التقطير بالبخار

التقطير بالبخار

التقطير بالبخار هو تقنية فصل تسخر خاصية نقطة الغليان المنخفضة للمخاليط غير القابلة للامتزاج. يتم استخدامه في الغالب لفصل الجزيئات العضوية الحساسة لدرجة الحرارة عن الملوثات غير المتطايرة. يجب أن يكون الجزيء العضوي غير قابل للامتزاج في الماء.

في التقطير بالبخار ، يتم تسخين الخليط غير القابل للامتزاج حتى الغليان ، مما يتسبب في تقطير كل من الماء والمركبات العضوية المتطايرة. هذا يعني أن الخليط الغازي ينتقل لأعلى إلى مكثف ، والذي يقوم بعد ذلك بتكثيف البخار إلى سائل بحيث يمكن جمعه. على عكس التقطير البسيط ، يستخدم التقطير بالبخار خزان مياه لتجديد الماء في الخليط الساخن طوال العملية. يتم تقطير المكون العضوي غير القابل للامتزاج ببطء مع الماء ، بينما يبقى المكون غير المتطاير في الخليط الساخن. بمجرد تقطير المكون العضوي ، يمكن بعد ذلك فصله عن الماء باستخدام الاستخراج السائل السائل.

ضغط بخار الخليط

بالنسبة للخليط القابل للامتزاج الذي يشكل محلولا متجانسا ، يعتمد ضغط بخار كل مكون على ضغط بخار المكون النقي وجزء الخلد في الخليط السائل وفقا لقانون راولت.

p_A = p_A^*x_A

حيث p_A هو ضغط بخار مكون سائل واحد في خليط سائل قابل للامتزاج ، p_A ^* هو ضغط بخار السائل النقي ، و x _A هو جزء الخلد من هذا السائل في الخليط ، وهو ما يساوي n_A/n_t. n_A هو عدد مولات السائل الفردي في الخليط، و n_t هو العدد الكلي لمولات جميع السوائل في الخليط.

ضغط البخار الكلي فوق خليط السائل القابل للامتزاج يساوي مجموع ضغط البخار الجزئي لكل مكون فيه ، والذي يعرف باسم قانون دالتون. يزداد ضغط بخار السائل مع درجة الحرارة حيث تكتسب المزيد من الجزيئات طاقة حركية للهروب من الطور السائل إلى الطور الغازي. في خليط قابل للامتزاج يحتوي على سائلين ، يمكن وصف الضغط الكلي على النحو التالي:

P = p_A + p_B

حيث p_A و p_B هي ضغوط بخار السائل A السائل B ، على التوالي ، فوق الخليط. P هو ضغط البخار الكلي لكلا السائلين فوق الخليط. يصف الجمع بين المعادلات العلاقة بين ضغط البخار الكلي للمحلول وجزء الخلد للمكونات الفردية:

P = p_A^*x_A + p_B^*x_B

في خليط غير قابل للامتزاج ، حيث تشكل المكونات خليطا غير متجانس ، تساهم ضغوط البخار لكل مكون بشكل مستقل في ضغط البخار الكلي. وبالتالي ، فإن ضغط البخار الكلي يساوي مجموع ضغوط البخار النقي الفردية. في خليط غير قابل للامتزاج يتكون من سائلين ، يتم تعريف الضغط الكلي على أنه ضغط بخار السائل الأول بالإضافة إلى ضغط بخار السائل الثاني.

P = p_A^* + p_B^*

نقطة غليان خليط غير قابل للامتزاج

عندما يتم تسخين السائل ، يزداد ضغط البخار. كل مكون في الخليط له نقطة غليان خاصة به. في خليط من السوائل القابلة للامتزاج ، يحدث الغليان عند درجة حرارة بين نقاط غليان السوائل المكونة.

بالنسبة للخليط غير القابل للامتزاج ، يحدث الغليان عند درجة حرارة أقل بكثير من نقاط غليان المكونات الفردية. نظرا لأن كل مكون فردي يساهم بشكل مستقل ، فإن هناك حاجة إلى حرارة أقل لزيادة ضغط البخار الكلي إلى الضغط الجوي.

على سبيل المثال ، ضع في اعتبارك الخليط غير القابل للامتزاج من البنزين والماء. درجة غليان البنزين عند الضغط الجوي العادي هي 80.1 درجة مئوية ، ودرجة غليان الماء عند الضغط الجوي العادي هي 100 درجة مئوية. يغلي المحلول عندما يصل ضغط البخار الكلي إلى 760 مم زئبق (الضغط الجوي العادي). عند 69.3 درجة مئوية ، يبلغ ضغط بخار الماء 227 مم زئبق وضغط بخار البنزين 533 مم زئبق ، وهو ما يساوي في المجموع 760 مم زئبق اللازم المطلوب للغليان. هذا أقل بكثير من نقطة غليان أي من المكونات الفردية.

المراجع

1. كوتز ، جي سي ، تريتشيل جونيور ، بي إم ، تاونسند ، جي آر (2012). الكيمياء والتفاعل الكيميائي. بلمونت ، كاليفورنيا: بروكس / كول ، Cengage Learning.
2. سيلدربيرج ، MS (2009). الكيمياء: الطبيعة الجزيئية للمادة والتغيير. بوسطن ، ماساتشوستس: ماكجرو هيل.

عندما يتم تسخين خليط مثالي من سائلين قابلين للامتزاج حتى الغليان ، يغلي المحلول عند درجة حرارة بين نقاط الغليان لكل مكون. إذا كانت هذه السوائل لها نقاط غليان مختلفة جدا ، فعندما يبدأ الخليط في الغليان ، يكون البخار غنيا بجزيئات المكون الأكثر تقلابا. غالبا ما تستخدم هذه الظاهرة لفصل الخلائط باستخدام التقطير البسيط ، حيث يتم تسخين خليط من سائلين قابلين للامتزاج ثم يتم تكثيف البخار مرة أخرى إلى سائل وجمعه.

عندما يتم جمع البخار الغني بالمكون الأكثر تقلبا على شكل نواتج التقطير ، تصبح المرحلة السائلة غنية بجزيئات المكون الأقل تقلابا. ومع ذلك ، تتطلب هذه التقنية تسخين المحلول على الأقل إلى درجة غليان المركب الأكثر تقلبا وغالبا ما يكون أبعد من ذلك.

في حالة المركبات العضوية الحساسة لدرجة الحرارة ، يمكن أن تؤدي درجة الحرارة المرتفعة هذه إلى تحلل الجزيئات العضوية إلى شيء آخر. إذن، كيف يمكننا فصل هذه الأنواع من المركبات؟ أولا ، دعنا نعود خطوة إلى الوراء.

تذكر أن ضغط البخار في حالة توازن مع مرحلته المكثفة يسمى ضغط البخار. لكل من مكونات خليط السوائل ضغط بخار خاص بها ، والذي نسميه ضغطها الجزئي. نحن نعلم أن المحلول يغلي عندما يكون ضغط بخار المحلول الكلي مساويا للضغط الجوي. ضغط البخار الكلي يساوي مجموع الضغوط الجزئية للمكونات.

بالنسبة لخليط من السوائل القابلة للامتزاج ، مما يعني أن أي مزيج من السوائل يشكل محلولا متجانسا ، يتم حساب الضغوط الجزئية من ضغوط بخار المركبات النقية مضروبة في كسور الخلد في المحلول. ومع ذلك ، بالنسبة لمزيج غير متجانس من السوائل غير القابلة للامتزاج ، مما يعني أن السوائل غير قابلة للذوبان في بعضها البعض ، فإن الضغوط الجزئية هي ببساطة ضغوط بخار المركبات النقية.

نظرا لأن كل مكون من مكونات الخليط غير المتجانس يساهم في ضغط البخار الكلي بشكل مستقل عن المكونات الأخرى ، فإن الخليط يغلي عندما يكون ضغط البخار الكلي ، وهو مجموع الضغوط الجزئية ، مساويا للضغط الجوي. يحدث هذا عند درجة حرارة أقل من نقاط الغليان الفردية لكل مكون لأن ضغط البخار الكلي يزداد مع درجة الحرارة بشكل أسرع بكثير مما تتوقعه حتى بالنسبة للمكون الأكثر تقلبا.

يمكننا تسخير هذه الظاهرة لإجراء التقطير بالبخار ، والذي يستخدم لعزل مركب عضوي حساس لدرجة الحرارة يتحلل تحت حرارة عالية وغير قابل للذوبان في الماء من المواد غير المتطايرة. يشبه إعداد التقطير بالبخار إعداد التقطير البسيط مع إضافة خزان مياه لتجديد المياه طوال العملية.

عندما يغلي الخليط ، يتبخر كل من الماء والمركب العضوي المهم. تنتقل أبخرة الماء والمركبات العضوية إلى المكثف ، ويتم تكثيفها إلى سائل ، ويتم جمعها. يتم فصل السوائل غير القابلة للامتزاج بعد ذلك. يتم ترك الماء والمواد غير المتطايرة فقط في الخليط في القارورة.

في هذا المختبر ، ستقوم بإعداد وإجراء تجربة تقطير بالبخار لاستخراج الزيت العطري من المكونات غير المتطايرة لقشر البرتقال. ستستخدم بعد ذلك الاستخراج السائل السائل لاستخراج الزيت العطري من الماء إلى مذيب عضوي.