Distillazione semplice

Distillazione di una miscela miscibile

Alcuni liquidi evaporeranno completamente nel tempo se lasciati in un contenitore aperto a temperatura ambiente. Tuttavia, questo processo di evaporazione può essere notevolmente accelerato se il liquido viene riscaldato. Quando il liquido viene riscaldato, le molecole al suo interno guadagnano l'energia per sfuggire alla fase liquida e passare alla fase gassosa sotto forma di bolle. Questo fenomeno è chiamato ebollizione.

Pressione di vapore

Considera un contenitore chiuso di liquido. Inizialmente, una parte di questo liquido evapora, ma solo fino a quando la velocità di vaporizzazione non è uguale alla velocità di condensazione. Dopo aver raggiunto questo punto, non ci sono ulteriori cambiamenti nel sistema e il liquido e il vapore sono in equilibrio. Una volta stabilito questo, la pressione esercitata dal vapore sopra il liquido è chiamata pressione di vapore. La tendenza di un liquido a vaporizzare è chiamata volatilità. Un liquido più volatile ha una pressione di vapore più elevata, mentre un liquido meno volatile ha una pressione di vapore inferiore.

Quando un contenitore aperto di liquido viene riscaldato, una parte maggiore del liquido evapora. Se viene aggiunto abbastanza calore, si formano bolle di vapore nel liquido e il liquido bolle. La temperatura alla quale la pressione di vapore del liquido è uguale alla pressione atmosferica è nota come punto di ebollizione.

Per una sostanza pura, la pressione di vapore è semplice da determinare. Che ne dici di una miscela di liquidi diversi? Se i liquidi puri formano una soluzione omogenea miscibile, ognuno di essi contribuirà alla pressione totale del vapore come pressioni parziali. La pressione totale del gas di una miscela di gas è uguale alla somma delle singole pressioni che ciascun gas eserciterebbe isolatamente. Questa regola è nota come legge di Dalton. Pertanto, per determinare la pressione di vapore totale della miscela, è necessario conoscere le pressioni di vapore delle sostanze pure e il contributo molare di ciascun liquido alla miscela totale, un valore noto come frazione molare. Questa relazione è nota come legge di Raoult:

p_A = p_A* x_A

dove p_A è la tensione di vapore di un componente liquido in una miscela, p_A^* è la tensione di vapore del liquido puro in isolamento, che può essere citata dalla letteratura, e x_A è la frazione molare del componente liquido nella miscela liquida. Le frazioni molari sono calcolate dividendo il numero di moli del componente liquido per il numero totale di moli di ciascun componente nella miscela liquida.

La legge di Dalton delle pressioni parziali può essere applicata una volta che si conosce la pressione di vapore di ogni singolo componente.

P = p_A + p_B

La pressione totale (P) è la somma della tensione di vapore di entrambi i liquidi sopra la miscela, dove p_A e p_B sono le pressioni di vapore dei liquidi A e B, rispettivamente, sopra la miscela.

punto di ebollizione

La temperatura alla quale una sostanza organica pura passa dalla fase liquida alla fase gassosa è nota come punto di ebollizione. In una miscela di liquidi miscibili, la soluzione bolle quando la pressione totale del vapore della soluzione è uguale alla pressione atmosferica. Pertanto, il punto di ebollizione di una miscela si verifica a una temperatura compresa tra i punti di ebollizione dei due liquidi puri.

Quando la miscela viene riscaldata fino al punto di ebollizione, alcune molecole fuoriescono dalla fase liquida ed entrano nella fase gassosa. La temperatura alla quale iniziano a formarsi le prime bolle in una soluzione miscibile che viene riscaldata è la temperatura del punto di bolla. Nel caso di un liquido puro, il punto di bolla è lo stesso del punto di ebollizione.

La fase gassosa è ricca di molecole del componente più volatile o del componente con la pressione di vapore più elevata e il punto di ebollizione più basso. Il numero di molecole che evaporano aumenta con l'applicazione di più calore. Pertanto, la fase liquida è ricca di molecole del componente meno volatile o del componente con la pressione di vapore più bassa e il punto di ebollizione più alto. La temperatura alla quale iniziano a formarsi le prime gocce di liquido durante la distillazione è nota come temperatura del punto di rugiada.

Diagramma di equilibrio vapore-liquido

Un diagramma di equilibrio vapore-liquido è un grafico della temperatura di equilibrio della frazione molare dei componenti di una miscela binaria, con una curva disegnata per la fase liquida e la fase vapore. L'asse x rappresenta la frazione molare di ciascuno dei due componenti della miscela e l'asse y è la temperatura. Questi grafici sono disponibili in letteratura per miscele comuni e possono essere utilizzati per identificare le temperature del punto di ebollizione di una miscela data la frazione molare di ciascun componente. Vengono anche utilizzati per determinare la composizione di ciascuna fase in un esperimento di distillazione.

distillazione

La distillazione è una tecnica di separazione che sfrutta le proprietà del punto di ebollizione delle miscele. Per effettuare la distillazione, viene riscaldata una miscela miscibile di due liquidi con una differenza significativa nei punti di ebollizione, almeno 20 °C. Quando la soluzione si riscalda e raggiunge il punto di bolla del componente più volatile, alcune molecole del componente più volatile passano alla fase gassosa e viaggiano verso l'alto nel condensatore. Il condensatore è un tubo di vetro con sezioni interne ed esterne separate. Il vapore viaggia nella sezione interna del condensatore, dove viene condensato in liquido dall'acqua fredda che scorre nella sezione esterna del condensatore. Questo vapore condensato è chiamato distillato e viene raccolto in un cilindro graduato o in una provetta.

Man mano che la distillazione procede, la temperatura necessaria per far bollire la soluzione aumenta poiché il componente più volatile bolle prima. Pertanto, la composizione del distillato cambia nel tempo. All'inizio della distillazione, il distillato è ricco della componente più volatile; A metà della distillazione, il distillato contiene una miscela dei due componenti; e alla fine della distillazione, il distillato è ricco della componente meno volatile.

Il diagramma di equilibrio vapore-liquido mostra la variazione sia della composizione del liquido nel pallone che del distillato nel corso della distillazione. Ci sono due curve sul grafico; La curva inferiore descrive il punto di ebollizione del liquido nel pallone in relazione alla sua composizione, mentre la curva superiore descrive la temperatura del vapore in relazione alla sua composizione. Per estensione, la curva superiore descrive la composizione del distillato.

Un diagramma di equilibrio vapore-liquido pubblicato dalla letteratura può essere utilizzato per identificare la composizione del liquido e del vapore a una data temperatura durante l'esperimento. Questo può aiutare a determinare quando terminare la distillazione per separare i due componenti.

referenze

1. Kotz, J.C., Treichel Jr, P.M., Townsend, J.R. (2012). Chimica e reattività chimica. Belmont, CA: Brooks/Cole, Cengage Learning.
2. Silderberg, M.S. (2009). Chimica: la natura molecolare della materia e il cambiamento. Boston, MA: McGraw Hill.
3. Felder, R.M., Rousseau, R.W. (2000). Principi elementari dei processi chimici. New York, NY: Wiley and Sons, Inc.

Quando un liquido viene riscaldato, guadagna energia fino a quando l'aumento del disordine della fase gassosa supera le interazioni intermolecolari nella fase liquida. Una volta che un numero sufficiente di molecole è in fase gassosa, fuoriescono dal liquido sotto forma di bolle. Questo effetto, chiamato ebollizione, si verifica quando la pressione totale del vapore della sostanza è uguale alla pressione atmosferica.

La tensione di vapore è la pressione del vapore in equilibrio con la sua fase condensata e varia con la temperatura. In una miscela di liquidi, ogni componente ha la propria pressione di vapore, che chiamiamo pressione parziale. La pressione di vapore totale della miscela è uguale alla somma delle pressioni parziali. Se i liquidi sono miscibili, il che significa che formano sempre una soluzione omogenea, la pressione parziale di ciascun componente è la pressione di vapore del composto puro a quella temperatura moltiplicata per la sua frazione molare nel liquido.

La temperatura alla quale inizia a formarsi la prima bolla di vapore in una miscela liquida è chiamata punto di bolla. Per un liquido puro, sia il punto di bolla che la temperatura alla quale il vapore inizia a condensare, o il punto di rugiada, sono gli stessi del punto di ebollizione. Tuttavia, per una miscela di due liquidi miscibili, sia il punto di bolla che il punto di rugiada saranno tra i punti di ebollizione dei componenti.

Quando la miscela bolle per la prima volta, il vapore è ricco del composto con il punto di ebollizione più basso o del composto più volatile. Ciò aumenta la proporzione del composto con il punto di ebollizione più alto, o il composto meno volatile, nella miscela liquida.

La distillazione è una tecnica di separazione che sfrutta questo fenomeno. In una semplice distillazione, viene fatta bollire una miscela liquida omogenea. Il vapore in salita entra quindi nella camera interna di un condensatore raffreddato ad acqua. Il vapore si condensa in un liquido, chiamato distillato, che viene poi raccolto in un recipiente separato.

Man mano che l'ebollizione continua, le composizioni del liquido e del vapore cambiano man mano che il componente più volatile viene rimosso. Quindi, se raccogliamo il distillato in piccole frazioni, vedremo che ogni frazione contiene i composti in un diverso rapporto molare.

All'aumentare della proporzione del componente meno volatile nella miscela liquida, aumentano anche il punto di bolla e il punto di rugiada. Tracciando le bolle e i punti di rugiada della miscela rispetto alle frazioni molari dei componenti si crea un diagramma del punto di ebollizione. Una volta ottenuto questo diagramma, possiamo utilizzare la curva del punto di rugiada per determinare la composizione del vapore a una data temperatura.

In questo laboratorio, imposterai ed eseguirai la semplice distillazione di una miscela di cicloesano e toluene e registrerai la temperatura del vapore durante l'esperimento. Utilizzerai quindi il diagramma del punto di ebollizione pubblicato per cicloesano e toluene per determinare la composizione del vapore, consentendoti di stimare la composizione della miscela liquida durante la distillazione.