Buhar Damıtma

Buhar Damıtma

Buhar damıtma, karışmayan karışımların düşük kaynama noktası özelliğinden yararlanan bir ayırma tekniğidir. Ağırlıklı olarak sıcaklığa duyarlı organik molekülleri uçucu olmayan bir kirleticiden ayırmak için kullanılır. Organik molekül suda karışmaz olmalıdır.

Buhar damıtmada, karışmayan karışım kaynama noktasına kadar ısıtılır, bu da hem suyun hem de uçucu organik bileşiklerin damıtılmasına neden olur. Bu, gaz halindeki karışımın yukarı doğru bir kondansatöre doğru hareket ettiği ve daha sonra buharı toplanabilmesi için sıvıya yoğunlaştırdığı anlamına gelir. Basit damıtmanın aksine, buharla damıtma, işlem boyunca ısıtılmış karışımdaki suyu yenilemek için bir su haznesi kullanır. Karışmayan organik bileşen su ile birlikte yavaşça damıtılırken, uçucu olmayan bileşen ısıtılmış karışımda kalır. Organik bileşen damıtıldıktan sonra, sıvı-sıvı ekstraksiyonu kullanılarak sudan ayrılabilir.

Bir karışımın buhar basıncı

Homojen bir çözelti oluşturan karışabilir bir karışım için, her bir bileşenin buhar basıncı, Raoult yasasına göre saf bileşenin buhar basıncına ve sıvı karışımdaki mol fraksiyonuna bağlıdır.

p_A = p_A^*x_A

burada p_A, karışabilir bir sıvı karışımındaki bir sıvı bileşenin buhar basıncıdır, p_A^* saf sıvının buhar basıncıdır ve x_A, karışımdaki o sıvının mol fraksiyonudur, bu da n_A/n_t'ye eşittir. n_A, karışımdaki tek tek sıvının mol sayısıdır, ve n_t, karışımdaki tüm sıvıların toplam mol sayısıdır.

Karışabilir sıvı karışımının üzerindeki toplam buhar basıncı, içindeki her bir bileşenin kısmi buhar basıncının toplamına eşittir ve bu, Dalton yasası olarak bilinir. Bir sıvının buhar basıncı, daha fazla molekül sıvı fazdan gaz fazına kaçmak için kinetik enerji kazandıkça sıcaklıkla artar. İki sıvı içeren karışabilir bir karışımda toplam basınç şu şekilde tanımlanabilir:

P = p_A + p_B

burada p_A ve p_B, sırasıyla sıvı A sıvı B'nin karışımın üzerindeki buhar basınçlarıdır. P, karışımın üzerindeki her iki sıvının toplam buhar basıncıdır. Denklemlerin birleştirilmesi, çözeltinin toplam buhar basıncı ile tek tek bileşenlerin mol fraksiyonu arasındaki ilişkiyi tanımlar:

P = p_A^*x_A + p_B^*x_B

Bileşenlerin heterojen bir karışım oluşturduğu karışmayan bir karışımda, her bir bileşenin buhar basınçları, toplam buhar basıncına bağımsız olarak katkıda bulunur. Bu nedenle, toplam buhar basıncı, tek tek saf buhar basınçlarının toplamına eşittir. İki sıvıdan oluşan karışmayan bir karışımda toplam basınç, birinci sıvının buhar basıncı artı ikinci sıvının buhar basıncı olarak tanımlanır.

P = p_A^* + p_B^*

Karışmayan bir karışımın kaynama noktası

Bir sıvı ısıtıldıkça buhar basıncı artar. Bir karışımdaki her bileşenin kendi kaynama noktası vardır. Karışabilir sıvıların bir karışımında, kaynama, bileşen sıvıların kaynama noktaları arasındaki bir sıcaklıkta meydana gelir.

Karışmayan bir karışım için kaynama, tek tek bileşenlerin kaynama noktalarından çok daha düşük bir sıcaklıkta gerçekleşir. Her bir bileşen bağımsız olarak katkıda bulunduğundan, toplam buhar basıncını atmosfer basıncına yükseltmek için daha az ısı gerekir.

Örneğin, benzen ve suyun karışmayan karışımını düşünün. Benzenin normal atmosfer basıncında kaynama noktası 80.1 °C'dir ve normal atmosfer basıncında suyun kaynama noktası 100 °C'dir. Toplam buhar basıncı 760 mm Hg'ye (normal atmosfer basıncı) ulaştığında çözelti kaynar. 69.3 °C'de, suyun buhar basıncı 227 mm Hg ve benzen buhar basıncı 533 mm Hg'dir, bu da toplamda kaynatma için gereken gerekli 760 mm Hg'ye eşittir. Bu, her iki bileşenin kaynama noktasının oldukça altındadır.

Başvuru

1. Kotz, J.C., Treichel Jr, P.M., Townsend, J.R. (2012). Kimya ve Kimyasal Reaktivite. Belmont, CA: Brooks/Cole, Cengage Öğrenme.
2. Silderberg, M.S. (2009). Kimya: Maddenin ve Değişimin Moleküler Doğası. Boston, MA: McGraw Tepesi.

Karışabilir iki sıvının ideal bir karışımı kaynama noktasına kadar ısıtıldığında, çözelti her bir bileşenin kaynama noktaları arasındaki bir sıcaklıkta kaynar. Bu sıvılar çok farklı kaynama noktalarına sahipse, karışım kaynamaya başladığında, buhar daha uçucu bileşenin molekülleri açısından zengindir. Bu fenomen genellikle, iki karışabilir sıvının bir karışımının ısıtıldığı ve daha sonra buharın tekrar sıvıya yoğunlaştırıldığı ve toplandığı basit damıtma kullanarak karışımları ayırmak için kullanılır.

Daha uçucu bileşenle zengin buhar, damıtma olarak toplandığından, sıvı faz daha az uçucu bileşenin molekülleri ile zengin hale gelir. Bununla birlikte, bu teknik, çözeltinin en azından daha uçucu bileşiğin kaynama noktasına kadar ve genellikle bunun ötesine ısıtılmasını gerektirir.

Sıcaklığa duyarlı organik bileşikler söz konusu olduğunda, bu yüksek sıcaklık organik moleküllerin başka bir şeye ayrışmasına neden olabilir. Peki, bu tür bileşikleri nasıl ayırabiliriz? İlk olarak, bir adım geri gidelim.

Yoğunlaştırılmış fazı ile dengede olan bir buharın basıncına buhar basıncı denildiğini hatırlayın. Bir sıvı karışımının bileşenlerinin her birinin, kısmi basınç dediğimiz kendi buhar basınçları vardır. Çözeltinin toplam buhar basıncı atmosfer basıncına eşit olduğunda bir çözeltinin kaynadığını biliyoruz. Toplam buhar basıncı, bileşenlerin kısmi basınçlarının toplamına eşittir.

Karışabilir sıvıların bir karışımı için, yani sıvıların herhangi bir kombinasyonunun homojen bir çözelti oluşturduğu anlamına gelir, kısmi basınçlar, saf bileşiklerin buhar basınçlarının çözeltideki mol fraksiyonları ile çarpılmasından hesaplanır. Bununla birlikte, karışmayan sıvıların heterojen bir karışımı için, yani sıvıların birbirleri içinde çözünmediği anlamına gelir, kısmi basınçlar basitçe saf bileşiklerin buhar basınçlarıdır.

Heterojen karışımın her bir bileşeni, diğer bileşenlerden bağımsız olarak toplam buhar basıncına katkıda bulunduğundan, kısmi basınçların toplamı olan toplam buhar basıncı, atmosfer basıncına eşit olduğunda karışım kaynar. Bu, her bir bileşenin ayrı ayrı kaynama noktalarından daha düşük bir sıcaklıkta gerçekleşir, çünkü toplam buhar basıncı, en uçucu bileşen için bile beklediğinizden çok daha hızlı bir sıcaklıkla artar.

Bu fenomeni, yüksek ısı altında ayrışan ve suda çözünmeyen sıcaklığa duyarlı bir organik bileşiği uçucu olmayan maddelerden izole etmek için kullanılan buhar damıtma işlemini gerçekleştirmek için kullanabiliriz. Buhar damıtma kurulumu, proses boyunca suyu yenilemek için bir su haznesinin eklenmesiyle basit bir damıtma kurulumuna benzer.

Karışım kaynadıkça, hem su hem de ilgilenilen organik bileşik buharlaşır. Su ve organik bileşik buharları kondansatöre gider, sıvıya yoğunlaştırılır ve toplanır. Karışmayan sıvılar daha sonra ayrılır. Şişedeki karışımda sadece su ve uçucu olmayan maddeler kalır.

Bu laboratuvarda, bir portakal kabuğunun uçucu olmayan bileşenlerinden uçucu yağı çıkarmak için bir buhar damıtma deneyi kuracak ve gerçekleştireceksiniz. Daha sonra uçucu yağı sudan organik bir çözücüye çıkarmak için sıvı-sıvı ekstraksiyonu kullanacaksınız.