Паровая дистилляция

Паровая дистилляция

Паровая дистилляция — это метод разделения, который использует свойство низкой температуры кипения несмешивающихся смесей. В основном он используется для отделения чувствительных к температуре органических молекул от нелетучих загрязнителей. Органическая молекула должна быть несмешиваемой в воде.

При паровой дистилляции несмешивающаяся смесь нагревается до кипения, что приводит к перегонке как воды, так и летучих органических соединений. Это означает, что газообразная смесь поднимается вверх к конденсатору, который затем конденсирует пар в жидкость, чтобы его можно было собрать. В отличие от простой дистилляции, при паровой дистилляции используется резервуар для воды для пополнения запасов воды в нагретой смеси на протяжении всего процесса. Несмешивающийся органический компонент медленно перегоняется вместе с водой, в то время как нелетучий компонент остается в нагретой смеси. После дистилляции органического компонента его можно отделить от воды с помощью жидкостной экстракции.

Давление паров смеси

Для смешиваемой смеси, которая образует однородный раствор, давление пара каждого компонента зависит от давления пара чистого компонента и его молярной доли в жидкой смеси в соответствии с законом Рауля.

p_A = p_A^*x_A

где p_A – давление паров одного компонента жидкости в смешиваемой жидкой смеси, p_A^* – давление пара чистой жидкости, а x_A – молярная доля этой жидкости в смеси, которая равна n_A/n_t._{n A} – число молей отдельной жидкости в смеси, а n_t — общее количество молей всех жидкостей в смеси.

Общее давление пара над смешиваемой жидкой смесью равно сумме парциального давления пара каждого компонента в ней, что известно как закон Дальтона. Давление паров жидкости увеличивается с температурой по мере того, как все больше молекул набирают кинетическую энергию для перехода жидкой фазы в газовую. В смешиваемой смеси, содержащей две жидкости, общее давление можно описать следующим образом:

P = p_A + p_B

где p_A и p_B – давление паров жидкости A жидкости B, соответственно, над смесью. P — общее давление паров обеих жидкостей над смесью. Объединение уравнений описывает соотношение между общим давлением пара раствора и молярной долей отдельных компонентов:

P = p_A^*x_A + p_B^*x_B

В несмешивающейся смеси, где компоненты образуют гетерогенную смесь, давление пара каждого компонента вносит свой вклад в общее давление пара независимо друг от друга. Таким образом, общее давление пара равно сумме отдельных давлений чистых паров. В несмешивающейся смеси, состоящей из двух жидкостей, общее давление определяется как давление пара первой жидкости плюс давление пара второй жидкости.

P = p_A^* + p_B^*

Температура кипения несмешивающейся смеси

По мере нагревания жидкости давление пара увеличивается. Каждый компонент в смеси имеет свою точку кипения. В смеси смешивающихся жидкостей кипение происходит при температуре между точками кипения составляющих жидкостей.

Для несмешивающейся смеси кипение происходит при гораздо более низкой температуре, чем точки кипения отдельных компонентов. Поскольку каждый отдельный компонент вносит свой вклад независимо, требуется меньше тепла для увеличения общего давления пара до атмосферного давления.

Для примера рассмотрим несмешивающуюся смесь бензола и воды. Температура кипения бензола при нормальном атмосферном давлении составляет 80,1 °С, а температура кипения воды при нормальном атмосферном давлении — 100 °С. Раствор закипает, когда общее давление пара достигает 760 мм рт.ст. (нормальное атмосферное давление). При температуре 69,3 °C давление паров воды составляет 227 мм рт. ст., а давление паров бензола — 533 мм рт. ст., что в сумме равно необходимым для кипения 760 мм рт. ст. Это значительно ниже точки кипения каждого отдельного 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.