Prosta destylacja

Destylacja mieszaniny mieszającej

Niektóre płyny z czasem całkowicie wyparują, jeśli zostaną pozostawione w otwartym pojemniku w temperaturze pokojowej. Jednak ten proces parowania może być znacznie przyspieszony, jeśli ciecz zostanie podgrzana. Gdy ciecz jest podgrzewana, cząsteczki w niej zawarte uzyskują energię, aby uciec z fazy ciekłej i przejść w fazę gazową w postaci pęcherzyków. Zjawisko to nazywa się wrzeniem.

ciśnienie pary

Rozważ zamknięty pojemnik z płynem. Początkowo część tej cieczy odparowuje, ale tylko do momentu, gdy szybkość parowania zrówna się z szybkością kondensacji. Po osiągnięciu tego punktu nie ma dalszych zmian w układzie, a ciecz i para są w równowadze. Po ustaleniu tego ciśnienie wywierane przez parę nad cieczą nazywa się ciśnieniem pary. Skłonność cieczy do parowania nazywana jest jej lotnością. Bardziej lotna ciecz ma wyższą prężność pary, podczas gdy mniej lotna ciecz ma niższą prężność pary.

Po podgrzaniu otwartego pojemnika z płynem więcej płynu odparowuje. Jeśli doda się wystarczającą ilość ciepła, w cieczy tworzą się pęcherzyki pary, a ciecz wrze. Temperatura, w której prężność pary cieczy jest taka sama jak ciśnienie atmosferyczne, jest znana jako temperatura wrzenia.

W przypadku czystej substancji prężność pary jest łatwa do określenia. A co z mieszaniną różnych płynów? Jeśli czyste ciecze tworzą mieszający się jednorodny roztwór, każda z nich przyczyni się do całkowitej prężności par jako ciśnienia cząstkowe. Całkowite ciśnienie gazu w mieszaninie gazów jest równe sumie indywidualnych ciśnień, jakie każdy gaz wywierałby osobno. Ta zasada jest znana jako prawo Daltona. Dlatego, aby określić całkowitą prężność par mieszaniny, musisz znać prężność par czystych substancji i molowy udział każdej cieczy w całej mieszaninie, wartość znaną jako ułamek molowy. Ta zależność jest znana jako prawo Raoulta:

p_A = p_A* x_A

gdzie p_A jest prężnością pary składnika ciekłego w mieszaninie, p_A^* jest prężnością pary czystej cieczy w izolacji, do której można się odwołać z literatury, a x_A jest ułamkiem molowym składnika ciekłego w ciekłej mieszaninie. Ułamki molowe oblicza się, dzieląc liczbę moli składnika ciekłego przez całkowitą liczbę moli każdego składnika w mieszaninie płynnej.

Prawo ciśnień cząstkowych Daltona można zastosować, gdy znasz ciśnienie pary każdego pojedynczego składnika.

P = p_A + p_B

Ciśnienie całkowite (P) jest sumą prężności par obu cieczy powyżej mieszaniny, gdzie p_A i_{p B} są prężnościami par cieczy A i B, odpowiednio, powyżej mieszaniny.

Wrzenia

Temperatura, w której czysta substancja organiczna zmienia się z fazy ciekłej na fazę gazową, jest znana jako temperatura wrzenia. W mieszaninie mieszalnych cieczy roztwór wrze, gdy całkowita prężność par roztworu jest równa ciśnieniu atmosferycznemu. W związku z tym temperatura wrzenia mieszaniny występuje w temperaturze pomiędzy temperaturami wrzenia dwóch czystych cieczy.

Gdy mieszanina jest podgrzewana do temperatury wrzenia, niektóre cząsteczki uciekają z fazy ciekłej i wchodzą w fazę gazową. Temperatura, w której zaczynają tworzyć się pierwsze pęcherzyki w mieszalnym roztworze, który jest podgrzewany, jest temperaturą punktu pęcherzykowego. W przypadku czystej cieczy temperatura bąbelkowa jest taka sama jak temperatura wrzenia.

Faza gazowa jest bogata w cząsteczki bardziej lotnego składnika lub składnika o wyższej prężności par i niższej temperaturze wrzenia. Liczba cząsteczek, które parują, zwiększa się wraz z przyłożeniem większej ilości ciepła. Tak więc faza ciekła jest bogata w cząsteczki mniej lotnego składnika lub składnika o niższej prężności pary i wyższej temperaturze wrzenia. Temperatura, w której podczas destylacji zaczynają tworzyć się pierwsze krople cieczy, jest znana jako temperatura punktu rosy.

Wykres równowagi para-ciecz

Wykres równowagi para-ciecz to wykres temperatury równowagi ułamka molowego składników mieszaniny dwuskładnikowej, z krzywą narysowaną dla fazy ciekłej i fazy gazowej. Oś x reprezentuje ułamek molowy każdego z dwóch składników mieszaniny, a oś y to temperatura. Wykresy te są dostępne w literaturze dla powszechnych mieszanin i mogą być wykorzystywane do określania temperatur wrzenia mieszaniny przy użyciu ułamka molowego każdego składnika. Są one również używane do określania składu każdej fazy w eksperymencie destylacji.

destylacja

Destylacja to technika separacji, która wykorzystuje właściwości mieszanin w zakresie temperatury wrzenia. W celu przeprowadzenia destylacji podgrzewa się mieszalną mieszaninę dwóch cieczy o znacznej różnicy temperatur wrzenia – co najmniej 20 °C. Gdy roztwór nagrzewa się i osiąga punkt pęcherzykowy bardziej lotnego składnika, niektóre cząsteczki bardziej lotnego składnika przechodzą do fazy gazowej i przemieszczają się w górę do skraplacza. Skraplacz to szklana rurka z oddzielną sekcją wewnętrzną i zewnętrzną. Para przemieszcza się do wewnętrznej części skraplacza, gdzie jest skraplana do stanu ciekłego przez zimną wodę płynącą w zewnętrznej części skraplacza. Ta skondensowana para nazywana jest destylatem i jest zbierana w cylindrze miarowym lub probówce.

W miarę postępu destylacji temperatura potrzebna do zagotowania roztworu wzrasta, ponieważ bardziej lotny składnik gotuje się wcześniej. Tak więc skład destylatu zmienia się w czasie. Na wczesnym etapie destylacji destylat jest bogaty w bardziej lotny składnik; w środku destylacji destylat zawiera mieszaninę tych dwóch składników; A pod koniec destylacji destylat jest bogaty w mniej lotny składnik.

Wykres równowagi para-ciecz pokazuje zmiany zarówno składu cieczy w kolbie, jak i destylatu w trakcie destylacji. Na działce znajdują się dwie krzywe; Dolna krzywa opisuje temperaturę wrzenia cieczy w kolbie w odniesieniu do jej składu, podczas gdy górna krzywa opisuje temperaturę pary w odniesieniu do jej składu. Co za tym idzie, górna krzywa opisuje skład destylatu.

Opublikowany w literaturze diagram równowagi para-ciecz może być wykorzystany do określenia składu cieczy i pary w danej temperaturze podczas eksperymentu. Może to pomóc w ustaleniu, kiedy należy zakończyć destylację, aby oddzielić dwa składniki.

Odwołania

1. Kotz, J.C., Treichel Jr, P.M., Townsend, J.R. (2012). Chemia i reaktywność chemiczna. Belmont, Kalifornia: Brooks/Cole, Cengage Learning.
2. Silderberg, M.S. (2009). Chemia: molekularna natura materii i zmiana. Boston, Massachusetts: McGraw Hill.
3. Felder, R.M., Rousseau, R.W. (2000). Podstawowe zasady procesów chemicznych. Nowy Jork, NY: Wiley and Sons, Inc.