Простая дистилляция

Дистилляция смешиваемой смеси

Некоторые жидкости со временем полностью испарятся, если их оставить в открытой емкости при комнатной температуре. Однако этот процесс испарения можно значительно ускорить, если нагреть жидкость. Когда жидкость нагревается, молекулы внутри нее получают энергию для выхода из жидкой фазы и перехода в газовую фазу в виде пузырьков. Это явление называется кипячением.

Давление пара

Рассмотрим закрытую емкость с жидкостью. Первоначально часть этой жидкости испаряется, но только до тех пор, пока скорость испарения не сравняется со скоростью конденсации. После того, как эта точка достигнута, в системе больше не происходит никаких изменений, и жидкость и пар находятся в равновесии. Как только это установлено, давление, оказываемое паром над жидкостью, называется давлением пара. Склонность жидкости к испарению называется ее летучестью. Более летучая жидкость имеет более высокое давление пара, в то время как менее летучая жидкость имеет более низкое давление пара.

Когда открытая емкость с жидкостью нагревается, большая часть жидкости испаряется. Если добавить достаточно тепла, в жидкости образуются пузырьки пара и жидкость закипает. Температура, при которой давление паров жидкости совпадает с атмосферным давлением, известна как точка кипения.

Для чистого вещества давление пара легко определить. А как насчет смеси различных жидкостей? Если чистые жидкости образуют смешиваемый однородный раствор, каждая из них будет вносить свой вклад в общее давление пара в виде парциального давления. Общее давление газа смеси газов равно сумме индивидуальных давлений, которые каждый газ оказывал бы в изоляции. Это правило известно как закон Дальтона. Следовательно, чтобы определить общее давление пара смеси, необходимо знать давление пара чистых веществ и молярный вклад каждой жидкости в общую смесь, величину, известную как молярная фракция. Эта зависимость известна как закон Рауля:

p_A = p_A* x_A

где_{p A} — давление пара жидкого компонента в смеси, p_A^* — давление пара чистой жидкости в изоляции, на которое можно ссылаться в литературе, а x_A — молярная доля жидкого компонента в жидкой смеси. Молярные доли рассчитываются путем деления числа молей жидкого компонента на общее количество молей каждого компонента в жидкой смеси.

Закон парциального давления Дальтона можно применить, если вы знаете давление пара каждого отдельного компонента.

P = p_A + p_B

Суммарное давление (P) представляет собой сумму давления паров обеих жидкостей над смесью, где_{p A} и p_B — давление паров жидкостей A и B соответственно над смесью.

точка кипения

Температура, при которой чистое органическое вещество переходит из жидкой фазы в газообразную, известна как точка кипения. В смеси смешивающихся жидкостей раствор закипает, когда общее давление пара раствора равняется атмосферному. Таким образом, температура кипения смеси возникает при температуре между точками кипения двух чистых жидкостей.

Когда смесь нагревается до точки кипения, некоторые молекулы выходят из жидкой фазы и переходят в газовую фазу. Температура, при которой первые пузырьки начинают образовываться в смешиваемом растворе, нагреваемом растворе, называется температурой точки пузырьков. В случае чистой жидкости температура пузырьков такая же, как и точка кипения.

Газовая фаза богата молекулами более летучего компонента или компонента с более высоким давлением пара и более низкой температурой кипения. Количество молекул, которые испаряются, увеличивается по мере того, как применяется больше тепла. Таким образом, жидкая фаза богата молекулами менее летучего компонента или компонента с более низким давлением пара и более высокой температурой кипения. Температура, при которой начинают образовываться первые капли жидкости во время дистилляции, известна как температура точки росы.

Диаграмма парожидкостного равновесия

Диаграмма парожидкостного равновесия представляет собой график равновесной температуры молярной доли компонентов бинарной смеси с кривой, построенной для жидкой фазы и паровой фазы. Ось x представляет собой молярную долю каждого из двух компонентов в смеси, а ось y — температуру. Эти графики доступны в литературе для распространенных смесей и могут быть использованы для определения температуры кипения смеси с учетом молярной доли каждого компонента. Они также используются для определения состава каждой фазы в эксперименте по дистилляции.

перегонка

Дистилляция — это метод разделения, при котором используются свойства смесей по температуре кипения. Для проведения дистилляции смешивающуюся смесь двух жидкостей со значительной разницей температур кипения — не менее 20 °С — нагревают. По мере того, как раствор нагревается и достигает точки образования пузырьков более летучего компонента, некоторые молекулы более летучего компонента переходят в газовую фазу и перемещаются вверх в конденсатор. Конденсатор представляет собой стеклянную трубку с отдельными внутренней и внешней секциями. Пар перемещается во внутреннюю часть конденсатора, где он конденсируется в жидкость под действием холодной воды, протекающей во внешней части конденсатора. Этот конденсированный пар называется дистиллятом, и его собирают в градуированный цилиндр или пробирку.

По мере того, как дистилляция прогрессирует, температура, необходимая для кипячения раствора, увеличивается, поскольку более летучий компонент выкипает раньше. Таким образом, состав дистиллята со временем меняется. На ранних этапах дистилляции дистиллят богат более летучим компонентом; В середине дистилляции дистиллят содержит смесь двух компонентов; А в конце дистилляции дистиллят богат менее летучим компонентом.

Диаграмма парожидкостного равновесия показывает изменение как состава жидкости в колбе, так и дистиллята в ходе дистилляции. На графике есть две кривые; Нижняя кривая описывает температуру кипения жидкости в колбе в зависимости от ее состава, в то время как верхняя кривая описывает температуру пара в зависимости от ее состава. В более широком смысле, верхняя кривая описывает состав дистиллята.

Опубликованная диаграмма равновесия пара и жидкости из литературы может быть использована для определения состава жидкости и пара при заданной температуре во время эксперимента. Это может помочь определить, когда следует закончить дистилляцию, чтобы разделить два компонента.

Ссылки

1. Kotz, J.C., Treichel Jr, P.M., Townsend, J.R. (2012). Химия и химическая реакционная способность. Бельмонт, Калифорния: Брукс/Коул, Cengage Learning.
2. Silderberg, M.S. (2009). Химия: молекулярная природа материи и изменения. Бостон, Массачусетс: Макгроу Хилл.
3. Felder, R.M., Rousseau, R.W. (2000). Элементарные принципы химических процессов. Нью-Йорк, штат Нью-Йорк: Wiley and Sons, Inc.

При нагревании жидкость приобретает энергию до тех пор, пока повышенная неупорядоченность газовой фазы не перевесит межмолекулярные взаимодействия в жидкой фазе. Как только достаточное количество молекул оказывается в газовой фазе, они покидают жидкость в виде пузырьков. Этот эффект, называемый кипением, возникает, когда общее давление пара вещества равно атмосферному.

Давление пара — это давление пара, находящееся в равновесии с его конденсированной фазой и изменяющееся в зависимости от температуры. В смеси жидкостей каждый компонент имеет свое собственное давление пара, которое мы называем его парциальным давлением. Общее давление пара смеси равно сумме парциальных давлений. Если жидкости смешиваются, то есть они всегда образуют однородный раствор, парциальное давление каждого компонента равно давлению пара чистого соединения при этой температуре, умноженному на его молярную фракцию в жидкости.

Температура, при которой в жидкой смеси начинает образовываться первый пузырь пара, называется точкой пузырька. Для чистой жидкости и точка образования пузыря, и температура, при которой пар начинает конденсируться, или точка росы, совпадают с точкой кипения. Однако для смеси двух смешивающихся жидкостей и точка пузырька, и точка росы будут находиться между точками кипения компонентов.

Когда смесь впервые закипает, пар богат соединением с более низкой температурой кипения, или более летучим соединением. Это увеличивает долю соединения с более высокой температурой кипения, или менее летучего соединения, в жидкой смеси.

Дистилляция — это метод разделения, который использует это явление. При простой перегонке кипятят однородную жидкую смесь. Затем поднимающийся пар поступает во внутреннюю камеру конденсатора с водяным охлаждением. Пар конденсируется в жидкость, называемую дистиллятом, которая затем собирается в отдельный сосуд.

По мере того, как кипячение продолжается, состав жидкости и пара изменяется по мере удаления более летучего компонента. Таким образом, если мы соберем дистиллят небольшими фракциями, мы увидим, что каждая фракция содержит соединения в разном молярном соотношении.

По мере увеличения доли менее летучего компонента в жидкой смеси увеличиваются и температура пузырьков и точка росы. Построение графика точек пузырьков и росы смеси в зависимости от молярных фракций компонентов дает диаграмму точки кипения. Как только у нас есть эта диаграмма, мы можем использовать кривую точки росы для определения состава пара при заданной температуре.

В этой лаборатории вы настроите и выполните простую дистилляцию смеси циклогексана и толуола и будете записывать температуру пара на протяжении всего эксперимента. Затем вы будете использовать опубликованную диаграмму точки кипения для циклогексана и толуола для определения состава пара, что позволит вам оценить состав жидкой смеси на протяжении всей дистилляции.