単純蒸留

混和性混合物の蒸留

一部の液体は、室温で開いた容器に入れたままにしておくと、時間の経過とともに完全に蒸発します。ただし、液体を加熱すると、この蒸発プロセスが大幅に加速される可能性があります。液体が加熱されると、その中の分子はエネルギーを獲得して液相から脱出し、気泡の形で気相に移行します。この現象は沸騰と呼ばれます。

蒸気圧

液体の密閉容器を考えてみましょう。最初は、この液体の一部が蒸発しますが、気化速度が凝縮速度と等しくなるまでです。このポイントに達すると、システムにそれ以上の変化はなく、液体と蒸気は平衡状態になります。これが確立されると、液体の上の蒸気によって加えられる圧力は蒸気圧と呼ばれます。液体が気化する傾向は、その揮発性と呼ばれます。揮発性の高い液体は蒸気圧が高く、揮発性の低い液体は蒸気圧が低くなります。

液体の開いた容器を加熱すると、より多くの液体が蒸発します。十分な熱を加えると、液体中に蒸気の泡が形成され、液体が沸騰します。液体の蒸気圧が大気圧と同じになる温度は、沸点として知られています。

純粋な物質の場合、蒸気圧は簡単に決定できます。さまざまな液体の混合物はどうですか?純粋な液体が混和性の均質な溶液を形成する場合、それぞれが分圧として全蒸気圧に寄与します。混合ガスの総ガス圧は、各ガスが単独で発揮する個々の圧力の合計に等しくなります。この法則はダルトンの法則として知られています。したがって、混合物の全蒸気圧を決定するには、純粋な物質の蒸気圧と、各液体が全混合物に占めるモル寄与、つまりモル分率と呼ばれる値を知る必要があります。この関係はラウルトの法則として知られています。

p_A = p_A* x_A

ここで、_{p A}は混合物中の液体成分の蒸気圧、p_A^*は純粋な液体の蒸気圧であり、文献から参照可能であり、x_Aは液体混合物中の液体成分のモル分率です。モル分率は、液体成分のモル数を液体混合物中の各成分の総モル数で割ることによって計算されます。

ダルトンの分圧の法則は、個々のコンポーネントの蒸気圧がわかれば適用できます。

P = p_A + p_B

全圧(P)は、混合物の上の2つの液体の蒸気圧の合計であり、_pAと_pBは、それぞれ混合物の上の液体AとBの蒸気圧です。

沸点

純粋な有機物質が液相から気相に変化する温度は、沸点として知られています。混和性液体の混合物では、溶液の全蒸気圧が大気圧と等しくなると、溶液は沸騰します。したがって、混合物の沸点は、2つの純粋な液体の沸点間の温度で発生します。

混合物が沸点まで加熱されると、一部の分子は液相から脱出して気相に入ります。加熱されている混和性溶液中で最初の気泡が形成され始める温度がバブルポイント温度です。純粋な液体の場合、沸点と同じ沸点が気泡点になります。

気相は、より揮発性の高い成分、または蒸気圧が高く沸点が低い成分の分子が豊富です。より多くの熱が加えられると、蒸発する分子の数が増えます。したがって、液相は、揮発性の低い成分、または蒸気圧が低く沸点が高い成分の分子が豊富です。蒸留中に最初の液滴が形成され始める温度は、露点温度として知られています。

気液平衡図

気液平衡図は、二成分混合物の成分のモル分率の平衡温度をプロットしたもので、液相と気相の曲線が描かれています。x軸は混合物中の2つの成分それぞれのモル分率を表し、y軸は温度です。これらのプロットは、一般的な混合物の文献で入手でき、各成分のモル分率を前提とした混合物の沸点温度を特定するために使用できます。また、蒸留実験の各相の組成を決定するためにも使用されます。

蒸留

蒸留は、混合物の沸点特性を利用した分離技術です。蒸留を行うには、沸点に大きな差がある2つの液体の混和性混合物(少なくとも20°C)を加熱します。溶液が加熱され、より揮発性の高い成分のバブルポイントに達すると、より揮発性の高い成分の一部の分子が気相に転移し、コンデンサーに上向きに移動します。コンデンサーは、内側と外側のセクションが分離されたガラス管です。蒸気はコンデンサーの内側に移動し、コンデンサーの外側を流れる冷水によって凝縮されて液体になります。この凝縮した蒸気は留出物と呼ばれ、メスシリンダーまたは試験管に集められます。

蒸留が進むにつれて、より揮発性の高い成分が早く沸騰するため、溶液を沸騰させるのに必要な温度が上昇する。したがって、留出物の組成は時間とともに変化します。蒸留の早い段階で、留出物はより揮発性の高い成分が豊富です。蒸留の途中で、留出物には2つの成分の混合物が含まれています。そして蒸留の終わりには、留出物は揮発性の低い成分で豊富になります。

気液平衡図は、蒸留の過程でフラスコ内の液体と留出物の両方の組成が変化したことを示しています。プロットには 2 つの曲線があります。下の曲線は、フラスコ内の液体の沸点をその組成に関連させ、上の曲線は、その組成に関連した蒸気の温度を示しています。ひいては、上の曲線は留出物の組成を表しています。

文献から公開された気液平衡図を使用して、実験中の特定の温度での液体と蒸気の組成を特定できます。これは、2つの成分を分離するために蒸留をいつ終了するかを決定するのに役立ちます。

参照

1. Kotz, J.C., Treichel Jr, P.M., Townsend, J.R. (2012).化学および化学反応性。カリフォルニア州ベルモント:ブルックス/コール、Cengage Learning。
2. Silderberg, M.S. (2009).化学:物質と変化の分子的性質。マサチューセッツ州ボストン:マグロウヒル。
3. フェルダー、R.M.、ルソー、R.W.(2000年)。 化学プロセスの基本原理。ニューヨーク州ニューヨーク:Wiley and Sons、Inc.

液体が加熱されると、気相の無秩序の増加が液相の分子間相互作用を上回るまでエネルギーを獲得します。十分な分子が気相に入ると、それらは泡の形で液体から逃げます。この効果は沸騰と呼ばれ、物質の全蒸気圧が大気圧と等しいときに発生します。

蒸気圧は、凝縮相と平衡状態にある蒸気の圧力であり、温度によって変化します。液体の混合物では、各成分には独自の蒸気圧があり、これを分圧と呼びます。混合物の全蒸気圧は、分圧の合計に等しくなります。液体が混和性である場合、つまり常に均質な溶液を形成する場合、各成分の分圧は、その温度での純粋な化合物の蒸気圧に液体中のモル分率を掛けた値になります。

液体混合物中に最初の蒸気の泡が形成され始める温度は、バブルポイントと呼ばれます。純粋な液体の場合、泡点と蒸気が凝縮し始める温度、つまり露点の両方が沸点と同じです。ただし、2つの混和性液体の混合物の場合、気泡点と露点の両方がコンポーネントの沸点の間になります。

混合物が最初に沸騰すると、蒸気は沸点の低い化合物、または揮発性の高い化合物で豊富になります。これにより、液体混合物中の沸点が高い化合物、または揮発性の低い化合物の割合が増加します。

蒸留は、この現象を利用した分離技術です。単純蒸留では、均質な液体混合物を煮沸します。上昇する蒸気は、水冷コンデンサーの内部チャンバーに入ります。蒸気は凝縮して蒸留物と呼ばれる液体になり、蒸留物は別の容器に集められます。

沸騰が続くと、より揮発性の高い成分が除去されるにつれて、液体と蒸気の組成が変化します。したがって、留出物を小さな画分で収集すると、各画分に異なるモル比で化合物が含まれていることがわかります。

液体混合物中の揮発性の低い成分の割合が増加すると、気泡点と露点も増加します。混合物の気泡点と露点を成分のモル分率に対してプロットすると、沸点図が作成されます。この図ができたら、露点曲線を使用して、特定の温度での蒸気の組成を決定できます。

このラボでは、シクロヘキサンとトルエンの混合物の単蒸留をセットアップして実行し、実験全体を通して蒸気の温度を記録します。次に、公開されているシクロヘキサンとトルエンの沸点図を使用して蒸気の組成を決定し、蒸留中の液体混合物の組成を推定できるようにします。