Методические указания по изучению методов очистки жидких органических веществ

Важнейшим способом выделения и очистки веществ (продуктов синтеза, особенно жидких) является перегонка. Она представляет собой процесс разделения жидкой смеси на составляющие части путем нагревания жидкости до кипения и последующей конденсации ее паров в виде дистиллята в холодильнике.

Перегонка применяется:

- для разделения нескольких продуктов реакции, имеющих различные температуры кипения;

- для удаления растворителей или одного из продуктов реакции;

- для очистки продукта от смолистых примесей;

- для определения температуры кипения чистого вещества.

По температуре кипения при перегонке можно судить о степени чистоты продукта.

Чистое вещество обычно перегоняется нацело (или почти нацело) в пределах 1-2⁰С, а вещество, загрязненное летучими или разлагающимися при нагревании примесями, - в более широких температурных пределах.

Поскольку температура кипения сильно зависит от давления, необходимо указывать давление, при котором эта температура определялась.

Способы перегонки делятся на две группы: простая перегонка и ректификация.

По условиям проведения различают три вида перегонки:

1. при атмосферном давлении;
2. при пониженном давлении (перегонка в вакууме);
3. с водяным паром.

7.1. Простая перегонка

Простая перегонка при атмосферном (рис.34) давлении используется, когда перегоняемое вещество практически не разлагается при температуре кипения. Этот способ перегонки целесообразно применять для жидкостей с температурой кипения от 40 до 150⁰С, т.к. выше 150⁰С вещества заметно разлагаются, а ниже 40⁰С перегоняются с большими потерями.

Рис. 34. Установка для перегонки органических жидкостей при атмосферном давлении

1- перегонная колба с дефлегматором; 2- закрытый электронагреватель /или баня/; 3- холодильник Либиха;

4- алонж; 5- приемник

При простой перегонке пары кипящей жидкости непосредственно поступают в холодильник, поэтому разделение жидкой смеси происходит на стадии испарения. Таким образом, простая перегонка эффективно может быть использована для разделения смесей, когда температуры кипения компонентов значительно отличаются друг от друга. Более четкому разделению смеси способствует применение дефлегматора.

Все части прибора должны быть плотно соединены. Количество перегоняемой жидкости не должно превышать 2/3 объема перегонной колбы. Перегоняемая жидкость наливается в колбу после сборки установки. Для этого вынимают пробку с термометром, вставляют в перегонную колбу (колба Вюрца) воронку и осторожно наливают перегоняемую жидкость. Затем в колбу бросают несколько кипятильников – кусочков пористых материалов (пемзы, кирпича, неглазурованной керамики) размером 1-2 мм. При установке термометра следите, чтобы ртутный шарик находился на 0,5 см ниже отводной трубки перегонной колбы.

Если температура перегоняемой жидкости ниже 130-140⁰С, используют холодильник Либиха с водяной рубашкой. При перегонке жидкости, температура кипения которой выше 140⁰С, применяют воздушный холодильник или холодильник Либиха с непроточной водой. Перегонку ведут с такой скоростью, чтобы в приемник за секунду попадало 1-2 капли дистиллята.

При значительном количестве летучих примесей в приемник может поступать фракция с температурой кипения ниже, чем температура кипения целевого продукта. Поэтому в первый приемник (сухая чистая колба, химический стакан или пробирка) отбирают фракцию (дистиллят) в интервале температур кипения первой капли и до температуры кипения основной (целевой) фракции. Во второй приемник собирают основной продукт, и полезно собрать фракцию, если она есть, с температурой кипения выше температуры кипения основного продукта. Нельзя перегонять содержимое колбы досуха (опасность взрыва!).

7.2. Перегонка с водяным паром

Этот вид очистки широко используется в лабораторной практике и в промышленности.

Перегонять с паром можно те вещества, которые практически не смешиваются с водой, химически с ней не взаимодействуют и имеют высокое давление насыщенных паров при 100^ОС.

Перегонку с паром применяют в следующих случаях:

- для выделения из смесей и очистки многих веществ, имеющих высокую температуру кипения и которые не перегоняются без разложения при температуре кипения;

- если соединение загрязнено большим количеством смолистых примесей;

- если требуется разделить смесь, один из компонентов которой отгоняется с водяным паром;

- для отгонки от твердых веществ, нелетучих с паром, растворителей с высокой температурой кипения (напр., нитробензол, т.кип. 210^ОС, с водяным паром перегоняется при 99^ОС).

При осуществлении перегонки давление паров воды и давление паров перегоняемого вещества возрастают с повышением температуры практически независимо друг от друга. Перегонка смеси начинается, когда сумма давлений паров достигнет атмосферного. Таким образом, эта смесь будет перегоняться при постоянной температуре (ниже температуры кипения чистой воды), а в приемник будет собираться вода и выделяемое вещество.

Относительное количество вещества, отгоняемое паром, или количество пара, необходимое для выделения определенного количества вещества, можно рассчитать по формуле:

где - массы вещества и воды, г

- давления паров соответственно вещества и воды, Па

- молекулярные массы вещества и воды, г/моль.

Давление паров воды ( ) при температуре перегонки можно определить по таблице 9. Давление паров вещества ( ), следовательно, равно 1,013*10⁵Па - .

Таблица 9

Давление паров при различных температурах

Температура, ОС	Давление, Па*105	Температура, ОС	Давление, Па*105	Температура, ОС	Давление, Па*105
	0,199		0,369		0,649
	0,208		0,385		0,675
	0,218		0,402		0,701
	0,228		0,419		0,728
	0,239		0,436		0,756
	0,250		0,455		0,785
	0,261		0,473		0,814
	0,273		0,493		0,845
	0,286		0,513		0,877
	0,298		0,534		0,909
	0,311		0,556		0,943
	0,325		0,578		0,977
	0,339		0,601
	0,354		0,615

Пример. Определить количество воды, необходимое для перегонки 1г орто-крезола (т.кип. 190^ОС).

Смесь о-крезола и воды перегоняется при 98,8^ОС. Используя данные таблицы 9, находим

т.е. для отгонки 1 г о-крезола требуется 3,8г воды.

Ниже в таблице приведен ряд веществ, перегоняемых с водяным паром.

Таблица 10

Вещества, перегоняемые с водяным паром

Вещество	Температура кипения, ОС	Массовая доля вещества в дистилляте, %
чистого вещества	смеси вещества с водяным паром
Анилин	184,4	98,5	23,1
Бромбензол	156,2	95,5	61,0
Нафталин	218,2	99,3	14,4
Фенол	182,0	98,6	20,6
Нитробензол	210,9	99,3	15,3
о-Крезол	190,1	98,8	19,3

Парообразователем может служить металлический сосуд или обычная плоскодонная колба, снабженная предохранительной стеклянной трубкой, которая доходит почти до дна парообразователя (она предохраняет систему от резкого повышения давления). При повышении давления вода из парообразователя поднимается по трубке.

В качестве перегонной колбы можно использовать колбу Вюрца с высокоприпаянной отводной трубкой или обычную круглодонную колбу с длинным горлом. Трубка, по которой пар вводится в перегонную колбу, должна доходить почти до самого дна. Во избежание переброса жидкости из колбы в приемник во время перегонки, перегонную колбу закрепляют наклонно. Между колбой и парообразователем полезно иметь тройник, на боковой отросток которого одевается шланг с винтовым зажимом (рис. 35). Сообщение с атмосферой этого участка позволяет, во-первых, предупредить засасывание в парообразователь содержимого из перегонной колбы при уменьшении нагрева и при прекращении перегонки; во-вторых, тройник выполняет роль водоотделителя. Дело в том, что пар из парообразователя идет влажным и поэтому легко конденсируется в соединительных частях прибора, что препятствует дальнейшему прохождению пара. Поэтому время от времени (особенно в первый момент перегонки) через винтовой зажим из бокового отверстия сливают накопившуюся воду.

Перегонку с паром ведут следующим образом. Собирают установку (рис.36 а, б) для перегонки с паром. В колбу помещают очищаемое вещество. Греют парообразователь до кипения, боковой отвод тройника сообщается с атмосферой (зажим снят). Одновременно с парообразователем нагревают колбу, чтобы не увеличивать общий объем жидкости в нем за счет конденсации поступающего пара. Если объем перегоняемой жидкости невелик, перегонную колбу можно предварительно не нагревать.

Рис. 35. Установка для перегонки с водяным паром

1- парообразователь; 2- предохранительная трубка;

3- тройник; 4- винтовой зажим; 5- трубка, по которой поступает пар; 6- перегонная колба; 7- перегоняемое вещество и вода; 8- холодильник; 9- алонж; 10- приемник; 11- тренога;

12- газовая горелка

Когда вода в парообразователе закипит, парообразователь соединяют с колбой и начинают перегонку.

В холодильнике конденсируются пары воды и перегоняемого вещества в виде эмульсии. Перегонку ведут до тех пор, пока в приемник не будет поступать чистая вода (прозрачные капли). После этого открывают зажим (или отсоединяют шланг от перегонной колбы) и прекращают нагревание парообразователя.

Собранный в приемник погон разделяют в делительной воронке, затем водный слой обрабатывают (если это необходимо) экстрагентом для более полного извлечения целевого продукта.

Для увеличения выхода очищаемого вещества, если его плотность близка к плотности воды, проводят «высаливание» погона. Добавляют хлористый натрий до образования насыщенного раствора. Это приводит к снижению растворимости органического соединения в воде и способствует расслаиванию за счет изменения плотности водного раствора и органического вещества.

Перегонку с водяным паром малых количеств веществ (1-4 мл) можно вести на установках, изображенных на рис. 4б, где достаточно смесь вещества с водой нагреть до кипения. Количество воды рассчитывают по вышеприведенной формуле, используя справочные данные о давлении паров вещества при кипении.

Выделенное из погона органическое соединение сушат над соответствующим осушителем, затем фильтруют и перегоняют.

7.2.1. Методика выполнения перегонки с водяным паром

1. Налить в парообразователь дистиллированную воду до 2/3 объема, поместить кипятильники и нагреть до кипения. В перегонную колбу через химическую воронку внести очищаемое вещество, бросить несколько кипятильников. Колбу незадолго до подачи пара осторожно подогреть пламенем горелки.

2. При интенсивном образовании пара соединить колбу с парообразователем, подать воду в холодильник, начинается перегонка с паром. Следует следить за тем, чтобы пары отгоняемого вещества полностью конденсировались в холодильнике, и установка нигде не пропускала пар. Перегонку ведут до появления прозрачных капель на конце холодильника.

3. В случае необходимости осуществить операцию высаливания:

в приемник добавить порциями чистую поваренную соль и все тщательно перемешать. Соль прекращают добавлять, если после энергичного перемешивания она больше не растворяется.

4. После перегонки или высаливания перелить погон в делительную воронку (кристаллики соли после высаливания оставляют в приемнике), дать отстояться и после расслоения перенести органический слой в чистый, сухой приемник.

5. Высушить отогнанное вещество, для чего бросить в приемник подходящий осушитель и оставить вещество на ночь над осушителем. Вещество считается высушенным, если оно становится прозрачным.

6. Собрать установку для перегонки полученного (после сушки) вещества. (Правильно выбрать размер колбы!)

7. Приготовить 3 сухих чистых приемника, пронумеровать их и взвесить.

8. В колбу Вюрца поместить 2-3 кусочка пористой глины (кипятильники), затем в нее отфильтровать через маленькую воронку со складчатым фильтром высушенное вещество (следить, чтобы жидкость не попадала в отводную трубку). Соединить все части установки.

9. Подставить под алонж первый приемник и нагреть перегонную колбу. Обогрев (теплоноситель в бане) выбрать соответственно температуре кипения вещества. Наблюдать за жидкостью в колбе и показанием термометра.

10. Записать температуру, при которой упадет первая капля в приемник (начало перегонки). Записать температуру, при которой перестает подниматься ртутный столбик термометра (начало перегонки индивидуального вещества). Не прекращая нагревания, быстро заменить первый приемник вторым и перегонять индивидуальное вещество (наш целевой продукт) в температурном интервале 1-2 ⁰С. Это вторая фракция.

11. После того, как основное вещество отгонится, и температура снова начнет подниматься, заменить второй приемник третьим и собирать третью фракцию.

Нельзя перегонять содержимое колбы досуха!

Примечание: С целью более полного выделения целевого продукта после сбора третьей фракции колбу Вюрца охлаждают. Переливают в нее 1 и 3 фракции и снова перегоняют в тех же температурных пределах, в те же приемники. Такая операция необходима в связи с тем, что целевой продукт частично попадает в 1 и 3 фракции. Обычно этот прием используется при перегонке больших количеств веществ.

7.2.2. План оформления протокола к работе «Перегонка с водяным паром» (на примере очистки н-бутилбромида).

1. Дата. Название работы. (Очистка н-бутилбромида перегонкой с водяным паром).

2. Цель работы. Ознакомление с установкой и освоение метода перегонки с водяным паром.

3. Получено для очистки 20 мл (35,2 г) бромистого бутила (количество вещества указывается преподавателем).

4. План работы. В левой части листа рабочей тетради коротко по пунктам излагается ход работы. Правая часть листа остается для наблюдений (правая часть заполняется по ходу выполнения работы).

5. Схемы установок:

а) перегонка с водяным паром;

б) разделение жидкостных слоев (делительная воронка с указанием расположением слоев);

в) простая перегонка при атмосферном давлении.

6. Результаты работы заносят в таблицу11:

Таблица 11

Результаты работы перегонки с водяным паром

Название вещества и формула	Масса (до очистки), г	№/№ фракции	Т.кип. tн-tк ОС	Масса г	Показатель преломления	Справочные данные литературный источник
Бромистый бутил H-C4H9Br	35,2	I	95-97	8,0	1,4360	Справочник А.А.Потехина Б3596: Т.кип. 101,6 ОС 1,4388 r=1,27584; х: эф; н: в.
II	98-102	26,0	1,4390
III	103-105	1,2	1,4000

7. Выход 26/35,2=0,74 или 75%

8. Выводы. Получен более чистый образец бромистого бутила по сравнению с исходным. Отличие от справочных данных возможно связано с недостаточной осушкой вещества, наличием в исходном образце летучего компонента, который так же перегнался с водяным паром, а также техническими недостатками прибора перегонки при атмосферном давлении.

7.3. Перегонка в вакууме

Перегонка в вакууме применяется в тех случаях, когда необходимо понизить температуру кипения подвергаемого очистке вещества с целью уменьшения его разложения в результате сильного нагревания; кроме того, таким образом нередко удается увеличить степень разделения жидких смесей по сравнению с перегонкой при атмосферном давлении.

Понижение температуры кипения прямо пропорционально уменьшению логарифма остаточного давления и на графике, отвечающем этим соотношениям, выражается прямой линией. Для веществ, кипящих около 350^оС при атмосферном давлении, падение температуры кипения в среднем соответствует приводимым ниже цифрам:

Давление, мм рт. ст.				0,1	0,01	0,001
Приблизительная температура кипения, оС

В действительности изменение температуры кипения многих веществ несколько иное. Это обусловлено некоторыми физическими свойствами вещества, главным образом степенью ассоциации молекул в жидкости и характером изменения ее в зависимости от давления. Именно поэтому перегонкой часто удается легче разделить смесь близко кипящих веществ, чем при атмосферном давлении.

Успешность перегонки в вакууме в значительной степени определяется конструкцией собранного для этой цели прибора. Очень важно, чтобы степень разрежения, показываемая манометром, который обычно присоединяют к приемнику, была одинаковой во всех частях прибора и особенно в перегонной колбе над поверхностью кипящей жидкости.

Наиболее важной с этой точки зрения особенностью конструкции прибора являются длина и поперечное сечение канала, по которому проходят пары кипящей жидкости. В частности, это относится к отводной трубке перегонной колбы, которую нередко делают слишком узкой. Вычислено, что при умеренной скорости перегонки с отводной трубкой диаметром 4 мм различие между давлением над поверхностью жидкости в колбе и давлением при выходе из отводной трубки может достигнуть 8 мм рт. ст. Отсюда следует, что при такой конструкции прибора совершенно бесполезно добиваться вакуума порядка 1 мм и меньше. Для перегонки при таком вакууме необходимо иметь перегонные колбы с широкими отводными трубками, имеющими внутренний диаметр не менее 8-10 мм. Обычные перегонные колбы с более узкими отводными трубками пригодны лишь для работы с остаточным давлением не ниже 10-15 мм.

Высота, на которой отводная трубка припаяна к горлу колбы, имеет большое значение при перегонке веществ с большой молекулярной массой даже в хорошем вакууме. Давление, необходимое для того, чтобы поднять пары на высоту отвода, может вызвать, при прочих равных условиях, повышение температуры кипения на 10-20^оС. Поэтому для перегонки в вакууме веществ с большой молекулярной массой следует пользоваться перегонными колбами, отводные трубки которых припаяны по возможности ниже.

Если при вакуум-перегонке необходимо собрать несколько фракций, то для этого применяют специальные приспособления, позволяющие произвести перемену приемника при сохранении вакуума. Такого типа приборы часто называют «пауками».

Смазку для кранов и шлифов при перегонке в вакууме следует подбирать в зависимости от условий опыта.

Если в распоряжении экспериментатора нет аппаратуры на шлифах, то следует применять резиновые пробки. Очень полезно слегка смазывать эти пробки глицерином, но лишь настолько, чтобы поверхность пробки не имела жирного блеска. Недостаток резиновых пробок состоит в том, что они легко поглощают пары многих органических веществ, в результате чего разбухают и разрушаются. Хорошие корковые пробки, особенно если их предварительно слегка обжечь в пламени горелки, также можно применять при сборке вакуум-аппаратуры. Рекомендуется пропитывать корковые пробки каким-либо растворимым в воде клеем, к которому добавлено около 5% глицерина для того, чтобы по высыхании клей, оставшийся в порах пробки, сохранил некоторую эластичность. Обработанные таким образом корковые пробки очень устойчивы к действию паров органических веществ.

Для равномерного кипения жидкости в вакууме обычно пользуются капилляром, укрепленным в одном из горл перегонной колбы. Однако при перегонке в высоком вакууме вредно даже то количество воздуха, которое проходит через капилляр. В таком случае применяют одногорлую колбу, в которую помещают стеклянную вату в таком количестве, чтобы она на 4-5 мм возвышалась над уровнем жидкости. При этом кипение происходит равномерно, без толчков, несмотря на отсутствие капилляра.

При перегонке в вакууме пенящихся жидкостей рекомендуется заполнить второе горло перегонной колбы осколками стекла или же вставить вместо термометра второй капилляр. Нередко удается обойти эти затруднения, если погрузить перегонную колбу в водяную или масляную баню как можно глубже, так, чтобы нагревались стенки всей колбы и даже горла колбы. Часто пенообразование является следствием присутствия примесей и при повторной перегонке уже не наблюдается.

Для получения разрежения, не превышающего 6 мм остаточного давления, в лабораториях обычно применяют водоструйные насосы различных конструкций. Значительно лучший вакуум дают масляные ротационные насосы. В условиях работы органической лаборатории ими пользуются чаще всего для получения вакуума с остаточным давлением 0,5-1 мм, так как совершенно избежать присутствия паров органических веществ практически невозможно. До перегонки с масляным насосом необходимо полнее удалить из перегоняемой жидкости легколетучие вещества.

Для улавливания паров летучих веществ при перегонке используют различные ловушки в зависимости от природы летучих веществ, но наилучшие результаты получаются при охлаждении ловушки раствором твердой углекислоты в каком-либо органическом растворителе (от –75 до –78^оС) или же жидким воздухом (от –185 до –190^оС). Иногда в ловушку помещают активированный уголь, который предварительно прогревают в вакууме при 300-380^оС для удаления поглощенных им газов и паров.

Для измерения разрежения применяют различные манометры. В лаборатории чаще всего применяют ртутный укороченный вакуум-манометр (вакууметр). Максимальное разрежение, которое можно измерить манометром этого типа, составляет 1-2 мм. Для увеличения чувствительности можно заменить ртуть абсолютно сухим касторовым маслом (d = 0,95-0,97), которое в 14 раз легче ртути. Однако касторовое масло сильно смачивает стекло и легко поглощает пары органических веществ. Вместо касторового масла можно применять 78%-ную серную кислоту (d = 1,71) или дибутилфталат (d = 1,05).

Для измерения остаточного давления, превышающего 100-120 мм, применяют ртутный дифференциальный манометр, представляющий собой U-образную трубку с обоими открытыми коленами, высотой более 760 мм.

Вакуум с остаточным давлением менее 1-2 мм с достаточной точностью может быть измерен с помощью компрессионного манометра (манометра Мак-Леода). Его действие основано на том, что воздух, находящийся в известной части вакуумированной системы, сжимается при определенных условиях в различной степени в зависимости от величины остаточного давления.

Чтобы осуществить перегонку при строго определенном разрежении применяют различные регуляторы давления, или так называемые маностаты, самой разнообразной конструкции.

По характеру действия маностаты могут быть разделены на две группы. К одной группе относятся маностаты, при помощи которых можно регулировать давление путем периодического впускания в систему воздуха при слишком большом разрежении. Действие маностатов другой группы основано на периодическом включении или выключении вакуум-насоса при колебании давления.

Схема установки перегонки под вакуумом представлена на рис.36.

Рис. 36. Установка для перегонки органических веществ в вакууме

1 – колба Кляйзена; 2 – термометры; 3 – капилляр;

4 – холодильник Либиха; 5 – алонж-«паук»; 6 – приемники;

7- вакууметр; 8 – зажим; 9 – трехходовой кран;

10 – предохранительная склянка (ловушка); 11 – склянка с осушителем; 12 – баня; 13 – газовая горелка.

Для определения температуры кипения вещества при пониженном давлении пользуются номограммой (рис. 37).

Рис. 37. Номограмма для определения температуры кипения

при давлении р (мм рт. ст.)

7.3.1. Методика выполнения работы по очистке жидкого вещества перегонкой под вакуумом

Цель работы: ознакомление с установкой и освоение метода перегонки жидкого вещества при давлении ниже атмосферного.

1. Получить задание у преподавателя.

2. В перегонную колбу на ½ объема налить перегоняемое вещество.

3. Собрать установку (рис. 36). Колбу соединяют с установкой и включают насос, предварительно проверив, чтобы трехходовой кран был сообщен с атмосферой. Осторожно соединяют установку с насосом, перекрыв сообщение с атмосферой (пузырьки воздуха поступают в жидкость через капилляр). Как только манометр покажет постоянное давление в системе, начинают нагревание колбы на бане до кипения смеси. По номограмме (рис. 37) определяют температуру отгонки вещества при установившемся давлении в системе. Перегонку ведет со скоростью 1-2 капли в секунду. В ходе проведения перегонки возможен отбор фракций (одной или двух в зависимости от степени загрязнения перегоняемого вещества). Количество фракций определяется показанием термометра. Все фракции вакуумной перегонки собирают в приемники «паука», как только вещество перегналось, прекращают. После отсасывания перегонной колбы трехходовым краном отключают манометр от установки и установку сообщают с атмосферой. Выключают вакуум-насос. Осторожно отрывают кран и сообщают манометр с атмосферой.

4. Определяют объемы и показатели преломления собранных фракций.

Результаты работы заносят в таблицу12.

Таблица 12

Результаты перегонки в вакууме

№ фракции	Остаточное давление, мм. рт. ст.	Объем очищенного вещества, мл	Температур- ный интервал фракции, 0С	Объем фракции, мл	Показатель преломления nD20	Справочные данные очищаемого вещества

7.4. Контрольные вопросы к темам «Простая перегонка», «Перегонка с водяным паром», «Перегонка в вакууме»

1. Каких двух целей достигают перегонкой?

2. Что называют температурой кипения вещества, и как она может быть понижена?

3. По каким признакам можно отличить перегонку смеси от перегонки индивидуального вещества?

4. Почему перед перегонкой жидкого органического вещества его необходимо высушить? Как это сделать?

5. Какие самые распространенные «осушители» вам известны? На чем основано их действие?

6. Каким требованиям должен удовлетворять «осушитель»?

7. Все ли органические вещества можно сушить хлористым кальцием? Сульфатом натрия? Дайте объяснения.

8. Почему перед перегонкой жидкого органического вещества необходимо отделить от осушителя? Как это делают?

9. Какие колбы Вюрца используют для перегонки высоко и низкокипящих жидкостей? Почему?

10. В каких случаях при перегонке используют холодильник Либиха? Воздушный холодильник? В каких случаях холодильником может служить отводная трубка колбы Вюрца?

11. Каким образом подбирают термометр к колбе Вюрца?

12. Для каких целей служит алонж? Всегда ли он необходим?

13. Как поступают в тех случаях, если перегоняемое вещество необходимо защитить от влаги воздуха?

14. Что произойдет, если прибор для перегонки не будет сообщаться с атмосферой?

15. Что такое перегрев жидкости? По каким признакам его можно определить? Как это отражается на процессе перегонки? Как можно избежать перегрева жидкости?

16. Почему нельзя опускать «кипятильники» в нагретую жидкость?

17. Какой момент перегонки считают начальным?

18. С какой скоростью проводят перегонку?

19. Когда прекращают перегонку?

20. Какой состав I, II и III фракций?

21. Зачем рекомендуется вторичная перегонка I и III фракций?

22. Приведите схему прибора для перегонки смеси веществ с близкими температурами кипения.

23. Приведите схему прибора для перегонки смеси веществ с резко отличающимися температурами кипения.

24. Что такое дефлегматор? Когда он применяется?

25. Какие источники обогрева используются при перегонке?

26. Какие вещества можно перегонять с паром?

27. На чем основан метод перегонки с паром?

28. В каких случаях применяют перегонку с паром вместо простой перегонки?

29. При какой температуре перегоняется вещество с водяным паром? От чего это зависит?

30. Из каких частей состоит прибор для перегонки с паром? В каком положении закрепляют перегонную колбу? Каково назначение трубок в перегонной колбе? Насколько глубоко должна быть погружена в колбу длинная трубка?

31. Каково назначение трубки, опущенной в парообразователь? На какую глубину ее опускают?

32. Зачем нагревают перегонную колбу?

33. В каких случаях ведут перегонку с водяным паром без парообразователя? Как это осуществляют?

34. По каким признакам определяют конец перегонки с водяным паром?

35. В каких соотношениях будут находиться в конденсате перегоняемое вещество и вода при перегонке с водяным паром?

36. Что такое высаливание, и когда его применяют?

37. В каких случаях проводят перегонку вещества при пониженном давлении?

38. Какова последовательность операций при вакуумной перегонке? Изобразите установку для перегонки в вакууме.

39. Какова конструкция перегонных колб для вакуумной перегонки? Почему?

40. Изобразите алонж–«паук», применяемый при вакуумной перегонке? Его назначение.

41. Какой смазкой можно пользоваться при вакуумной перегонке?

42. В каких случаях при вакуумной перегонке используют резиновые и корковые пробки? Их достоинства и недостатки.

43. Каково назначение капилляра в перегонной колбе при вакуумной перегонке?

44. Как определяют пригодность капилляра при вакуумной перегонке?

45. Как ведут перегонку пенящихся веществ?

46. Как ведут перегонку веществ, разлагающихся в присутствии воздуха?

47. С какой целью используют ловушки при вакуумной перегонке? Способы их охлаждения.

48. Каковы достоинства и недостатки водоструйного насоса по сравнению с масляным?

49. Какие приборы применяют для измерения разрежения? Их конструкции.

7.5. Периодическая ректификация с использованием

насадочной лабораторной колонки

Известно, что даже в колбе с дефлегматором разделение смеси двух жидкостей со сравнительно близкими температурами кипения может быть достигнуто лишь в результате многократной фракционированной перегонки.

Однако, такие смеси можно разделять и за одну перегонку, если проводить ее на колонке, заполненной насадкой, состоящей из мелких одиночных витков (колечек) стеклянной или проволочной (нихромовой или никелиновой) спирали.

При перегонке на такой колонке, на насадке происходит последовательное и многократное отделение более летучего компонента смеси от менее летучего.

Разделительная способность колонки характеризуется ее эффективностью, которая измеряется числом "теоретических тарелок". Представление о «теоретической тарелке» вытекает из рассмотрения работы идеальной тарельчатой колонны. Обычная тарельчатая колонна, применяемая в промышленных ректификационных аппаратах, схематически изображена на рисунке 38.

Рис.38. Тарельчатая колонна:

1 – куб; 2 – колпачки; 3 – конденсатор; 4 – холодильник;

5 - приемник для отбора фракции.

Нижней частью она присоединяется к кубу (1), в котором нагревается перегоняемая жидкость, в верхней части снабжается конденсатором (3) и холодильником (4) с водяным охлаждением, к последнему присоединяются приемники для отбора фракций.

Конденсат, образовавшийся в результате охлаждения пара в конденсаторе, может полностью возвращаться o6paтно в колонну как орошение, называемое в этом случае полным орошением или полным возвратом. При ведении процесса таким образом, чтобы происходило разделение на орошение и дистиллят (поступающий далее в приемник), - обратно в колонну будет возвращаться частичное орошение.

В рассматриваемой тарельчатой колонне по высоте - одна над другой - располагаются горизонтальные перегородки, так называемые тарелки, с выдающимися посередине невысокими широкими патрубками, покрытыми колпачками; над тарелкой выдаются также и концы трубок, впаянных у края тарелки и опущенных почти до самой поверхности нижележащей тарелки. Такое устройство позволяет задерживаться на тарелке лишь определенному количеству жидкости - флегме т. е. жидкости, стекающей вниз с тарелки на тарелку и обратно в перегонный куб.

В процессе перегонки пар поднимается вверх по колонне по патрубкам, покрытым колпачками, и на каждой тарелке проходит через слой кипящей флегмы (края колпачков находятся под слоем жидкости). Благодаря этому, на каждой тарелке, нагреваемой проходящим паром, нижекипящие компоненты флегмы переходят из жидкого в парообразное состояние, а вышекипящие - из парообразного состояния в жидкое. Следовательно, по мере движения пара вверх по колонне, происходит постепенное и неуклонное обогащение его более летучим компонентом разделяемой смеси жидкостей, тогда как флегма по мере движения вниз по колонне, все более обогащается менее летучим компонентом.

Таким образом, во время перегонки на тарелках колонны перегонного аппарата происходит тот же процесс, что и при перегонке с дефлегматором.

В идеальной тарельчатой колонне при работе в условиях полного орошения, т.е. при полном возврате конденсата, образующегося из пара, на каждой тарелке и по всей колонне устанавливается полное равновесие между паром и жидкостью, что никогда не имеет места в реальной колонне.

Теперь обратимся к работе лабораторной ректификационной колонки с насадкой, изображенной на рисунке 39.

Рис.39. Лабораторная ректификационная установка:

1- колбонагреватель; 2 – ЛАТР; 3 – куб; 4 – колонна; 5- конденсатор; 6- кран; 7- холодильник.

Колонка снабжена головкой полной конденсации, которая состоит из конденсатора (5) (обратного холодильника), крана для отбора дистиллята (6), нисходящего холодильника для охлаждения дистиллята (7), трубки для термометра, соединительной трубки для сообщения с атмосферой или с вакуум-насосом (8).

Головка соединяется с центральной трубкой колонки через верхний счетчик капель - счетчик орошения. Насадка помещается в центральной трубке ректификационной колонны, которая оканчивается внизу расширением и счетчиком капель - счетчиком флегмы. Центральная трубка колонки окружена рубашкой из двух трубок: а)