Destilação Fracionária

Para separar dois ou mais líquidos por simples destilação, eles são primeiro aquecidos em um frasco. O líquido mais volátil (o líquido com o ponto de ebulição inferior) normalmente evaporará primeiro, e o vapor passará para uma coluna de condensação, onde pode reverter em um líquido (condensado) nas paredes de vidro frio e, em seguida, gotejar em um vaso de coleta(Figura 1).

Figura 1. Aparelho para destilação simples.

Na destilação fracionada, uma mistura de líquidos é fervida e os vapores resultantes viajam até um tubo de vidro chamado "coluna fracionada" e separados. A coluna fracionada é colocada entre o frasco contendo a mistura e o adaptador "Y", e geralmente é preenchida com contas de vidro ou plástico, o que melhora a separação entre os líquidos que estão sendo destilados. A destilação fracionária leva a uma separação melhor do que a simples destilação porque as contas de vidro na coluna fracionada fornecem "placas teóricas" nas quais os vapores podem condensar, reavaliar e, em seguida, recondenar, essencialmente destilando a mistura várias 14h. Uma placa teórica equivale a um ciclo de vaporização-condensação, que equivale a uma simples destilação. Os líquidos mais voláteis se moverão gradualmente em direção ao topo da coluna fracionada, enquanto líquidos de ebulição mais baixos permanecerão em direção ao fundo, dando uma melhor separação entre os líquidos. O vapor eventualmente atinge o condensador, onde é resfriado e, em seguida, escorre para o vaso de coleta.

Uma curva de composição de ponto de ebulição(Figura 2) pode ser usada para prever o número de placas teóricas necessárias para alcançar uma separação desejada. Os dados para a curva são obtidos tomando misturas de composição variada, aquecendo-as ao ponto de ebulição, registrando a temperatura e analisando a composição do vapor acima de cada mistura. A curva inferior representa a composição líquida e a curva superior representa a composição do vapor. No caso deste experimento, a mistura inicial foi de 50% ciclohexano e 50% de tolueno. Começando no eixo X no ponto 50:50, desenhando uma linha reta até a curva líquida, depois uma linha horizontal reta sobre a curva de vapor e depois de volta para o eixo X, pode-se ver que durante a simples destilação de um ciclohexano de 50% : 50% de mistura de tolueno, a primeira gota de destilado seria composta de aproximadamente 80% de ciclohexano e 20% de tolueno.

Figura 2. Curva de composição de ponto de ebulição para ciclohexano e tolueno mostrando uma simples destilação.

A destilação fracionada é basicamente uma série de destilações simples realizadas em sequência, sendo o número determinado pelo número de placas teóricas. É possível utilizar a curva de composição do ponto de ebulição para determinar o número de placas teóricas necessárias para obter um certo grau de separação(Figura 3). Começando com uma mistura de 50% ciclohexano e 50% de tolueno, uma coluna fracionada com eficiência igual a duas placas teóricas resultaria em destilado que é 95% de ciclohexano puro. Uma terceira placa teórica resultaria em destilado que é cerca de 99% de ciclohexano puro. No entanto, na prática, a situação não é tão simples. À medida que a destilação prossegue e a mistura no frasco de destilação se torna cada vez mais enriquecida em tolueno — essencialmente, resultando em uma nova mistura inicial que está mais à direita na curva de composição líquida. Para obter ciclohexano puro, são necessárias placas mais teóricas, mas a eficiência da coluna fracionada é fixa, e assim é alcançado um ponto no qual não pode mais fornecer o grau de separação necessário, resultando em destilado que contém traços mais contaminantes de tolueno.

Figura 3. Curva de composição de ponto de ebulição para ciclohexano e tolueno mostrando três placas teóricas.

Uma curva de destilação, que plota temperatura versus volume de destilado, é mostrada na Figura 4. A destilação ocorre inicialmente a cerca de 82 °C, o ponto de ebulição do ciclohexano. A temperatura relativamente estável mostra que o material quase puro está destilando durante este tempo. A temperatura então sobe e atinge outro patamar em torno de 110 °C, o ponto de ebulição do tolueno. Entre os dois platôs a temperatura sobe gradualmente, não instantaneamente. Lembre-se que à medida que a destilação prossegue e o ciclohexano é removido, mais placas teóricas são necessárias para obter a pureza desejada. Em algum momento, a coluna fracionada está em seu número máximo de placas e não pode mais separar efetivamente a mistura, o que significa que haverá destilados contendo os componentes ciclohexano e tolueno. Uma vez que todo o ciclohexano tenha sido destilado, no entanto, o tolueno puro começa a destilar como evidenciado pelo segundo platô de temperatura. Para obter a destilação ideal, a taxa de destilação deve ser constante e relativamente lenta.

Figura 4. Curva de destilação fracionada para ciclohexano e tolueno.

1. Configuração do aparelho de destilação fracionada

Mesa 1. Componentes do aparelho de destilação fracionada.
Nota: todos os vidros, com exceção dos cilindros graduados, devem ter juntas de vidro moída

1. Reúna todos os equipamentos necessários para montar o aparelho de destilação fracionada(Tabela 1) e colocá-los em um capô de fumaça.
2. Coloque o manto de aquecimento e mexa a placa ao pé do suporte de réplica, sentado em cima de uma tomada de parafuso.
3. Usando a tomada do parafuso, eleve o manto de aquecimento até uma altura de 20 cm.
4. Coloque um grampo no suporte de réplica. Fixar o frasco de fundo redondo no suporte de réplica usando o grampo para que o frasco fique aconchegante no manto de aquecimento.
5. Retire a tomada do parafuso e o manto de aquecimento, deixando-os de lado para depois.
6. Adicione uma barra de agitação magnética ao frasco de fundo redondo.
7. Adicione uma coluna fracionada à parte superior do frasco de fundo redondo, fixando-a ao suporte de réplica com um grampo.
8. Adicione um adaptador "Y" à parte superior da coluna fracionada, fixando-o no suporte de réplica com um grampo e à coluna fracionada com um clipe keck.
9. Adicione uma coluna de condensação ao braço inclinado para baixo do adaptador "Y", fixando-o com um clipe keck. Para estabilidade adicional, o condensador pode ser fixado com um grampo em uma segunda posição de réplica.
10. Conecte a tubulação da fonte de água à conexão inferior do condensador e conecte o tubo de retorno da água à conexão mais alta no condensador. Certifique-se de que a tubulação está bem encaixada no condensador (considere usar fio de cobre para segurar a tubulação no lugar).
11. Conecte um adaptador de coleção à extremidade aberta do condensador e proteja a conexão com um clipe keck.
12. Tenha três cilindros graduados de 25 mL disponíveis para coleta do destilado.

Figura 5. Aparelho para destilação fracionária.

2. Preparação para a Destilação

1. Remova o frasco traseiro redondo do conjunto, baixando-o para a base do suporte de réplica.
2. Coloque um funil de hasde no topo do frasco de fundo redondo e adicione o líquido a ser destilado. Não encha o frasco mais da metade cheio.
3. Depois de encher o frasco, remova o funil.
4. Levante o frasco mais uma vez e coloque o frasco de volta em sua posição original no suporte de réplica.
5. Usando o adaptador do termômetro, coloque o termômetro na porta aberta restante no adaptador "Y". O termômetro deve ser adicionado por último, pois é mais suscetível à quebra.
6. Posicione a lâmpada do termômetro para que fique logo abaixo do braço lateral do adaptador "Y". Isso garante uma leitura precisa da temperatura do vapor.
7. Substitua o manto de aquecimento e o parafuso jack para sua posição original, envolvendo o frasco de fundo redondo.
8. Coloque um cilindro graduado sob o adaptador condensador, pronto para coletar o destilado.

3. Realizando a Destilação

1. Aumente gradualmente a temperatura do manto de aquecimento até que o líquido no frasco de fundo redondo comece a ferver.
2. Assim que a ebulição começar, mantenha a temperatura por 2 minutos.
3. Observe o anel de condensado subindo lentamente até a coluna fracionada. O aumento deve ser gradual, o que garante a separação adequada dos componentes da mistura através das placas teóricas. Se o anel de condensado parar de subir, aumente ligeiramente a temperatura. Deve levar pelo menos 5 minutos para o anel chegar ao topo da coluna.
4. Uma vez que as primeiras gotas de líquido começam a cair no condensador, a temperatura deve permanecer quase constante. Registo a temperatura a cada 2 mL de destilados coleta no cilindro graduado.
5. Ajuste o calor de acordo para permitir 1-2 gotas/s do condensador para o cilindro graduado.
6. Cada vez que o cilindro graduado atinge 4 mL, substitua-o rapidamente por um vazio.
7. Despeje o destilado em um frasco limpo e rotulado para a segurança.
8. Se a destilação estiver ocorrendo muito lentamente, enrole a coluna com papel alumínio ou lã de vidro para protegê-la de rascunhos frios.
9. Quando a temperatura começa a cair significativamente, quase todo o ciclohexano foi destilado. Aumente a temperatura até que o tolueno comece a ferver e destile. Novamente, registo a temperatura a cada 2 mL de destilados.
10. Antes que todo o conteúdo do frasco evapore, pare de aquecer o frasco. É importante garantir que o frasco não fique seco, o que pode causar a rachadura.
11. Remova o manto de aquecimento baixando a tomada do parafuso para a base do suporte de réplica
12. Analise o conteúdo dos frascos de destilado para confirmar a pureza utilizando uma técnica escolhida, como ^{espectroscopia de 1}H NMR.

Destilação Fracionária de uma Mistura Ciclohexano-Tolueno

A pureza do destilado pode ser avaliada por uma série de técnicas. Uma das melhores é a espectroscopia NMR. O espectro ^{de 1}H-NMR da mistura inicial antes da destilação é mostrado na Figura 6. Sinais para tolueno e ciclohexano são claramente visíveis. ¹ Os espectros HNMR dos destilados puros de ciclohexano e puro de tolueno são mostrados nas Figuras 7 e 8, respectivamente. Não são vistos contaminantes do outro componente em cada caso, mostrando a eficácia da destilação.

Figura 6. ¹ H-NMR de uma mistura de ciclohexano e tolueno antes da destilação.

Figura 7. ¹ H-NMR do destilado puro ciclohexano.

Figura 8. ¹ H-NMR do destilado puro de tolueno.

A destilação representa cerca de 95 % de todos os processos atuais de separação industrial. A principal diferença entre as destilações realizadas em escala laboratorial e as realizadas industrialmente é que as primeiras geralmente são executadas de forma em lote, enquanto estas são muitas vezes executadas continuamente. Na destilação contínua, a mistura inicial, vapores e destilados são mantidos em uma composição constante, repondo cuidadosamente o material de olhar e removendo frações tanto de vapor quanto de líquido no sistema. A aplicação industrial mais utilizada de destilação contínua e fracionada está em refinarias de petróleo e instalações de processamento de gás natural. A temperaturas abaixo de 36 °C, o gás natural se separa do petróleo. Outras substâncias, incluindo éter de petróleo e nafta, se separam antes que o petróleo atinja a faixa de 69-74 °C, momento em que a gasolina se separa.

A destilação também encontra aplicação na indústria alimentícia. É usado para produzir uma grande variedade de bebidas alcoólicas, por exemplo, uísque, rum e conhaque. Quando os materiais frutíferos e vegetais fermentam, uma solução diluída de etanol é produzida. Destilar o material fermentado purifica e concentra o etanol. Uma variedade de outros componentes, como ésteres perfumados e outros tipos de álcool, também são coletados durante o processo de destilação, o que explica o sabor único do espírito acabado.