2.4 Очистка жидких органических соединений

Основным методом очистки органических жидкостей является перегонка, представляющая собой процесс разделения жидкой смеси на составные компоненты путем нагревания жидкости до кипения и конденсации паров в виде дистиллята в холодильнике.

Простая перегонка

В тех случаях, когда перегоняемое вещество достаточно устойчиво к нагреванию и практически не разлагается при температуре кипения, для очистки пользуются простой перегонкой при атмосферном давлении. Обычно этот способ перегонки целесообразно применять для жидкостей с Т_кип.от 40 до 150⁰С, т.к. выше 150⁰С многие вещества заметно разлагаются, жидкости с Т_кип.ниже 40⁰С перегоняются со значительными потерями.

Простейший прибор для простой перегонки состоит из перегонной колбы (чаще всего колбы Вюрца), нисходящего холодильника Либиха, аллонжона и приемника. Колбу Вюрца подбирают такой величины, чтобы перегоняемая жидкость заполняла ее не более чем на 2/3 объема. Монтаж установки для перегонки производится на двух лабораторных штативах. Уровень, на котором располагается перегонная колба, должен быть таким, чтобы в любой момент перегонки вы могли свободно удалить нагревательный прибор. Можно воспользоваться подъемными столиками для установки нагревательного прибора (например, это очень удобно для бани или колбонагревателя).

Отдельные детали установки соединяются друг с другом с помощью шлифов, которые рекомендуется смазывать специальной смазкой. В верхний тубус колбы вводят термометр, ртутный шарик которого должен находиться примерно на 0,5 см ниже отверстия отводной трубки. В этом случае шарик термометра хорошо омывается парами перегоняемой жидкости.

Если перегоняемая жидкость кипит при температуре ниже 120–130⁰С, то применяют проточное водяное охлаждение. Подача воды в холодильник осуществляется снизу вверх. При перегонке жидкостей, кипящих выше этой температуры, рекомендуется использовать в качестве охлаждающего компонента непрочную воду (т.е. воду, которая осталась в холодильнике после прекращения ее подачи) или применять воздушный холодильник.

Чтобы жидкость кипела равномерно, в колбу помещают «кипелки»- кусочки обожженного фарфора. Их помещают в холодную жидкость. Если вы забыли поместить кипелки и уже нагрели жидкость, то вам следует снова охладить ее. Если вы бросите кипелки в разогретую жидкость, то может произойти резкое вскипание и выброс жидкости из колбы.

Таким образом, после того, как прибор собран, проверен и заполнен перегоняемой жидкостью, начинают нагрев. Интенсивность нагрева определяет скорость перегонки: оптимальной считается скорость поступления жидкости в приемник1–2 капли в секунду. Первую порцию (1-2 мл), так называемый предгон, следует отбросить. При перегонке чистого вещества температура кипения в течение всего процесса остается постоянной, и только к концу перегонки она возрастает на 1–2⁰С. Заметное повышение температуры в процессе перегонки свидетельствует о том, что перегоняется смесь веществ.

Окончание перегонки: нагрев следует прекратить в случае повышения температуры перегонки выше необходимой или, если в перегонной колбе осталось мене, чем 2-3 мл жидкости. Категорически запрещается перегонять досуха. После охлаждения всей установки до комнатной температуры можно приступать к демонтажу.

Дробная (фракционная) перегонка

Данный вид перегонки служит для выделения в чистом виде компонентов смеси жидкостей, обладающих различными температурами кипения. Смесь тем труднее разделяется перегонкой, чем ближе температура кипения отдельных ее компонентов. Для увеличения эффективности разделения смеси пользуются дефлегматорами. Сущность их действия состоит в том, что вследствие охлаждения наружным воздухом часть паров перегоняемой смеси конденсируется. Сконденсировавшиеся пары, называемые флегмой, стекают обратно в колбу, обогащаясь высококипящим компонентом, а пары, которые летят дальше, обогащены низкокипящим компонентом. Устройство дефлегматоров обеспечивает хороший контакт между стекающей вниз жидкостью (флегмой) и поднимающимся вверх паром. Размеры дефлегматоров выбирают с учетом свойств жидкостей, образующих смесь. Например, для веществ, кипящих ниже 150⁰С, берут более длинный дефлегматор; для веществ, кипящих выше этой температуры, - более короткой.

Перегонка с водяным паром

Отгонка с водяным паром применяется для выделения мало растворимых в воде веществ, имеющих около 100⁰С заметное давление пара. В этом случае давление пара воды и давление пара не смешивающегося с нею вещества возрастают с повышением температуры практически независимо одно от другого, и перегонка начинается, когда сумма давлений паров достигает атмосферного давления. Таким образом, подобная смесь перегоняется при постоянной и несколько низкой температуре, чем чистая вода, и в холодильнике одновременно конденсируются пары воды и исследуемого вещества. Соотношение их весовых количеств в отгоне равно отношению произведений давлений их паров на соответствующие молекулярные массы:

m_A/ m_Воды=Р_АМ_А / Р_Воды 18

Следовательно, отгонка с водяным паром какого–либо не смешивающегося с водой вещества происходит тем легче и быстрее, чем выше давление его пара при температуре перегонки и чем больше молекулярная масса данного вещества. При этом количество вещества в исходной смеси не имеет значения.

Перегонка в вакууме

Некоторые вещества при нагревании их до температуры кипения при нормальном давлении разлагаются. Поэтому для очистки таких веществ применяют перегонку при пониженном давлении (в вакууме), т.к. с понижением давления снижается температура кипения вещества, и возможность термического разложения уменьшается. Понижение давления в приборе создается обычно с помощью водоструйного или масляного вакуум – насоса. Прибор для перегонки в вакууме состоит из перегонной колбы (колбы Кляйзена или Фаворского) с термометром и капилляром, холодильника, аллонжа специальной формы и приемников.

В одно горло колбы вставляют стеклянную трубку с оттянутым на ее конце капилляром, доходящим до дна. Проходящие через капилляр пузырьки воздуха или инертного газа перемешивают жидкость, препятствуя перебросу и перегреву ее. Внутрь трубки вставляют тонкую проволоку и зажимают винтовым зажимом. Тогда при включении насоса через прибор будут просасываться мелкие пузырьки воздуха.

Во второе горло колбы вставляют термометр, шарик которого должен быть на 0,5 см ниже бокового отвода. Для охлаждения паров жидкости используют водяные холодильники. В качестве приемников служат маленькие крулодонные колбы или толстостенные пробирки, соединенные с холодильником посредством специального аллонжа – «паука». Во время перегонки, поворачивая «паук», можно отобрать в приемники отдельные фракции, отличающиеся по температурам кипения. Все части прибора соединяют между собой с помощью резиновых пробок или стеклянных шлифов. Пробирки и шлифы перед сборкой должны быть слегка смазаны глицерином или вазелином и должны очень плотно прилегать к стеклу, иначе при работе насоса не будет создаваться вакуум в системе.

Между прибором и насосом необходимо ставить предохранительную склянку, чтобы препятствовать возможности переброса воды из насоса в прибор. Можно также ставить ловушку, охлаждаемую жидким азотом или смесью ацетона с твердым диоксидом углерода.

Перед началом перегонки необходимо проверить пустой прибор на герметичность. Для этого на отвод «паука» надевают резиновый шланг от насоса и включают насос. Затем перекрывают поворотом трехходового крана сообщение прибора с атмосферой, закрывают зажимом резиновую трубку, присоединенную к трубке с капилляром. После этого открывают кран у манометра и проверяют установившееся остаточное давление в системе. Выключение вакуума производиться в обратном порядке по сравнению с включением. При этом сначала закрывают кран у манометра. Затем открывают зажим на капиллярной трубке. Постепенно открывают трехходовой кран для впуска воздуха в систему и, наконец, выключают насос. Если прибор не дает нужного разрежения, т.е. где–то происходит подсасывание воздуха в систему, то необходимо еще раз проверить все составные части по отдельности. Для этого еще раз немного смазывают пробки и шлифы и плотнее соединяют каждую часть. Включая насос, проверяют этот узел прибора и так по частям весь прибор. Нельзя делать какие-либо исправления в установке при наличии вакуума в системе!

После проверки прибора на герметичность колбу наполняют перегоняемой жидкостью. Для этого можно временно заменить термометр на химическую воронку. Рекомендуется заполнять не более 2/3 объема колбы. Затем включают насос и трехходовым краном перекрывают сообщение прибора с атмосферой. Закрывают зажим на капиллярной трубке так, чтобы через капилляр воздух проходил со скоростью 5–6 пузырьков в секунду и открывают кран на манометре. После того как установилось давление, начинают нагрев.

При достижении нужных температур кипения отбирают отдельные фракции, меняя при этом приемник поворотом «паука». Вещество должно перегоняться со скоростью 1 – 2 капли в секунду. Нельзя перегонять вещество досуха. После окончания перегонки прекращают нагревание и дают колбе охладиться и только тогда в приборе выравнивают давления. Быстрый впуск воздуха в нагретую колбу может вызвать взрыв вследствие образования взрывоопасной смеси паров вещества с воздухом. Впуск воздуха в систему производят также, как и при проверке прибора на герметичность.