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Organic Chemistry

Distillazione frazionata

Fractional Distillation

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Fractional Distillation

2.1: Introduction to Catalysis

2.13: Performing 1D Thin Layer Chromatography

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10:09 min

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April 30, 2023

Overview

Fonte: Laboratorio del Dr. Nicholas Leadbeater — Università del Connecticut

La distillazione è forse la tecnica di laboratorio più comune impiegata dai chimici per la purificazione dei liquidi organici. I composti in una miscela con diversi punti di ebollizione si separano in singoli componenti quando la miscela viene accuratamente distillata. I due principali tipi di distillazione sono la “distillazione semplice” e la “distillazione frazionata”, ed entrambi sono ampiamente utilizzati nei laboratori di chimica organica.

La distillazione semplice viene utilizzata quando il liquido è (a) relativamente puro (contenente non più del 10% di contaminanti liquidi), (b) ha un componente non volatile, come un contaminante solido, o (c) è miscelato con un altro liquido con un punto di ebollizione che differisce di almeno 25 °C. La distillazione frazionata viene utilizzata quando si separano miscele di liquidi i cui punti di ebollizione sono più simili (separati da meno di 25 °C).

Questo video descriverà in dettaglio la distillazione frazionata di una miscela di due solventi organici comuni, cicloesano e toluene.

Principles

Per separare due o più liquidi mediante semplice distillazione, vengono prima riscaldati in un pallone. Il liquido più volatile (il liquido con il punto di ebollizione più basso) in genere evapora per primo e il vapore passerà in una colonna di condensazione, dove può tornare in un liquido (condensare) sulle pareti di vetro freddo e quindi gocciolare in un recipiente di raccolta (Figura 1).

Figura 1. Apparecchi per la distillazione semplice.

Nella distillazione frazionata, una miscela di liquidi viene bollita e i vapori risultanti viaggiano su un tubo di vetro chiamato “colonna di frazionamento” e separati. La colonna di frazionamento è posta tra il pallone contenente la miscela e l’adattatore “Y” ed è solitamente riempita con perle di vetro o di plastica, il che migliora la separazione tra i liquidi da distillare. La distillazione frazionata porta a una separazione migliore rispetto alla semplice distillazione perché le perle di vetro nella colonna di frazionamento forniscono “piastre teoriche” su cui i vapori possono condensare, reevaporate e quindi ricondensere, essenzialmente distillando la miscela più e più volte. Una piastra teorica equivale a un ciclo di vaporizzazione-condensazione, che equivale a una semplice distillazione. I liquidi più volatili si sposteranno gradualmente verso la parte superiore della colonna di frazionamento, mentre i liquidi bollenti più bassi rimarranno verso il basso, dando una migliore separazione tra i liquidi. Il vapore alla fine raggiunge il condensatore, dove viene raffreddato e poi gocciola nel recipiente di raccolta.

Una curva di composizione del punto di ebollizione (Figura 2) può essere utilizzata per prevedere il numero di piastre teoriche necessarie per ottenere la separazione desiderata. I dati per la curva si ottengono prendendo miscele di composizione variabile, riscaldandole al punto di ebollizione, registrando la temperatura e analizzando la composizione del vapore sopra ogni miscela. La curva inferiore rappresenta la composizione liquida e la curva superiore rappresenta la composizione del vapore. Nel caso di questo esperimento, la miscela di partenza era il 50% di cicloesano e il 50% di toluene. Partendo dall’asse X nel punto 50:50, disegnando una linea dritta fino alla curva del liquido, poi una linea orizzontale diritta fino alla curva di vapore e poi di nuovo giù fino all’asse X, si può vedere che durante la semplice distillazione di una miscela di cicloesano al 50%: 50% di toluene, la prima goccia di distillato sarebbe composta da circa l’80% di cicloesano e il 20% di toluene.

Figura 2. Curva punto di ebollizione-composizione per cicloesano e toluene che mostra una semplice distillazione.

La distillazione frazionata è fondamentalmente un numero di semplici distillazioni eseguite in sequenza, il numero è determinato dal numero di piastre teoriche. È possibile utilizzare la curva di composizione del punto di ebollizione per determinare il numero di piastre teoriche necessarie per ottenere un certo grado di separazione (Figura 3). Partendo da una miscela che è il 50% di cicloesano e il 50% di toluene, una colonna di frazionamento con un’efficienza pari a due piastre teoriche si tradurrebbe in un distillato che è al 95% cicloesano puro. Una terza piastra teorica risulterebbe in distillato che è circa il 99% di cicloesano puro. Tuttavia, in pratica, la situazione non è così semplice. Man mano che la distillazione procede e la miscela nel pallone di distillazione diventa sempre più arricchita di toluene – essenzialmente, risultando in una nuova miscela di partenza che si trova più a destra sulla curva di composizione del liquido. Per ottenere cicloesano puro, sono necessarie più piastre teoriche, ma l’efficienza della colonna di frazionamento è fissa, e quindi si raggiunge un punto in cui non può più fornire il grado di separazione richiesto, con conseguente distillato che contiene più tracce contaminanti di toluene.

Figura 3. Curva punto di ebollizione-composizione per cicloesano e toluene che mostra tre piastre teoriche.

Una curva di distillazione, che traccia la temperatura rispetto al volume del distillato, è mostrata nella Figura 4. La distillazione avviene inizialmente a circa 82 °C, il punto di ebollizione del cicloesano. La temperatura relativamente stabile mostra che il materiale quasi puro sta distillando durante questo periodo. La temperatura sale quindi e raggiunge un altro plateau intorno ai 110 °C, il punto di ebollizione del toluene. Tra i due plateau la temperatura sale gradualmente, non istantaneamente. Ricordiamo che man mano che la distillazione procede e il cicloesano viene rimosso, sono necessarie piastre più teoriche per ottenere la purezza desiderata. Ad un certo punto la colonna di frazionamento è al suo numero massimo di piastre e non può più separare efficacemente la miscela, il che significa che ci sarà distillato contenente sia il cicloesano che il toluene. Una volta distillato tutto il cicloesano, tuttavia, il toluene puro inizia a distillare come evidenziato dal secondo plateau di temperatura. Per ottenere la distillazione ottimale, la velocità di distillazione deve essere costante e relativamente lenta.

Figura 4. Curva di distillazione frazionata per cicloesano e toluene.

Procedure

1. Installazione di un apparecchio di distillazione frazionata

Apparecchi di distillazione frazionata	Quantità
Supporti per storte (supporti ad anello)	2
Martinetto a vite	1
Morsetti	4
Morsetti Keck	4
Barra di agitazione magnetica	1
Colonna di frazionamento	1
Adattatore “Y”	1
Adattatore per termometro e termometro	1
Pallone a fondo tondo da 100 mL	1
Condensatore con tubi di ingresso e uscita acqua	1
Adattatore di raccolta	1
Cilindri graduati da 25 mL	3
Mantello riscaldante	1
Mescolare la piastra	1

Tabella 1. Componenti dell’apparato di distillazione frazionata.
Nota: tutti gli articoli in vetro, ad eccezione dei cilindri graduati, devono avere giunti in vetro sdenato

Raccogliere tutte le attrezzature necessarie per assemblare l’apparato di distillazione frazionata (Tabella 1) e metterle in una cappa aspirante.
Posizionare il mantello riscaldante e mescolare la piastra ai piedi del supporto di storta, seduto sopra un martinetto a vite.
Utilizzando il martinetto a vite, elevare il mantello riscaldante ad un’altezza di 20 cm.
Attaccare un morsetto sul supporto di storta. Fissare il pallone a fondo tondo al supporto di storta usando il morsetto in modo che il pallone si trovi rannicchiatamente nel mantello riscaldante.
Rimuovere il martinetto a vite e il mantello riscaldante, mettendoli da parte per dopo.
Aggiungere una barra magnetica al pallone a fondo tondo.
Aggiungere una colonna di frazionamento nella parte superiore del pallone a fondo tondo, fissandolo al supporto di storta con un morsetto.
Aggiungere un adattatore a “Y” nella parte superiore della colonna di frazionamento, fissandolo al supporto di storta con un morsetto e alla colonna di frazionamento con una clip Keck.
Aggiungere una colonna di condensazione al braccio inclinato verso il basso dell’adattatore a “Y”, fissandolo con una clip Keck. Per una maggiore stabilità, il condensatore può essere fissato con un morsetto a un secondo supporto di storta.
Collegare il tubo dalla fonte d’acqua alla connessione inferiore sul condensatore e collegare il tubo di ritorno dell’acqua alla connessione superiore sul condensatore. Assicurarsi che il tubo sia saldamente montato sul condensatore (considerare l’utilizzo di filo di rame per mantenere il tubo in posizione).
Collegare un adattatore di raccolta all’estremità aperta del condensatore e fissare il collegamento con una clip Keck.
Avere a disposizione tre cilindri graduati da 25 ml per la raccolta del distillato.

Figura 5. Apparecchi per distillazione frazionata.

2. Preparazione per la distillazione

Rimuovere il pallone a fondo tondo dal gruppo abbassandolo alla base del supporto di storta.
Posizionare un imbuto a stelo nella parte superiore del matraccio a fondo tondo e aggiungere il liquido da distillare. Non riempire il pallone più della metà pieno.
Dopo aver riempito il pallone, rimuovere l’imbuto.
Sollevare nuovamente il pallone e rimettere il pallone nella sua posizione originale sul supporto di storta.
Utilizzando l’adattatore per termometro, posizionare il termometro nella porta aperta rimanente sull’adattatore a “Y”. Il termometro dovrebbe essere aggiunto per ultimo, in quanto è più suscettibile alla rottura.
Posizionare la lampadina del termometro in modo che si trova appena sotto il braccio laterale dell’adattatore a “Y”. Ciò garantisce una lettura accurata della temperatura del vapore.
Sostituire il mantello riscaldante e il martinetto a vite nella loro posizione originale, avvolgendo avvolgendo il pallone a fondo tondo.
Posizionare un cilindro graduato sotto l’adattatore del condensatore, pronto per raccogliere il distillato.

3. Esecuzione della distillazione

Aumentare gradualmente la temperatura del mantello riscaldante fino a quando il liquido nel pallone a fondo tondo inizia a bollire.
Non appena inizia l’ebollizione, tenere la temperatura per 2 minuti.
Si noti l’anello di condensa che sale lentamente sulla colonna di frazionamento. L’aumento dovrebbe essere graduale, il che garantisce una corretta separazione dei componenti della miscela attraverso le piastre teoriche. Se l’anello di condensa smette di salire, aumentare leggermente la temperatura. Dovrebbero essere necessari almeno 5 minuti prima che l’anello raggiunga la parte superiore della colonna.
Una volta che le prime gocce di liquido iniziano a cadere nel condensatore, la temperatura dovrebbe rimanere quasi costante. Registrare la temperatura man mano che ogni 2 mL di distillato si raccoglie nel cilindro graduato.
Regolare il calore di conseguenza per consentire 1-2 gocce/s dal condensatore al cilindro graduato.
Ogni volta che il cilindro graduato raggiunge i 4 ml, sostituirlo rapidamente con uno vuoto.
Versare il distillato in un flaconcino pulito ed etichettato per la custodia.
Se la distillazione avviene molto lentamente, avvolgere la colonna con un foglio di alluminio o lana di vetro per proteggerla dalle correnti d’aria fredde.
Quando la temperatura inizia a scendere in modo significativo, quasi tutto il cicloesano è stato distillato. Aumentare la temperatura fino a quando il toluene inizia a bollire e distillare. Ancora una volta, registrare la temperatura man mano che ogni 2 ml di distillato si raccoglie.
Prima che l’intero contenuto del pallone evapori, interrompere il riscaldamento del pallone. È importante assicurarsi che il pallone non si asciughi, il che potrebbe causarne la rottura.
Rimuovere il mantello riscaldante abbassando il martinetto a vite alla base del supporto di storta
Analizzare il contenuto delle fiale di distillato per confermare la purezza utilizzando una tecnica scelta, come la spettroscopia NMR ¹H.

La distillazione è una delle tecniche più comunemente utilizzate per purificare i liquidi in ambienti di laboratorio e rappresenta fino al 95% di tutti i processi di separazione industriale.

Questo metodo separa e purifica i liquidi in base alla loro volatilità, ovvero alla tendenza delle sue molecole a sfuggire alla fase liquida come vapore gassoso. Per distillare una soluzione, viene riscaldata fino a quando i composti più volatili iniziano a vaporizzare. I vapori risultanti vengono quindi condensati in un liquido purificato, noto come distillato, e raccolti.

I metodi di distillazione più comuni sono: la distillazione semplice, che impiega un solo ciclo di vaporizzazione-condensazione, e la distillazione frazionata, che impiega più cicli di vaporizzazione-condensazione.

Questo video esaminerà i principi alla base della distillazione semplice e frazionata, i tipici apparecchi di distillazione di laboratorio e dimostrerà un esempio di procedura di distillazione frazionata. Infine, saranno trattate le applicazioni della distillazione.

Quando un liquido viene riscaldato, l’energia cinetica delle sue molecole aumenta, causando la transizione di alcune delle molecole dal liquido allo stato gassoso. Questo processo, chiamato vaporizzazione, aumenta la pressione di vapore sopra il liquido rispetto alla pressione atmosferica. La temperatura alla quale la pressione di vapore del liquido è uguale alla pressione dell’aria dell’ambiente circostante, a quel punto si formano “bolle” di vapore all’interno del liquido, è nota come punto di ebollizione. Al di sopra di questa temperatura, il liquido vaporizzerà completamente in un gas.

In una semplice distillazione, una miscela viene riscaldata in un pallone e i vapori risultanti passano in una colonna di condensazione dove vengono raffreddati e condensati in un liquido chiamato distillato. Questo metodo utilizza un solo ciclo di vaporizzazione-condensazione e genera distillati puri sia da miscele di liquidi e solidi, sia da miscele di liquidi con punti di ebollizione molto diversi.

Le miscele di liquidi con punti di ebollizione che differiscono di meno di circa 30 °C non possono essere completamente separate usando la semplice distillazione. La composizione del distillato, tuttavia, può essere prevista utilizzando un “diagramma del punto di ebollizione”, che traccia la temperatura in funzione della composizione del liquido e del vapore. Ad esempio, una miscela uguale di cicloesano e toluene ha un punto di ebollizione di 90 ° C, risultando in una composizione di vapore di 80% cicloesano e 20% toluene e producendo un distillato puro all’80%.

Il diagramma del punto di ebollizione prevede che un secondo ciclo di vaporizzazione-condensazione, ottenuto facendo bollire il distillato 80:20 a circa 84 °C,si traduce in una purezza del 95%. Ogni ciclo consecutivo, indicato come “piastra teorica”, aumenta la purezza della, dove 3 piastre teoriche si traducono in una purezza del 99%. Sebbene sia possibile generarlo concatenando più apparecchi di “distillazione semplice” insieme, la “distillazione frazionata” raggiunge questo obiettivo in modo più efficiente.

La configurazione aggiunge una “colonna di frazionamento” tra il pallone di partenza e il condensatore. Questa colonna è tipicamente riempita con perle di vetro o lana metallica, fornendo un’ampia superficie per il liquido per condensare e rievaporare numerose volte. Questo genera un gran numero di piastre teoriche.

Mentre i vapori salgono attraverso la colonna, si forma un anello di condensa e si muove lentamente verso l’alto mentre i vapori si separano attraverso le piastre teoriche. Quando il vapore raggiunge la parte superiore della colonna, le molecole con la più alta volatilità passano nel condensatore dove vengono raccolte come distillato ad alta purezza.

Ora che abbiamo esaminato i principi di base alla base della distillazione, passiamo attraverso un esempio per un cicloesano: la miscela di toluene.

Iniziare assemblando i componenti dell’apparato di distillazione frazionata nella cappa aspirante. Posizionare il mantello riscaldante e mescolare la piastra sopra il jack da laboratorio ai piedi del supporto di storta e sollevare tutto 8 in. con il jack.

Attaccare tre morsetti al supporto di storta. Posizionare il pallone a fondo tondo in modo che si adatti perfettamente al mantello riscaldante e fissarlo al supporto di storta.

Aggiungere una barra di agitazione magnetica al pallone, posizionare la colonna di frazionamento sopra e fissarla.

Inserire l’adattatore “Y” nella parte superiore della colonna di frazionamento. Fissarlo al supporto di storta con un morsetto e quindi fissare il giunto di vetro sradicato tra esso e la colonna di frazionamento con un morsetto keck.

Inserire il condensatore nel braccio inclinato verso il basso dell’adattatore a “Y” e fissare il giunto. Per una maggiore stabilità, bloccare la colonna di condensazione su un secondo supporto di storta.

Collegare un tubo dalla fonte d’acqua alla connessione inferiore sul condensatore. Collegare un secondo tubo dal collegamento del condensatore superiore alla porta di ritorno dell’acqua.

Fissare il tubo, accendere l’acqua e verificare che l’acqua scorra attraverso il condensatore.

Aggiungere un adattatore di raccolta alla colonna di condensazione. Fissare questo giunto con una clip keck e posizionare un cilindro graduato sotto di esso.

Prima di installare il termometro, abbassare il pallone. Utilizzare un imbuto per riempire meno della metà del pallone con la miscela di partenza.

Sollevare il pallone, ricollevandolo alla colonna di frazionamento e fissandolo. Fissare questo giunto finale in vetro sradicato con un morsetto keck e quindi sostituire e riposizionare il jack e il mantello riscaldante.

Infine, inserire il termometro in un adattatore e posizionarlo nella porta rimanente dell’adattatore a “Y”. Regolare l’altezza della lampadina del termometro, posizionandola appena sotto il braccio laterale dell’adattatore a “Y” per garantire letture accurate della temperatura del vapore.

Accendere la piastra calda, aumentando gradualmente la temperatura e riscaldando il mantello fino a quando la miscela iniziale inizia a bollire. Regolare la temperatura della piastra riscaldante secondo necessità per garantire che la miscela continui a bollire, mantenendo una temperatura di vapore costante per i primi 2 minuti della distillazione.

Guarda come l’anello di condensazione si forma e sale verso la parte superiore della colonna. Quando le prime gocce di liquido condensano e gocciolano nel cilindro graduato, registrare la temperatura del vapore. Mantenere costante la temperatura del vapore regolando l’impostazione della piastra di cottura fino a quando le gocce cadono dal condensatore ad una velocità di 1-2 al secondo.

Per ogni incremento di 2 ml di volume di distillato, registrare la temperatura del vapore. Dopo aver raccolto 4 ml, registrare la temperatura del vapore e quindi sostituire rapidamente il cilindro graduato parzialmente riempito con uno vuoto. Salvare il campione da 4 ml in un flaconcino etichettato individualmente per analisi future.

Continuare a registrare le temperature di vapore a intervalli di 2 ml e salvare campioni di distillato a intervalli di 4 ml, fino a quando la temperatura del vapore diminuisce significativamente e la miscela smette di bollire.

Spegnere la piastra riscaldante e l’acqua che scorre verso il condensatore. La distillazione del cicloesano è ora completa e i campioni di distillato da 4 ml possono essere preparati per l’analisi NMR.

Valutare la purezza sia della miscela di partenza che del distillato utilizzando la spettroscopia NMR, una tecnica comune per valutare la composizione e la purezza delle miscele. Nel nostro esempio, lo spettro NMR della miscela iniziale mostra i picchi caratteristici associati sia al toluene che al cicloesano. Gli spettri NMR del primo distillato che abbiamo raccolto dopo la distillazione frazionata, tuttavia, erano cicloesano puro.

La distillazione ha applicazioni in una vasta gamma di campi, dalle raffinerie di petrolio su larga scala agli alambini di whisky su piccola scala.

Per generare alcolici distillati come vodka o whisky, una miscela di prodotti di fermentazione del grano nota come “lavaggio”, che è del 10-12 % di alcol in volume, viene bollita in un “alambicco” e i vapori risultanti separati da distillazione semplice o frazionata, a seconda del design dell’alambicco e del tipo di acquavite. Ciò consente di separare “il cuore”, l’etanolo, dalle “code”, come il propanolo e l’acqua, che hanno punti di ebollizione più alti. Inoltre, la distillazione consente l’eliminazione delle “teste” come il metanolo, che notoriamente causava cecità nel chiaro di luna mal fatto. Il distillato può essere di circa il 50 % di alcole se prodotto da una distillazione semplice, o fino al 95 % se distillato frazionatamente.

La gascromatografia utilizza migliaia, se non milioni, di piastre teoriche per separare le miscele volatili utilizzando la distillazione frazionata su microscala. Qui, una miscela di sostanze volatili utilizzate per stimolare i nervi olfattivi delle api è stata iniettata nel gascromatografo, che è stato utilizzato per separare e identificare i composti in base alla quantità di tempo impiegato per passare attraverso la colonna cromatografica.

I vapori esplosivi in tracce di TNT e RDX sono stati separati selettivamente da uno spazio di testa del campione utilizzando i principi della distillazione. Questi campioni sono stati raccolti in tubi di desorbimento della temperatura e introdotti in una fase di desorbimento della temperatura, dove sono stati riscaldati tra 350 e 900 gradi per aumentare la loro volatilità. Infine, sono stati condensati selettivamente utilizzando una criotratra e introdotti in un gascromatografo per l’analisi.

Hai appena visto l’introduzione di JoVE alla distillazione frazionata. Ora dovresti capire i principi di base alla base della distillazione, gli apparati per la distillazione semplice e frazionata e una procedura di distillazione frazionata di base.

Grazie per l’attenzione!

Results

Distillazione frazionata di una miscela cicloesano-toluene

La purezza del distillato può essere valutata con una serie di tecniche. Uno dei migliori è la spettroscopia NMR. Lo spettro ¹H-NMR della miscela iniziale prima della distillazione è mostrato nella Figura 6. I segnali sia per il toluene che per il cicloesano sono chiaramente visibili. ¹ Gli spettri HNMR dei distillati di cicloesano puro e toluene puro sono mostrati rispettivamente nelle figure 7 e 8. In ogni caso non si vedono contaminanti dell’altro componente, mostrando l’efficacia della distillazione.

Figura 6. ¹ H-NMR di una miscela di cicloesano e toluene prima della distillazione.

Figura 7. ¹ H-NMR del distillato di cicloesano puro.

Figura 8. ¹ H-NMR del distillato di toluene puro.

Applications and Summary

La distillazione rappresenta circa il 95 % di tutti gli attuali processi di separazione industriale. La principale differenza tra le distillazioni eseguite su scala di laboratorio e quelle eseguite industrialmente è che le prime sono solitamente eseguite in modo batch-wise, mentre le ultime sono spesso eseguite continuamente. Nella distillazione continua, la miscela di partenza, i vapori e il distillato vengono mantenuti a una composizione costante reintegrando accuratamente il materiale fissante e rimuovendo le frazioni sia dal vapore che dal liquido nel sistema. L’applicazione industriale più utilizzata della distillazione continua e frazionata è nelle raffinerie di petrolio e negli impianti di trattamento del gas naturale. A temperature inferiori a 36 °C, il gas naturale si separa dal petrolio. Altre sostanze, tra cui l’etere di petrolio e la nafta, si separano prima che il petrolio raggiunga l’intervallo 69-74 ° C, a quel punto la benzina si separa.

La distillazione trova applicazione anche nell’industria alimentare. Viene utilizzato per produrre un’ampia varietà di bevande alcoliche, ad esempio whisky, rum e brandy. Quando i materiali da frutto e vegetali fermentano, viene prodotta una soluzione diluita di etanolo. Distillare il materiale fermentato purifica e concentra l’etanolo. Una varietà di altri componenti, come esteri profumati e altri tipi di alcol, vengono anche raccolti durante il processo di distillazione, che spiega il sapore unico dello spirito finito.

Transcript

Distillation is one of the most commonly used techniques for purifying liquids in laboratory settings and accounts for up to 95% of all industrial separation processes.

This method separates and purifies liquids based on their volatility, or the tendency for its molecules to escape from the liquid phase as gaseous vapor. To distill a solution, it is heated until the most volatile compounds begin to vaporize. The resultant vapors are then condensed into a purified liquid, known as the distillate, and collected.

The most common distillation methods are: simple distillation, which employs just one vaporization-condensation cycle, and fractional distillation, which employs multiple vaporization-condensation cycles.

This video will review the principles behind simple and fractional distillation, typical laboratory distillation apparatuses, and demonstrate an example fractional distillation procedure. Finally, applications of distillation will be covered.

When a liquid is heated, the kinetic energy of its molecules increases, causing some of the molecules to transition from the liquid into the gaseous state. This process, called vaporization, increases the vapor pressure above the liquid relative to the atmospheric pressure. The temperature at which the liquid’s vapor pressure equals the surrounding environment’s air pressure, at which point ‘bubbles’ of vapor form within the liquid, is known as its boiling point. Above this temperature, the liquid will completely vaporize into a gas.

In a simple distillation, a mixture is heated in a flask, and the resultant vapors pass into a condensing column where they are cooled and condensed into a liquid called the distillate. This method uses just one vaporization-condensation cycle, and generates pure distillates from both mixtures of liquids and solids, and mixtures of liquids with vastly different boiling points.

Mixtures of liquids with boiling points differing by less than about 30 °C cannot be completely separated using simple distillation. The distillate composition, however, can be predicted using a ‘boiling point-diagram’, which plots temperature as a function of liquid and vapor composition. For example, an equal mixture of cyclohexane and toluene has a boiling point of 90 °C, resulting in a vapor composition of 80% cyclohexane and 20% toluene, and yielding an 80% pure distillate.

The boiling point diagram predicts that a second vaporization-condensation cycle, achieved by boiling the 80:20 distillate at roughly 84 °C, results in a 95% purity. Each consecutive cycle, referred to as a ‘theoretical plate,’ increases the purity of the, where 3 theoretical plates result in a 99% purity. Although it is possible to generate this by chaining multiple ‘simple distillation’ apparatuses together, ‘fractional distillation’ achieves this more efficiently.

The setup adds a “fractionating column,” between the starting flask and the condenser. This column is typically filled with glass beads or metal wool, providing a large surface area for the liquid to condense and re-evaporate onto numerous times. This generates a large number of theoretical plates.

As vapors rise through the column, a ring of condensate forms and slowly moves up as the vapors separate across the theoretical plates. When the vapor reaches the top of the column, the molecules with the highest volatility pass into the condenser where they are collected as a high purity distillate.

Now that we’ve reviewed the basic principles behind distillation, let’s walk through an example for a cyclohexane: toluene mixture.

Begin by assembling the components of the fractional distillation apparatus in the fume hood. Place the heating mantle and stir plate on top of the laboratory jack at the foot of the retort stand and raise everything 8 in. with the jack.

Attach three clamps to the retort stand. Position the round-bottom flask so that it fits snuggly into the heating mantle and secure it to the retort stand.

Add a magnetic stir bar to the flask, place the fractionating column on top, and secure it.

Fit the “Y” adaptor into the top of the fractionating column. Secure it to the retort stand with a clamp and then secure the ground-glass joint between it and the fractionating column with a keck clamp.

Fit the condenser into the downward sloping arm of the “Y” adaptor and secure the joint. For added stability, clamp the condensing column to a second retort stand.

Connect a tube from the water source to the bottom connection on the condenser. Connect a second tube from the upper condenser connection to the water return port.

Secure the tubing, turn on the water, and verify that water flows through the condenser.

Add a collection adaptor to the condensing column. Secure this joint with a keck clip and place a graduated cylinder beneath it.

Before installing the thermometer, lower the flask. Use a funnel to fill less than half of the flask with the starting mixture.

Raise the flask, fitting it back into the fractionating column, and securing it. Secure this final ground-glass joint with a keck clamp and then replace and reposition the jack and heating mantle.

Finally, fit the thermometer into an adaptor and place it into the remaining port of the “Y” adaptor. Adjust the height of the thermometer bulb, situating it just below the side arm of the “Y” adaptor to ensure accurate vapor temperature readings.

Turn on the hot plate, gradually increasing the temperature and heating the mantle until the starting mixture begins to boil. Adjust the hotplate temperature as needed to ensure that the mixture continues to boil, maintaining a constant vapor temperature for the first 2 min of the distillation.

Watch as the condensation ring forms, and rises, to the top of the column. When the first drops of liquid condense and drip into the graduated cylinder, record the vapor temperature. Keep the vapor temperature constant by adjusting the hotplate setting until drops fall from the condenser at a rate of 1–2 per second.

For each 2 mL increment of distillate volume, record the vapor temperature. After 4 mL has been collected, record the vapor temperature and then quickly replace the partially filled graduated cylinder with an empty one. Save the 4 mL sample in an individually labeled vial for future analysis.

Continue recording vapor temperatures at 2 mL intervals, and saving distillate samples at 4 mL intervals, until the vapor temperature drops significantly and the mixture stops boiling.

Turn off the hotplate and the water running to the condenser. The distillation of cyclohexane is now complete and the 4 mL distillate samples can be prepared for NMR analysis.

Evaluate the purity of both the starting mixture and the distillate using NMR spectroscopy, a common technique for assessing the composition and purity of mixtures. In our example, the NMR spectrum of the initial mixture shows the characteristic peaks associated with both toluene and cyclohexane. The NMR spectra of the first distillate we collected after fractional distillation, however, was pure cyclohexane.

Distillation has applications in a broad range of fields, from large-scale petroleum refineries to small-scale whiskey stills.

To generate distilled spirits such as vodka or whiskey, a mixture of grain fermentation products known as ‘wash,’ which is 10–12 % alcohol by volume, is boiled in a “still” and the resultant vapors separated by either simple or fractional distillation, depending on the still’s design and the type of spirit. This allows ‘the heart’, ethanol, to be separated from ‘the tails’, like propanol and water, which have higher boiling points. Additionally, distillation allows for the elimination of ‘the heads’ like methanol, which famously caused blindness in poorly made moonshine. The distillate may be around 50 % alcohol if produced from simple distillation, or as much as 95 % if fractionally distilled.

Gas chromatography uses thousands, if not millions, of theoretical plates to separate volatile mixtures using fractional distillation on a micro-scale. Here, a mixture of volatiles used to stimulate the olfactory nerves of bees were injected into the gas chromatograph, which was used to separate and identify the compounds based on the amount of time they took to pass through the chromatography column.

Trace explosive vapors of TNT and RDX were selectively separated from a sample headspace using the principles of distillation. These samples were collected in temperature desorption tubes and introduced into a temperature desorption stage, where they were heated them to between 350 and 900 degrees to increase their volatility. Finally, they were selectively condensed using a cryotrap and introduced into a gas chromatograph for analysis.

You’ve just watched JoVE’s introduction to fractional distillation. You should now understand the basic principles behind distillation, the apparatuses for simple and fractional distillation, and a basic fractional distillation procedure.

Thanks for watching!

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