Destylacja z parą wodną

Destylacja z parą wodną

Destylacja z parą wodną to technika separacji, która wykorzystuje niską temperaturę wrzenia mieszanin niemieszających się. Stosowany jest głównie do oddzielania wrażliwych na temperaturę cząsteczek organicznych od nielotnych zanieczyszczeń. Cząsteczka organiczna musi nie mieszać się z wodą.

Podczas destylacji z parą wodną niemieszająca się mieszanina jest podgrzewana do wrzenia, co powoduje destylację zarówno wody, jak i lotnych związków organicznych. Oznacza to, że mieszanina gazowa przemieszcza się w górę do skraplacza, który następnie skrapla parę do cieczy, aby można ją było zebrać. W przeciwieństwie do prostej destylacji, destylacja z parą wodną wykorzystuje zbiornik wodny do uzupełniania wody w podgrzanej mieszaninie przez cały proces. Niemieszający się składnik organiczny jest powoli destylowany wraz z wodą, podczas gdy nielotny składnik pozostaje w podgrzanej mieszaninie. Po destylacji składnika organicznego można go następnie oddzielić od wody za pomocą ekstrakcji ciecz-ciecz.

Prężność par mieszaniny

W przypadku mieszalnej mieszaniny, która tworzy jednorodny roztwór, prężność par każdego składnika zależy od prężności pary czystego składnika i jego frakcji molowej w ciekłej mieszaninie zgodnie z prawem Raoulta.

p_A = p_A^*x_A

gdzie p_A jest prężnością par jednego składnika cieczy w mieszaninie mieszalnej cieczy, p_A^* jest prężnością par czystej cieczy, a x_A jest ułamkiem molowym tej cieczy w mieszaninie, który jest równy n_A/n_t. n_A jest liczbą moli pojedynczej cieczy w mieszaninie, a n_t jest całkowitą liczbą moli wszystkich cieczy w mieszaninie.

Całkowita prężność pary powyżej mieszalnej mieszaniny cieczy jest równa sumie parparowej prężności par każdego składnika w niej, co jest znane jako prawo Daltona. Prężność pary cieczy wzrasta wraz z temperaturą, ponieważ więcej cząsteczek uzyskuje energię kinetyczną, aby uciec z fazy ciekłej do fazy gazowej. W mieszalnej mieszaninie zawierającej dwie ciecze całkowite ciśnienie można opisać jako:

P = p_A + p_B

gdzie p_A i p_B są prężnościami par cieczy A cieczy B znajdującej się odpowiednio powyżej mieszaniny. P jest całkowitą prężnością par obu cieczy powyżej mieszaniny. Połączenie równań opisuje zależność między całkowitą prężnością par roztworu a ułamkiem molowym poszczególnych składników:

P = p_A^*x_A + p_B^*x_B

W mieszaninie niemieszającej się, w której składniki tworzą niejednorodną mieszaninę, prężność par każdego składnika przyczynia się niezależnie do całkowitej prężności pary. Zatem całkowita prężność pary jest równa sumie poszczególnych prężności czystej pary. W niemieszającej się mieszaninie składającej się z dwóch cieczy całkowite ciśnienie definiuje się jako prężność pary pierwszej cieczy plus prężność par drugiej cieczy.

P = p_A^* + p_B^*

Temperatura wrzenia niemieszającej się mieszaniny

Gdy ciecz jest podgrzewana, ciśnienie pary wzrasta. Każdy składnik mieszaniny ma swoją własną temperaturę wrzenia. W mieszaninie mieszających się cieczy wrzenie zachodzi w temperaturze między temperaturami wrzenia cieczy składowych.

W przypadku mieszaniny niemieszającej się wrzenie następuje w znacznie niższej temperaturze niż temperatury wrzenia poszczególnych składników. Ponieważ każdy pojedynczy składnik przyczynia się niezależnie, potrzeba mniej ciepła, aby zwiększyć całkowitą prężność pary do ciśnienia atmosferycznego.

Weźmy na przykład pod uwagę niemieszającą się mieszaninę benzenu i wody. Temperatura wrzenia benzenu przy normalnym ciśnieniu atmosferycznym wynosi 80,1 °C, a temperatura wrzenia wody przy normalnym ciśnieniu atmosferycznym wynosi 100 °C. Roztwór wrze, gdy całkowita prężność pary osiągnie 760 mm Hg (normalne ciśnienie atmosferyczne). W temperaturze 69,3 °C prężność par wody wynosi 227 mm Hg, a prężność par benzenu wynosi 533 mm Hg, co w sumie odpowiada potrzebnym 760 mm Hg potrzebnym do wrzenia. Jest to znacznie poniżej temperatury wrzenia któregokolwiek z poszczególnych składników.

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.

Gdy idealna mieszanina dwóch mieszających się cieczy zostanie podgrzana do wrzenia, roztwór wrze w temperaturze między temperaturami wrzenia każdego składnika. Jeśli te ciecze mają bardzo różne temperatury wrzenia, gdy mieszanina zaczyna wrzeć, para jest bogata w cząsteczki bardziej lotnego składnika. Zjawisko to jest często wykorzystywane do rozdzielania mieszanin za pomocą prostej destylacji, w której mieszanina dwóch mieszających się cieczy jest podgrzewana, a para jest następnie skraplana z powrotem do cieczy i zbierana.

Gdy para bogata w bardziej lotny składnik jest zbierana jako destylat, faza ciekła staje się bogata w cząsteczki mniej lotnego składnika. Jednak ta technika wymaga, aby roztwór został podgrzany co najmniej do temperatury wrzenia bardziej lotnego związku, a często powyżej tej temperatury.

W przypadku wrażliwych na temperaturę związków organicznych ta wysoka temperatura może prowadzić do rozkładu cząsteczek organicznych na coś innego. Jak więc możemy oddzielić tego typu związki? Najpierw zróbmy krok wstecz.

Przypomnijmy, że ciśnienie pary w równowadze z jej fazą skondensowaną nazywa się ciśnieniem pary. Każdy ze składników mieszaniny cieczy ma własną prężność pary, którą nazywamy ich ciśnieniem cząstkowym. Wiemy, że roztwór wrze, gdy całkowita prężność pary roztworu jest równa ciśnieniu atmosferycznemu. Całkowita prężność par jest równa sumie ciśnień cząstkowych składników.

W przypadku mieszaniny mieszających się cieczy, co oznacza, że dowolna kombinacja cieczy tworzy jednorodny roztwór, ciśnienia cząstkowe oblicza się na podstawie prężności par czystych związków pomnożonej przez ich ułamki molowe w roztworze. Jednak w przypadku niejednorodnej mieszaniny niemieszających się cieczy, co oznacza, że ciecze są nierozpuszczalne w sobie nawzajem, ciśnienia cząstkowe są po prostu prężnościami par czystych związków.

Ponieważ każdy składnik mieszaniny niejednorodnej przyczynia się do całkowitej prężności pary niezależnie od innych składników, mieszanina wrze, gdy całkowita prężność pary, która jest sumą ciśnień cząstkowych, jest równa ciśnieniu atmosferycznemu. Dzieje się to w temperaturze niższej niż poszczególne temperatury wrzenia każdego składnika, ponieważ całkowita prężność pary wzrasta wraz z temperaturą znacznie szybciej, niż można by się spodziewać po nawet najbardziej lotnym składniku.

Możemy wykorzystać to zjawisko do przeprowadzenia destylacji z parą wodną, która służy do izolowania wrażliwego na temperaturę związku organicznego, który rozkłada się pod wpływem wysokiej temperatury i jest nierozpuszczalny w wodzie od substancji nielotnych. Konfiguracja destylacji z parą wodną jest podobna do prostej konfiguracji destylacji z dodatkiem zbiornika na wodę w celu uzupełnienia wody podczas całego procesu.

Gdy mieszanina się wrze, zarówno woda, jak i interesujący nas związek organiczny są odparowywane. Para wody i związków organicznych przemieszcza się do skraplacza, jest kondensowana do stanu ciekłego i zbierana. Niemieszające się ciecze są następnie oddzielane. W mieszaninie w kolbie pozostaje tylko woda i substancje nielotne.

W tym laboratorium skonfigurujesz i przeprowadzisz eksperyment destylacji z parą wodną, aby wyekstrahować olejek eteryczny z nielotnych składników skórki pomarańczy. Następnie użyjesz ekstrakcji ciecz-ciecz, aby wyekstrahować olejek eteryczny z wody do rozpuszczalnika organicznego.