)
Таким образом, эта смесь перегоняется при более низкой
температуре, чем чистая вода.
В дистилляте будут одновременно пары воды и перегоняемого
вещества.
Относительное количество вещества, отгоняемого с водяным
паром, можно найти по следующему уравнению:
A
Q
=
B
PA M
PB M
A
(2.9)
где QA – количества вещества в дистилляте; QB – количество воды в
дистилляте; MA – молекулярный вес вещества; MB – молекулярный
вес воды; PA – давление паров вещества при температуре перегонки;
PB – давление паров воды при температуре перегонки.
Давление паров воды PB при температуре перегонки в каждом
случае может быть найдено из табл. 2.5.
Давление паров вещества PA, следовательно, равно 760 – PB.
Отсюда можно определить весовое количество воды,
необходимое для перегонки 1 г вещества:
B
Q
=
B
M
(760 - PB)
(2.10)
104
Таблица 2.5. Давление пара воды при различных температурах
С
0
Давление,
Температура,
мм рт ст.
С
0
Температура,
Давление,
мм рт ст.
С
0
Температура,
Давление,
мм рт ст.
С
0
Температура,
Давление,
мм рт ст.
60 149,3 70 233,7 80 355,1 90 525,8
61 156,4 71 243,9 81 369,7 91 546,0
62 163,8 72 254,6 82 384,9 92 567,0
63 171,4 73 265,7 83 400,6 93 588,6
64 179,3 74 277,2 84 416,8 94 610,9
65 187,5 75 289,1 85 433,6 95 633,9
66 196,1 76 301,4 86 450,9 96 657,6
67 205,0 77 314,1 87 468,7 97 682,1
68 214,2 78 327,3 88 487,1 98 707,3
69 223,7 79 341,0 89 506,1 99 733,2
Так, например, смесь нитробензола (т.кип. 210 0С) и воды
перегоняется при 99 0С.
Используя данные табл. 2.5, находим:(733 × 18) / (123 × 27)= 4,
т.е. для отгона 1 г нитробензола требуется 4 г воды.
Перегонку с водяным паром проводят в приборе (рис. 2.41),
состоящем из парообразователя, перегонной колбы, холодильника и
приемника.
Парообразователем, который называют также и паровичком,
служит обычно металлический сосуд (рис. 2.42), который имеет
предохранительную и водомерную трубки.
Парообразователь заполняют водой приблизительно на 2/3 –
1/2 его объема. В горло парообразователя вставляют пробку,
снабженную стеклянной трубкой, один конец которой доходит почти
до дна парообразователя, а другой выходит наружу /1/.
Длина наружного конца рубки должна быть не менее 50 см.
105
Рис. 2.41. Установка для перегонки с водяным паром
Назначение этой трубки –
предохранять систему от
резкого повышения давления,
вызываемого сильным
нагреванием. Как только
давление повысится, вода
поднимется по этой трубке и
может даже выброситься
наружу. В этом случае огонь
следует убавить.
Парообразователь соединен с перегонной колбой с
помощью резиновой трубки. В
Рис.2.42.Парообразователь
трубкой) или обычную круглодонную колбу. Трубка, по которой пар
качестве перегонной колбы
можно применять колбу
Вюрца (с высокоприпаянной
106
вводится в колбу, должна доходить почти до самого дна колбы.
Необходимо не допускать переброса перегоняемой жидкости в
приемник / 2 /.
Между парообразователем и колбой помещают стеклянный
тройник. На его боковой отросток надевают резиновую трубку с
винтовым зажимом. Этот тройник позволяет разбирать прибор после
того, как остынут колба и парообразователь и, кроме того, выполняет
роль водоотделителя. Дело в том, что пар из пароотделителя идет
влажный и перегонная колба может быстро заполниться водой. В
боковом отростке тройника происходит накапливание воды, которая
время от времени спускается.
Методика проведения перегонки
Перегонку с водяным паром ведут следующим образом.
Парообразователь заполняют водой приблизительно на 2/3 его объема
и нагревают до температуры кипения. Одновременно нагревают
перегонную колбу. Все это время резиновая трубка, надетая на
тройник, открыта.
Предварительный нагрев перегонной колбы необходим
потому, что иначе пары воды, поступающие в колбу, будут
охлаждаться и конденсироваться, увеличивая объем жидкости. Если
же смесь предварительно нагреть, объем жидкости почти не
изменяется.
Когда вода в парообразователе закипит, закрывают резиновую
трубку и начинают перегонку. Образующиеся пары конденсируются в
холодильнике и поступают в приемник в виде эмульсии.
Если вещество осаждается в виде кристаллов в холодильнике,
то на короткое время прекращают подачу охлаждающей воды, и пары
вещества, идущие из колбы, расплавляют кристаллы. Нужно стараться
не допустить, чтобы несконденсировавшийся пар увлек с собой
перегоняемое вещество. Впускание холодной воды в холодильник
нужно производить осторожно.
Перегонку ведут до тех пор, пока из холодильника не начнет
вытекать чистая вода. После окончания перегонки сначала открывают
зажим, а затем гасят горелки, иначе при охлаждении парообразователя
107
в нем создается вакуум и жидкость из перегонной колбы может быть
втянута в паровик.
Погон разделяют в делительной воронке, затем остаток
вещества экстрагируют из воды каким-либо растворителем.
Для увеличения выхода отгоняемого вещества, когда
плотность данного вещества близка к плотности воды, рекомендуется
прибавлять к воде хлористый натрий. Добавление его снижает
растворимость органического вещества в воде, а также способствует
расслаиванию, так как увеличивается плотность водного раствора.
Азеотропная перегонка
Многие вещества образуют друг с другом азеотропные смеси,
т.е. смеси с определенным соотношением компонентов, обладающие
максимумом или минимумом температуры кипения. Азеотропную
смесь невозможно разделить перегонкой на отдельные компоненты,
так как жидкость и пар имеют одинаковый состав.
К числу известных азеотропных смесей принадлежат,
например, постоянно кипящая бромистоводородная кислота (т.кип
26 0С, максимум температуры кипения) и 96 % этиловый спирт
1
(т.кип. 78,15 0С, минимум температуры кипения) / 6 /.
Образование азеотропной смеси можно использовать для
извлечения одного вещества из смеси.
Очень важна азеотропная сушка, при которой к
высушиваемому соединению добавляют вещество, образующее с
водой азеотропную смесь и, кроме того, по возможности
малосмешивающееся с водой на холоду (например, бензол). Затем
нагревают смесь до кипения в приборе, изображенном на рис. 2.43, а.
Вода образует с бензолом азеотропную смесь (т.кип 690С) и
выделяется при охлаждении в виде капель; выделившуюся воду
сливают из градуированной трубки водоотстойника.
Таким методом можно легко определить момент окончания
отгонки воды и ее количество. Точно так же можно наблюдать за
течением химических реакций, при которых выделяется вода.
Постоянной отгонкой воды из реакционной смеси можно сместить
равновесие химической реакции в желательном направлении.
108
Наиболее часто для отделения воды при азеотропном
высушивании применяют бензол, толуол, ксилол, хлороформ,
четыреххлористый углерод.
Рис. 2.43. Водоотстойники
Поскольку последние два тяжелее воды, для них следует
использовать отстойник, изображенный на рис.2.43б. Градуированную
трубку перед началом нагревания заполняют соответствующим
растворителем (засасывая его). Для отгонки больших количеств воды
более удобно приспособление, показанное на рис. 2.43в, в котором
109
возможен постоянный сток воды, выделяющейся при азеотропной
перегонке.
Вышеназванные растворители можно высушивать (при не
слишком высоких требованиях к качеству высушивания) также и
простой перегонкой; при этом первые мутные части дистиллята
отбрасывают.
Сублимация (возгонка)
Некоторые твердые неорганические и органические вещества
обладают способностью при нагревании испаряться, не плавясь. При
охлаждении паров таких веществ они переходят из газообразного в
твердое состояние, минуя жидкую фазу. Этим свойством пользуются
для очистки веществ. Сама операция называется возгонкой или
сублимацией / 1 /.
Точкой возгонки считают температуру, при которой упругость
пара твердого вещества равна внешнему давлению. При этой
температуре кристаллы испаряются не только с поверхности, но и по
всему объему, растрескиваются и тем самым могут загрязнить
сублимат. Поэтому возгонку проводят обычно при температурах ниже
точки возгонки, так чтобы упругость пара оставалась ниже внешнего
давления. Разделяющее действие возгонки для веществ, мало
отличающихся по упругости их паров, как правило, невысоко / 6 /.
Возгонка применима особенно в тех случаях, когда очистка
твердого органического вещества от смолистой и трудно отделимой
примеси путем кристаллизации очень затруднена или не удается
вовсе, а прибегнуть к перегонке нельзя, так как вещество разлагается
при температуре кипения и даже плавления.
Возгонка применяется также после предварительной очистки
вещества кристаллизацией, но иногда позволяет избежать повторной
кристаллизации / 5 /.
Чаще всего возгонка представляет собой относительно
медленный процесс. Скорость возгонки прямо пропорциональна
давлению пара вещества при данной температуре и обратно
пропорциональна внешнему давлению в приборе / 2 /.
Чем меньше разность между внешним давлением и давлением
пара вещества, тем больше скорость возгонки.
110
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]