Einfache Destillation

Wenn eine Flüssigkeit erhitzt wird, gewinnt sie Energie, bis die zunehmende Unordnung der Gasphase die intermolekularen Wechselwirkungen in der flüssigen Phase überwiegt. Sobald sich genügend Moleküle in der Gasphase befinden, entweichen sie in Form von Blasen aus der Flüssigkeit. Dieser Effekt, der als Sieden bezeichnet wird, tritt auf, wenn der Gesamtdampfdruck der Substanz dem atmosphärischen Druck entspricht.

Der Dampfdruck ist der Druck des Dampfes im Gleichgewicht mit seiner kondensierten Phase und variiert mit der Temperatur. In einem Gemisch von Flüssigkeiten hat jede Komponente ihren eigenen Dampfdruck, den wir als Partialdruck bezeichnen. Der Gesamtdampfdruck des Gemisches ist gleich der Summe der Partialdrücke. Sind die Flüssigkeiten mischbar, d.h. bilden sie immer eine homogene Lösung, so ist der Partialdruck jeder Komponente der Dampfdruck der reinen Verbindung bei dieser Temperatur multipliziert mit ihrem Molenbruch in der Flüssigkeit.

Die Temperatur, bei der sich die erste Dampfblase in einem flüssigen Gemisch zu bilden beginnt, wird als Blasenpunkt bezeichnet. Bei einer reinen Flüssigkeit sind sowohl der Blasenpunkt als auch die Temperatur, bei der der Dampf zu kondensieren beginnt, oder der Taupunkt, identisch mit dem Siedepunkt. Bei einer Mischung aus zwei mischbaren Flüssigkeiten liegen jedoch sowohl der Blasenpunkt als auch der Taupunkt zwischen den Siedepunkten der Komponenten.

Wenn das Gemisch zum ersten Mal siedet, ist der Dampf reich an der Verbindung mit dem niedrigeren Siedepunkt oder der flüchtigeren Verbindung. Dadurch erhöht sich der Anteil der Verbindung mit dem höheren Siedepunkt bzw. der weniger flüchtigen Verbindung im flüssigen Gemisch.

Die Destillation ist eine Trenntechnik, die sich dieses Phänomen zunutze macht. Bei einer einfachen Destillation wird ein homogenes flüssiges Gemisch aufgekocht. Der aufsteigende Dampf gelangt dann in die innere Kammer eines wassergekühlten Kondensators. Der Dampf kondensiert zu einer Flüssigkeit, dem sogenannten Destillat, das dann in einem separaten Gefäß gesammelt wird.

Im weiteren Verlauf des Siedens ändert sich die Zusammensetzung der Flüssigkeit und des Dampfes, da die flüchtigere Komponente entfernt wird. Wenn wir also das Destillat in kleinen Fraktionen sammeln, werden wir sehen, dass jede Fraktion die Verbindungen in einem anderen molaren Verhältnis enthält.

Mit zunehmendem Anteil der weniger flüchtigen Komponente im Flüssigkeitsgemisch steigt auch der Blasenpunkt und der Taupunkt. Durch die Darstellung der Blasen- und Taupunkte des Gemisches im Vergleich zu den Molenbrüchen der Komponenten entsteht ein Siedepunktdiagramm. Sobald wir dieses Diagramm haben, können wir die Taupunktkurve verwenden, um die Zusammensetzung des Dampfes bei einer bestimmten Temperatur zu bestimmen.

In diesem Labor richten Sie die einfache Destillation eines Gemischs aus Cyclohexan und Toluol ein und führen sie durch und zeichnen die Temperatur des Dampfes während des gesamten Experiments auf. Anschließend verwenden Sie das veröffentlichte Siedepunktdiagramm für Cyclohexan und Toluol, um die Zusammensetzung des Dampfes zu bestimmen, sodass Sie die Zusammensetzung des Flüssigkeitsgemisches während der gesamten Destillation abschätzen können.