Очистка органического вещества от примесей методом простой перегонки при атмосферном давлении

1. Теоретическое обоснование.

Перегонкой называют процесс, в ходе которого вещество нагревают в соответствующем приборе до кипения и образовавшийся пар конденсируют.

Целью перегонки является: удаление растворителей, разделение нескольких продуктов реакции, имеющих различные температуры кипения, очистка жидких веществ от примесей, определение температуры кипения вещества с целью идентификации и контроля степени её чистоты.

Способы перегонки подразделяются на две группы: простая перегонка и ректификация. По условиям проведения различают три вида перегонки: при атмосферном давлении, при уменьшенном давлении (перегонка под вакуумом) и с водяным паром.

Над всеми жидкостями в результате их испарения устанавливается равновесие между жидкостью и паром, следовательно, определенное давление пара. Разделение жидкости возможно тогда, когда образующийся при перегонке пар имеет другой состав по сравнению с жидкостью. Согласно первому закону Коновалова, в двух компонентной системе пар, по сравнению с находящейся с ним в равновесии жидкостью, обогащен более легколетучем компонентом. Пары поднимаются, омывают шарик термометра. С его помощью следят за температурой паров. Пары отводятся в холодильник, где они конденсируются, и конденсат поступает в приёмник. При простой перегонке пар и конденсат перемещаются в одном направлении. Некоторые жидкости при определенных соотношениях образуют смеси, при перегонке которых состав пара не отличается от состава жидкости, и они перегоняются без разделения. Их называют азеотропами. Примером является спирт-ректификат-этиловый спирт имеющий температуру кипения 73,15°С (т.кип. чистого спирта 78,3°С). Величина давления пара зависит от температуры и от природы перегоняемой жидкости. С повышением температуры давление пара растёт. На рис.1 приведен график зависимости равновесного давления пара от температуры для некоторых веществ. По нему можно определить температуру кипения вещества при различных давлениях. Для этого от точки ординаты, соответствующей определенному значению давления, проводят горизонтальную линию. Пересечение этой линии с кривой давления пара соответствует температуре кипения вещества. Так, если на этом графике провести горизонтальные линии от точек, соответствующих давлениям 760 и 200мм рт.ст., то температура кипения диэтилового эфира, этилового спирта и воды при этих давлениях окажутся равными 36°С и 0°С, 78°С и 50°С, 100°С и 66°С, соответственно. Эти данные свидетельствуют о том, что при понижении давления температуры кипения вещества понижаются. Экспериментально установлено, что при понижении давления вдвое температура кипения понижается на 15°С.

Выполнение работы по перегонке условно можно разделить на пять этапов:

1. Подготовка и сборка прибора, взвешивание приемников

2. Перегонка при атмосферном давлении

3. Разбор установки, взвешивание приемников с веществами.

4. Оценка степени чистоты выделенных перегонкой веществ.

5. Оформление отчета по работе.

Прибор для простой перегонки при атмосферном давлении показан на рис.2

Для перегонки низкокипящих веществ используется колба Вюрца с высокой пароотводной трубкой (рис.3а), а для высокипящих – с низкой пароотводной трубкой (рис.3б). При правильной установке термометра, его ртутный шарик должен находиться на 0.5 см ниже отверстия отводной трубки (рис.3а). При таком положении ртутный шарик полностью омывается парами перегоняемой жидкости, а термометр показывает температуру отводных паров.

Наклонный холодильник, из которого конденсат направляется в приёмник, называется нисходящим. Если температура перегоняемой жидкости ниже 120°С, используется холодильник с водяной рубашкой (холодильник Либиха). При перегонке жидкостей, кипящих выше 120°С, используется воздушный холодильник. Для большинства жидкостей характерна склонность к перегреву, т.е они нагреваются несколько выше температуры своего кипения и закипают с сильным толчком. Для устранения этого явления в перегонную колбу помещают «кипелки» - маленькие кусочки фосфора или прокаленного кирпича.

Начало перегонки, т.е. температура начала отгонки первой фракции определяется по падению первой капли дистиллята в приемную колбу. По достижении температуры кипения основного вещества, производят смену приемника и отбирают основную фракцию при постоянной температуре или в узком интервале 1.0-1.5°С. В журнале эту температуру (рис.4, t°₁) отмечают как конечную температуру отгонки первой – «головной» фракции и как начальную температуру сбора второй – основной фракции. Если в перегоняемой жидкости содержатся высококипящие примеси, то они попадают в третью - хвостовую фракцию. Когда температура кипения примеси и основного вещества не сильно различаются (менее 40°С), то при постоянной скорости отгонки начинается медленный подъём температуры отходящих паров. Приёмную колбу меняют на новую и собирают третью фракцию. Температуру (рис.4, t°₂) при которой производят смену приемников, в журнале отмечают как конечную температуру отгонки второй фракции и как начальную температуру сбора третьей фракции. Если температуры кипения примеси и основного вещества различаются больше, чем на 40°С, при постоянной температуре бани скорость отгона уменьшается, а температура перегонки падает. Но максимальную температуру отгона основного вещества принимают за конечную температуру отгона второй и начальную температуру отгона третьей фракции. При постепенном увеличении интенсивности нагрева, начинается резкий подъём температуры отходящих паров. Производят смену приёмников и собирают третью - хвостовую фракцию. В обоих случаях максимальную температуру отгона третьей фракции принимают за конечную температуру перегонки (рис.4 t₃°C). На рис.4 графически представлен возможный ход перегонки.

Перегонную колбу в зависимости от температуры кипения перегоняемого вещества можно нагревать на водяной, масляной, песчаной или воздушной бане. Скорость перегонки регулируют изменением температуры нагревания бани. Скорость поступления дистиллята в приемник не должна превышать 1-2 капли в секунду. Для этого температура в бане на 25-30°С должна быть выше температуры перегонки.

Перегонку нельзя проводить досуха, так как возможно интенсивное термическое разложение остатка. Ёе заканчивают, когда на дне перегонной колбы останется ~ 0.5 мл жидкости.

Оценить степень чистоты перегнанного вещества можно по значению показателя преломления, по данным ИК-и ПМР-спекроскопии.

II. Учебные вопросы

1. Какой процесс называют перегонкой?

2. Перечислите основные цели перегонки.

3. Первый закон П.Д.Коновалова.

4. Что такое азеотропные смеси.

5. Дайте определение температуры кипения вещества. Как температура кипения зависит от давления? Как такая зависимость изменяется в процессе перегонки?

6. Какие основные виды перегонки вам известны?

7. Каковы основные этапы процесса перегонки?

8. Из каких основных частей состоит прибор для перегонки при атмосферном давлении?

9. В каких случаях используется холодильник с водяным охлаждением (Либиха), а в каких – с воздушным?

10. Что такое перегрев жидкости и как его предотвратить?

11. Как фиксируют температуру кипения отдельных фракций?

12. С какой скоростью проводят перегонку? Как изменяют интенсивность нагрева перегонной колбы в ходе перегонки?

13. Какой порядок разбора установки после перегонки?

14. По каким физическим константам определяют степень чистоты вещества?

III. Задание

Очистить органическое вещество (гексан – т.кип. 68°С; ацетон – т.кип. 56°С; толуол – т.кип. 110°С) от примесей методом простой перегонки при атмосферном давлении.

IV. Меры предосторожности при работе.

1. Многие органические вещества являются огнеопасными. Особенно легко загораются летучие органические растворители (ЛВЖ – легко воспламеняющиеся жидкости): ацетон – т.кип. 56.2°С, диэтиловый эфир – т.кип. 34.5°С, этиловый спирт –т.кип. 78.1°С, гексан – т.кип. 68°С, толуол – т.кип. 110.8°С.

При работе с огнеопасными веществами необходимо помнить следующее: а) не держать ЛВЖ вблизи огня и нагревательных приборов; б) не нагревать их на открытом огне, сетке, в открытых сосудах, а нагревать только на водяной бане в посуде, снабженной водяным холодильником;

2. Все соединения в приборе должны быть герметичными.

3. «Кипелки» можно вносить только в холодную жидкость. Внесение их в перегретую жидкость вызывает бурное парообразование, приводящее к выбросу содержимого колбы!!!

4. Перегонку заканчивают тогда, когда в колбе остается около 0.5 мл жидкости, в противном случае возможна термическая деструкция остатка.

5. При поднятии или опускании горячей бани под кольцо, на котором находится баня, необходимо подложить керамическую плитку.

6. После полного охлаждения оставшуюся в перегонной колбе жидкость выливают в склянку для отходов, которая находится в вытяжном шкафу.

V. Выполнение работы

Реактивы: жидкое вещество, загрязненное примесями;

Посуда: перегонная колба (Вюрца или с насадкой Вюрца) на 50-100 мл, холодильник Либиха или воздушный холодильник, алонж, приемники на 50-100 мл, химический термометр до 150°С или 250°С, бани для нагрева (водяная, воздушная или воронка Бабо, песчаная и масляная).

Этап 1. Подготовка и сборка приборов.

1. Сушат посуду.

2. Собирают прибор (рис.1) в следующей последовательности: а) верхнюю часть перегонной колбы закрепляют на штативе двухлепесковой лапкой; б) холодильник закрепляют за середину на штативе трёхлепесковой лапкой; в) холодильник при помощи алонжа соединяют с приёмником (для уменьшения потерь вещества за счёт испарения дистиллята). В качестве приёмников используют плоскодонные или круглодонные колбы.

Этап 2. Перегонка при атмосферном давлении.

1. Отмеривают или взвешивают очищаемое вещество.

2. В горловину перегонной колбы вставляют химическую воронку, нижний конец которой должен находится ниже бокового отвода колбы. Через воронку наливают жидкость, объем которой должен быть не более 2/3 объёма перегонной колбы.

3. В перегонную колбу вносят «кипелки» (кусочки фарфора или прокаленного кирпича) для равномерного кипения и для предотвращения перегрева жидкости.

4. В горловину перегонной колбы вставляют термометр. Его устанавливают таким образом, чтобы ртутный шарик термометра находился на 0.5 см ниже боковой трубки (см. рис.3а).

5. Содержимое колбы медленно нагревают до кипения. Начало перегонки фиксируют по падению первой капли в приёмник.

6. Нагревание продолжают так, чтобы скорость перегонки составляла 1-2 капли дистиллята в секунду. Собирают отдельные фракции, фиксируя в журнале начальные и конечные температуры их отбора.

7. Перегонку заканчивают тогда, когда на дне перегонной колбы останется около 0.5 мл жидкости. Оставшуюся в колбе жидкость после охлаждения выливают в склянку для отходов, которая находится в вытяжном шкафу.

Этап 3. Разборка установки. Взвешивание приемников с веществами.

1. После окончания перегонки выключают газ, убирают баню, (см. меры предосторожности) и разбирают установку, начиная с приемника.

2. Измеряют объём или вес дистиллята и определяют практический выход в граммах, а затем рассчитывают практический выход в процентах от теоретического.

W%_{(практ.)}=масса практическая в граммах ·100%

масса теоретическая в граммах