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Destilação Fracionária

Overview

Fonte: Laboratório do Dr. Nicholas Leadbeater — Universidade de Connecticut

A destilação é talvez a técnica laboratorial mais comum empregada por químicos para a purificação de líquidos orgânicos. Compostos em uma mistura com diferentes pontos de ebulição se separam em componentes individuais quando a mistura é cuidadosamente destilada. Os dois principais tipos de destilação são "destilação simples" e "destilação fracionada", e ambos são amplamente utilizados em laboratórios de química orgânica.

A destilação simples é usada quando o líquido é (a) relativamente puro (contendo não mais do que 10% de contaminantes líquidos), (b) tem um componente não volátil, como um contaminante sólido, ou (c) é misturado com outro líquido com um ponto de ebulição que difere em pelo menos 25 °C. A destilação fracionada é usada ao separar misturas de líquidos cujos pontos de ebulição são mais semelhantes (separados por menos de 25 °C).

Este vídeo detalhará a destilação fracionária de uma mistura de dois solventes orgânicos comuns, ciclohexano e tolueno.

Principles

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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).

Figure 6
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.

Figure 6
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.

Figure 6
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.

Figure 6
Figura 4. Curva de destilação fracionada para ciclohexano e tolueno.

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Procedure

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1. Configuração do aparelho de destilação fracionada

Aparelho de destilação fracionada Quantidade
Retort stands (tocas de anel) 2
Jack parafuso 1
Grampos 4
Grampos de keck 4
Barra de agitação magnética 1
Coluna fracionada 1
Adaptador "Y" 1
Termômetro e Adaptador de Termômetro 1
Frasco traseiro redondo de 100 mL 1
Condensador com entrada de água e tubos de saída 1
Adaptador de coleção 1
Cilindros graduados em 25 mL 3
Manto de aquecimento 1
Placa de agitação 1

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.

Figure 5
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 1H NMR.

A destilação é uma das técnicas mais utilizadas para purificar líquidos em ambientes laboratoriais e responde por até 95% de todos os processos de separação industrial.

Este método separa e purifica líquidos com base em sua volatilidade, ou a tendência de suas moléculas escaparem da fase líquida como vapor gasoso. Para destilar uma solução, ela é aquecida até que os compostos mais voláteis comecem a vaporizar. Os vapores resultantes são então condensados em um líquido purificado, conhecido como destilado, e coletados.

Os métodos mais comuns de destilação são: destilação simples, que emprega apenas um ciclo de vaporização-condensação, e destilação fracionada, que emprega múltiplos ciclos de vaporização-condensação.

Este vídeo revisará os princípios por trás da destilação simples e fracionada, aparelhos típicos de destilação laboratorial e demonstrará um exemplo de procedimento de destilação fracionada. Finalmente, as aplicações da destilação serão cobertas.

Quando um líquido é aquecido, a energia cinética de suas moléculas aumenta, fazendo com que algumas das moléculas transitem do líquido para o estado gasoso. Esse processo, chamado de vaporização, aumenta a pressão de vapor acima do líquido em relação à pressão atmosférica. A temperatura em que a pressão de vapor do líquido é igual à pressão de ar do ambiente circundante, nesse ponto "bolhas" de forma de vapor dentro do líquido, é conhecida como seu ponto de ebulição. Acima desta temperatura, o líquido será completamente vaporizado em um gás.

Em uma simples destilação, uma mistura é aquecida em um frasco, e os vapores resultantes passam para uma coluna de condensação onde são resfriados e condensados em um líquido chamado de destilado. Este método usa apenas um ciclo de vaporização-condensação, e gera destilados puros de ambas as misturas de líquidos e sólidos, e misturas de líquidos com pontos de ebulição muito diferentes.

Misturas de líquidos com pontos de ebulição que diferem em menos de 30 °C não podem ser completamente separadas usando destilação simples. A composição do destilado, no entanto, pode ser prevista usando um "diagrama de ponto de ebulição", que traça a temperatura em função da composição líquida e vapor. Por exemplo, uma mistura igual de ciclohexano e tolueno tem um ponto de ebulição de 90 °C,resultando em uma composição de vapor de 80% de ciclohexano e 20% de tolueno, e produzindo um destilado 80% puro.

O diagrama do ponto de ebulição prevê que um segundo ciclo de vaporização-condensação, alcançado pela ebulição do destilado 80:20 a aproximadamente 84 °C,resulta em uma pureza de 95%. Cada ciclo consecutivo, referido como uma "placa teórica", aumenta a pureza do, onde 3 placas teóricas resultam em 99% de pureza. Embora seja possível gerar isso encadeando múltiplos aparelhos de "destilação simples", a "destilação fracionada" consegue isso de forma mais eficiente.

A configuração adiciona uma "coluna fracionada", entre o frasco de partida e o condensador. Esta coluna é tipicamente preenchida com contas de vidro ou lã metálica, fornecendo uma grande área de superfície para o líquido condensar e evaporar várias vezes. Isso gera um grande número de placas teóricas.

À medida que os vapores sobem através da coluna, um anel de condensado se forma e lentamente se move para cima à medida que os vapores se separam através das placas teóricas. Quando o vapor atinge o topo da coluna, as moléculas com maior volatilidade passam para o condensador onde são coletadas como um destilado de alta pureza.

Agora que revisamos os princípios básicos por trás da destilação, vamos caminhar através de um exemplo para uma mistura de ciclohexano: tolueno.

Comece montando os componentes do aparelho de destilação fracionada na capa da fumaça. Coloque o manto de aquecimento e mexa a placa em cima da tomada de laboratório ao pé do suporte de réplica e levante tudo 8 dentro.

Coloque três grampos no suporte de réplica. Posicione o frasco de fundo redondo para que ele se encaixe no manto de aquecimento e fixe-o no suporte de réplica.

Adicione uma barra de mexiça magnética ao frasco, coloque a coluna fracionada por cima e fixe-a.

Coloque o adaptador "Y" na parte superior da coluna fracionada. Fixá-lo no suporte de réplica com um grampo e, em seguida, fixar a junta de vidro moído entre ele e a coluna fracionada com um grampo de keck.

Coloque o condensador no braço inclinado para baixo do adaptador "Y" e fixe a articulação. Para maior estabilidade, fixar a coluna de condensação em uma segunda posição de réplica.

Conecte um tubo da fonte de água à conexão inferior do condensador. Conecte um segundo tubo da conexão do condensador superior à porta de retorno da água.

Proteja o tubo, ligue a água e verifique se a água flui através do condensador.

Adicione um adaptador de coleção à coluna de condensação. Segure esta junta com um clipe de keck e coloque um cilindro graduado abaixo dele.

Antes de instalar o termômetro, abaixe o frasco. Use um funil para encher menos da metade do frasco com a mistura inicial.

Levante o frasco, encaixe-o de volta na coluna fracionada, e segure-o. Fixar esta junta de vidro moído final com um grampo de keck e, em seguida, substituir e reposicionar o manto de tomada e aquecimento.

Por fim, coloque o termômetro em um adaptador e coloque-o na porta restante do adaptador "Y". Ajuste a altura da lâmpada do termômetro, situando-a logo abaixo do braço lateral do adaptador "Y" para garantir leituras precisas da temperatura do vapor.

Ligue a placa quente, aumentando gradualmente a temperatura e aquecendo o manto até que a mistura inicial comece a ferver. Ajuste a temperatura da placa de aquecimento conforme necessário para garantir que a mistura continue fervendo, mantendo uma temperatura constante de vapor durante os primeiros 2 minutos da destilação.

Observe como o anel de condensação se forma, e sobe, para o topo da coluna. Quando as primeiras gotas de condensação líquida e gotejamento no cilindro graduado, registo a temperatura do vapor. Mantenha a temperatura do vapor constante ajustando a configuração da placa quente até que as gotas caiam do condensador a uma taxa de 1-2 por segundo.

Para cada incremento de 2 mL de volume destilado, registo da temperatura do vapor. Depois de 4 mL ter sido coletado, registo a temperatura do vapor e, em seguida, substitua rapidamente o cilindro parcialmente preenchido graduado por um vazio. Salve a amostra de 4 mL em um frasco rotulado individualmente para análise futura.

Continue registrando temperaturas de vapor em intervalos de 2 mL, e salvando amostras de destilados em intervalos de 4 mL, até que a temperatura do vapor caia significativamente e a mistura pare de ferver.

Desligue a placa quente e a água que corre para o condensador. A destilação de ciclohexano está agora completa e as amostras de destilados de 4 mL podem ser preparadas para análise de RMN.

Avalie a pureza tanto da mistura inicial quanto do destilado utilizando espectroscopia de NMR, uma técnica comum para avaliar a composição e pureza das misturas. Em nosso exemplo, o espectro NMR da mistura inicial mostra os picos característicos associados tanto ao tolueno quanto ao ciclohexano. O espectro NMR do primeiro destilado que coletamos após a destilação fracionada, no entanto, foi ciclohexano puro.

A destilação tem aplicações em uma ampla gama de campos, desde refinarias de petróleo em larga escala até alambiques de uísque de pequena escala.

Para gerar destilados espíritos como vodca ou uísque, uma mistura de produtos de fermentação de grãos conhecidos como "lavagem", que é de 10 a 12 % de álcool em volume, é fervida em um "alambiente" e os vapores resultantes separados por destilação simples ou fracionária, dependendo do design do alambiente e do tipo de espírito. Isso permite que o "coração", o etanol, seja separado das "caudas", como propanol e água, que têm pontos de ebulição mais elevados. Além disso, a destilação permite a eliminação de "cabeças" como o metanol, que famosamente causou cegueira em luar mal feita. O destilado pode ser em torno de 50 % de álcool se produzido a partir de destilação simples, ou até 95 % se destilado fracionáriamente.

A cromatografia gasosa usa milhares, se não milhões, de placas teóricas para separar misturas voláteis usando destilação fracionada em uma microes escala. Aqui, uma mistura de voláteis usados para estimular os nervos olfativos das abelhas foram injetados no cromatógrafo gasoso, que foi usado para separar e identificar os compostos com base na quantidade de tempo que levavam para passar pela coluna cromatografia.

Os vapores explosivos de TNT e RDX foram seletivamente separados de um espaço de cabeça amostral usando os princípios da destilação. Estas amostras foram coletadas em tubos de desorção de temperatura e introduzidas em um estágio de desorção de temperatura, onde foram aquecidas entre 350 e 900 graus para aumentar sua volatilidade. Finalmente, foram condensados seletivamente usando um criotrap e introduzidos em um cromatógrafo gasoso para análise.

Você acabou de assistir a introdução de JoVE à destilação fracionada. Agora você deve entender os princípios básicos por trás da destilação, os aparelhos para destilação simples e fracionária, e um procedimento básico de destilação fracionária.

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Results

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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 1H-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.

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

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

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

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Applications and Summary

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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.

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