Prosta destylacja

Gdy ciecz jest podgrzewana, zyskuje energię, dopóki zwiększony nieporządek fazy gazowej nie przeważy nad oddziaływaniami międzycząsteczkowymi w fazie ciekłej. Gdy wystarczająca ilość cząsteczek znajdzie się w fazie gazowej, uciekają one z cieczy w postaci pęcherzyków. Efekt ten, zwany wrzeniem, występuje, gdy całkowita prężność pary substancji jest równa ciśnieniu atmosferycznemu.

Prężność pary to ciśnienie pary w równowadze z jej fazą skondensowaną i zmienia się wraz z temperaturą. W mieszaninie cieczy każdy składnik ma swoją własną prężność pary, którą nazywamy ciśnieniem parowym. Całkowita prężność par mieszaniny jest równa sumie ciśnień cząstkowych. Jeśli ciecze są mieszalne, co oznacza, że zawsze tworzą jednorodny roztwór, ciśnienie parcjalne każdego składnika jest ciśnieniem pary czystego związku w tej temperaturze pomnożonym przez jego ułamek molowy w cieczy.

Temperatura, w której zaczyna tworzyć się pierwszy pęcherzyk pary w ciekłej mieszaninie, nazywana jest punktem pęcherzykowym. W przypadku czystej cieczy zarówno temperatura bąbelkowa, jak i temperatura, w której para zaczyna się skraplać, czyli punkt rosy, są takie same jak temperatura wrzenia. Jednak w przypadku mieszaniny dwóch mieszających się cieczy zarówno punkt bąbelkowy, jak i punkt rosy będą mieścić się między temperaturami wrzenia składników.

Kiedy mieszanina po raz pierwszy się gotuje, para jest bogata w związek o niższej temperaturze wrzenia lub bardziej lotny związek. Zwiększa to udział związku o wyższej temperaturze wrzenia lub mniej lotnym związku w ciekłej mieszaninie.

Destylacja to technika separacji, która wykorzystuje to zjawisko. W prostej destylacji gotuje się jednorodną płynną mieszaninę. Unosząca się para dostaje się następnie do wewnętrznej komory skraplacza chłodzonego wodą. Para skrapla się do cieczy, zwanej destylatem, która jest następnie gromadzona w osobnym naczyniu.

W miarę trwania wrzenia skład cieczy i pary zmienia się, gdy usuwany jest bardziej lotny składnik. Tak więc, jeśli zbierzemy destylat w małych frakcjach, zobaczymy, że każda frakcja zawiera związki w innym stosunku molowym.

Wraz ze wzrostem udziału mniej lotnego składnika w ciekłej mieszaninie wzrasta również punkt pęcherzykowy i punkt rosy. Wykreślenie punktów pęcherzyków i rosy mieszaniny w stosunku do ułamków molowych składników tworzy wykres temperatury wrzenia. Gdy mamy już ten wykres, możemy użyć krzywej punktu rosy, aby określić skład pary w danej temperaturze.

W tym laboratorium skonfigurujesz i przeprowadzisz prostą destylację mieszaniny cykloheksanu i toluenu oraz zarejestrujesz temperaturę pary przez cały czas trwania eksperymentu. Następnie użyje się opublikowanego wykresu temperatury wrzenia dla cykloheksanu i toluenu, aby określić skład pary, co pozwoli oszacować skład ciekłej mieszaniny podczas destylacji.