Einfache Destillation

Destillation eines mischbaren Gemisches

Einige Flüssigkeiten verdampfen mit der Zeit vollständig, wenn sie in einem offenen Behälter bei Raumtemperatur aufbewahrt werden. Dieser Verdampfungsprozess kann jedoch deutlich beschleunigt werden, wenn die Flüssigkeit erhitzt wird. Wenn die Flüssigkeit erhitzt wird, gewinnen die darin enthaltenen Moleküle die Energie, um der flüssigen Phase zu entkommen und in Form von Blasen in die Gasphase überzugehen. Dieses Phänomen wird als Sieden bezeichnet.

Dampfdruck

Betrachten Sie einen geschlossenen Behälter mit Flüssigkeit. Anfangs verdampft ein Teil dieser Flüssigkeit, aber nur so lange, bis die Verdampfungsrate der Kondensationsrate entspricht. Nachdem dieser Punkt erreicht ist, gibt es keine weitere Veränderung im System, und die Flüssigkeit und der Dampf befinden sich im Gleichgewicht. Sobald dies festgestellt ist, wird der Druck, den der Dampf über die Flüssigkeit ausübt, als Dampfdruck bezeichnet. Die Tendenz, dass eine Flüssigkeit verdampft, wird als Volatilität bezeichnet. Eine flüchtigere Flüssigkeit hat einen höheren Dampfdruck, während eine weniger flüchtige Flüssigkeit einen niedrigeren Dampfdruck hat.

Wenn ein offener Behälter mit Flüssigkeit erhitzt wird, verdampft mehr von der Flüssigkeit. Wird genügend Hitze zugeführt, bilden sich Dampfblasen in der Flüssigkeit und die Flüssigkeit kocht. Die Temperatur, bei der der Dampfdruck der Flüssigkeit mit dem atmosphärischen Druck übereinstimmt, wird als Siedepunkt bezeichnet.

Bei einer reinen Substanz ist der Dampfdruck einfach zu bestimmen. Wie wäre es mit einer Mischung aus verschiedenen Flüssigkeiten? Wenn reine Flüssigkeiten eine mischbare homogene Lösung bilden, trägt jede einzelne als Partialdrücke zum Gesamtdampfdruck bei. Der Gesamtgasdruck eines Gasgemisches ist gleich der Summe der Einzeldrücke, die jedes Gas isoliert ausüben würde. Diese Regel ist als Dalton's Law bekannt. Um den Gesamtdampfdruck des Gemisches zu bestimmen, müssen Sie daher die Dampfdrücke der Reinsubstanzen und den molaren Beitrag jeder Flüssigkeit zum Gesamtgemisch kennen, ein Wert, der als Molenbruch bezeichnet wird. Diese Beziehung ist als Raoult'sches Gesetz bekannt:

p_A = p_A* x_A

wobei p_A der Dampfdruck einer flüssigen Komponente in einem Gemisch ist, p_A^* der Dampfdruck der reinen Flüssigkeit in isolierter Form ist, auf den aus der Literatur verwiesen werden kann, und x_A der Molenbruch der flüssigen Komponente in dem flüssigen Gemisch ist. Molenbrüche werden berechnet, indem die Anzahl der Mole der flüssigen Komponente durch die Gesamtzahl der Mole jeder Komponente in der flüssigen Mischung dividiert wird.

Das Daltonsche Gesetz der Partialdrücke kann angewendet werden, sobald Sie den Dampfdruck jeder einzelnen Komponente kennen.

P = p_A + p_B

Der Gesamtdruck (P) ist die Summe des Dampfdrucks beider Flüssigkeiten über dem Gemisch, wobei p_A und p_B die Dampfdrücke der Flüssigkeiten A bzw. B über dem Gemisch sind.

Siedepunkt

Die Temperatur, bei der eine reine organische Substanz von der flüssigen in die gasförmige Phase überführt wird, wird als Siedepunkt bezeichnet. In einem Gemisch aus mischbaren Flüssigkeiten siedet die Lösung, wenn der Gesamtdampfdruck der Lösung dem Atmosphärendruck entspricht. Der Siedepunkt eines Gemisches liegt also bei einer Temperatur, die zwischen den Siedepunkten der beiden reinen Flüssigkeiten liegt.

Wenn das Gemisch bis zum Siedepunkt erhitzt wird, entweichen einige der Moleküle aus der flüssigen Phase und gehen in die Gasphase über. Die Temperatur, bei der sich die ersten Blasen in einer mischbaren Lösung, die erhitzt wird, zu bilden beginnen, ist die Blasenpunkttemperatur. Bei einer reinen Flüssigkeit ist der Blasenpunkt gleich dem Siedepunkt.

Die Gasphase ist reich an Molekülen der flüchtigeren Komponente oder der Komponente mit dem höheren Dampfdruck und dem niedrigeren Siedepunkt. Die Anzahl der Moleküle, die verdampfen, nimmt zu, je mehr Hitze zugeführt wird. Somit ist die flüssige Phase reich an Molekülen der weniger flüchtigen Komponente oder der Komponente mit dem niedrigeren Dampfdruck und dem höheren Siedepunkt. Die Temperatur, bei der sich bei der Destillation die ersten Flüssigkeitstropfen zu bilden beginnen, wird als Taupunkttemperatur bezeichnet.

Dampf-Flüssigkeits-Gleichgewichtsdiagramm

Ein Dampf-Flüssigkeits-Gleichgewichtsdiagramm ist ein Diagramm der Gleichgewichtstemperatur des Molenbruchs von Komponenten eines binären Gemisches mit einer gezeichneten Kurve für die Flüssigphase und die Dampfphase. Die x-Achse stellt den Molenbruch jeder der beiden Komponenten in der Mischung dar, und die y-Achse stellt die Temperatur dar. Diese Diagramme sind in der Literatur für gängige Gemische verfügbar und können verwendet werden, um die Siedepunkttemperaturen eines Gemisches anhand des Molenbruchs jeder Komponente zu identifizieren. Sie werden auch verwendet, um die Zusammensetzung jeder Phase in einem Destillationsexperiment zu bestimmen.

Destillation

Die Destillation ist eine Trenntechnik, die sich die Siedepunktseigenschaften von Gemischen zunutze macht. Zur Durchführung der Destillation wird ein mischbares Gemisch aus zwei Flüssigkeiten mit einem signifikanten Siedepunktunterschied von mindestens 20 °C erhitzt. Wenn sich die Lösung erwärmt und den Blasenpunkt der flüchtigeren Komponente erreicht, gehen einige Moleküle der flüchtigeren Komponente in die Gasphase über und wandern nach oben in den Kondensator. Der Kondensator ist ein Glasrohr mit getrenntem Innen- und Außenteil. Der Dampf gelangt in den inneren Teil des Kondensators, wo er durch das kalte Wasser, das im äußeren Teil des Kondensators fließt, zu Flüssigkeit kondensiert wird. Dieser kondensierte Dampf wird als Destillat bezeichnet und in einem Messzylinder oder Reagenzglas gesammelt.

Mit fortschreitender Destillation steigt die Temperatur, die zum Kochen der Lösung erforderlich ist, da die flüchtigere Komponente früher verdampft. So verändert sich die Zusammensetzung des Destillats im Laufe der Zeit. Zu Beginn der Destillation ist das Destillat reich an der flüchtigeren Komponente; In der Mitte der Destillation enthält das Destillat eine Mischung aus den beiden Komponenten; Und am Ende der Destillation ist das Destillat reich an der weniger flüchtigen Komponente.

Das Dampf-Flüssig-Gleichgewichtsdiagramm zeigt die Veränderung sowohl der Zusammensetzung der Flüssigkeit im Kolben als auch des Destillats im Verlauf der Destillation. Es gibt zwei Kurven auf dem Diagramm; Die untere Kurve beschreibt den Siedepunkt der Flüssigkeit im Kolben in Bezug auf ihre Zusammensetzung, während die obere Kurve die Temperatur des Dampfes in Bezug auf seine Zusammensetzung beschreibt. Im weiteren Sinne beschreibt die obere Kurve die Zusammensetzung des Destillats.

Ein veröffentlichtes Dampf-Flüssigkeits-Gleichgewichtsdiagramm aus der Literatur kann verwendet werden, um die Zusammensetzung von Flüssigkeit und Dampf bei einer bestimmten Temperatur während des Experiments zu identifizieren. Dies kann helfen zu bestimmen, wann die Destillation beendet werden muss, um die beiden Komponenten zu trennen.

Referenzen

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