Wasserdampfdestillation

Wenn ein ideales Gemisch aus zwei mischbaren Flüssigkeiten zum Sieden erhitzt wird, siedet die Lösung bei einer Temperatur zwischen den Siedepunkten der einzelnen Komponenten. Wenn diese Flüssigkeiten sehr unterschiedliche Siedepunkte haben, ist der Dampf, wenn das Gemisch zu kochen beginnt, reich an den Molekülen der flüchtigeren Komponente. Dieses Phänomen wird häufig genutzt, um Gemische durch einfache Destillation zu trennen, bei der ein Gemisch aus zwei mischbaren Flüssigkeiten erhitzt wird und der Dampf dann wieder zu Flüssigkeit kondensiert und gesammelt wird.

Da der Dampf, der reich an der flüchtigeren Komponente ist, als Destillat gesammelt wird, wird die flüssige Phase reich an den Molekülen der weniger flüchtigen Komponente. Diese Technik erfordert jedoch, dass die Lösung mindestens bis zum Siedepunkt der flüchtigeren Verbindung und oft darüber hinaus erhitzt wird.

Bei temperaturempfindlichen organischen Verbindungen könnte diese hohe Temperatur dazu führen, dass sich die organischen Moleküle in etwas anderes zersetzen. Wie können wir also diese Art von Verbindungen trennen? Lassen Sie uns zunächst einen Schritt zurückgehen.

Es sei daran erinnert, dass der Druck eines Dampfes, der sich im Gleichgewicht mit seiner kondensierten Phase befindet, als Dampfdruck bezeichnet wird. Die Bestandteile eines Gemisches von Flüssigkeiten haben jeweils einen eigenen Dampfdruck, den wir ihren Partialdruck nennen. Wir wissen, dass eine Lösung siedet, wenn der Gesamtdampfdruck der Lösung dem Atmosphärendruck entspricht. Der Gesamtdampfdruck ist gleich der Summe der Partialdrücke der Komponenten.

Für ein Gemisch mischbarer Flüssigkeiten, d.h. dass jede Kombination der Flüssigkeiten eine homogene Lösung bildet, werden die Partialdrücke aus den Dampfdrücken der reinen Verbindungen multipliziert mit ihren Molenbrüchen in der Lösung berechnet. Bei einem heterogenen Gemisch nicht mischbarer Flüssigkeiten, d.h. die Flüssigkeiten sind ineinander unlöslich, sind die Partialdrücke jedoch einfach die Dampfdrücke der reinen Verbindungen.

Da jede Komponente des heterogenen Gemisches unabhängig von den anderen Komponenten zum Gesamtdampfdruck beiträgt, siedet das Gemisch, wenn der Gesamtdampfdruck, der die Summe der Partialdrücke ist, gleich dem Atmosphärendruck ist. Dies geschieht bei einer niedrigeren Temperatur als die einzelnen Siedepunkte jeder Komponente, da der Gesamtdampfdruck mit der Temperatur viel schneller ansteigt, als man es selbst für die flüchtigste Komponente erwarten würde.

Wir können uns dieses Phänomen zunutze machen, um eine Wasserdampfdestillation durchzuführen, bei der eine temperaturempfindliche organische Verbindung isoliert wird, die sich unter hoher Hitze zersetzt und in Wasser aus nichtflüchtigen Substanzen unlöslich ist. Die Wasserdampfdestillation ähnelt einer einfachen Destillationsanlage mit einem zusätzlichen Wasserreservoir, um während des gesamten Prozesses Wasser aufzufüllen.

Während die Mischung siedet, werden sowohl das Wasser als auch die interessierende organische Verbindung verdampft. Das Wasser und die Dämpfe der organischen Verbindungen gelangen in den Kondensator, werden zu Flüssigkeit kondensiert und gesammelt. Die nicht mischbaren Flüssigkeiten werden anschließend abgetrennt. In der Mischung im Kolben verbleiben nur Wasser und nichtflüchtige Stoffe.

In diesem Labor richten Sie ein Wasserdampfdestillationsexperiment ein und führen es durch, um ätherisches Öl aus den nichtflüchtigen Bestandteilen einer Orangenschale zu extrahieren. Anschließend verwenden Sie eine Flüssig-Flüssig-Extraktion, um das ätherische Öl aus Wasser in ein organisches Lösungsmittel zu extrahieren.