Перегонка веществ с водяным паром

Этот способ перегонки имеет очень важное значение для выделения и очистки органических веществ не только в лаборатории, но и на предприятиях химической промышленности.

Сущность метода заключается в том, что хотя многие вещества имеют температуру кипения гораздо выше температуры кипения воды, т.е. намного выше 100 ⁰С, но при пропускании струи водяного пара эти вещества улетучиваются вместе с паром, а затем при охлаждении конденсируются вместе с сопровождающим их паром.

Вещество тем легче летит с водяным паром, чем выше парциальное давление его паров при температуре перегонки.

Чаще всего перегоняют с водой органические вещества, малорастворимые или нерастворимые в воде вещества. Смесь органического вещества с водой нагревается при пропускании водяного пара до тех пор, пока сумма парциальных давлений паров воды и органического вещества достигнет атмосферного давления, т.е.» 760 мм ртутного столба:

Р₁ + Р₂ = 760 мм рт.ст.

При этом смесь закипает. Важно отметить, что смесь будет кипеть при температуре, ниже, чем температура кипения каждого из компонентов, то есть ниже 100 ⁰С.

Следует отметить, что многие органические соединения имеют высокие температуры кипения (200-300⁰С) и при попытке очистить их простой перегонкой (см. выше) разлагаются, не достигнув температуры своего кипения. Метод же перегонки с водяным паром создает таким веществам “щадящий” режим, и они очищаются без разложения.

Для осуществления перегонки собирают установку, схема которой показана на рис. 4.

В круглодонную колбу с длинным горлом, закрепленную в штативе, помещают смесь сырого, т.е. неочищенного органического вещества с водой. В колбу вставляют пробку (2), через которую пропущены две стеклянные трубки, одна из которых почти доходит до дна колбы.

Внимание! Колба наполняется не более чем на одну треть объема!

К колбе через стеклянный тройник (3) присоединяется трубка от парообразователя, или паровика (4). Паровик представляет собой

жестяной сосуд, снабженный водомерным стеклом (5) и широкой стеклянной трубкой (6), вставленной через пробку (7) почти до дна паровика. Паровик заполняется водой так, чтобы вода была видна в водомерное стекло.

В верхней части паровика имеется металлический отвод (12), который соединяется резиновой трубкой с тройником (3), нижний конец стеклянного тройника (3) имеет зажим либо краник (8). Третий конец тройника резиновой пробкой соединен с той из двух стеклянных трубок, входящих в колбу, которая почти доходит до дна колбы. Вторая стеклянная трубка, выходящая из колбы, присоединена к водяному холодильнику Либиха (9). На другой конец холодильника одет алонж (10), алонж опущен в приемник (11).

Техника перегонки с водяным паром

После того, как установка собрана, в колбу (1) заливают перегоняемую смесь, под парообразователь (4) подставляют электроплитку и включают обогрев. Зажим (8) на тройнике оставляют открытым вплоть до того момента, когда вода в паровике закипит и из тройника начнет вырываться струя пара. Тогда закрывают зажим (8), пар начинает поступать в перегонную колбу (1). Включают холодную воду, поступающую в рубашку холодильника (9), и ждут начала кипения смеси.

Если объем смеси велик, разрешается подставить вторую электроплитку под колбу (1), чтобы ускорить ее нагрев и не допустить чрезмерной конденсации пара и увеличения объема жидкости.

Начало перегонки отчетливо видно по конденсирующимся во внутренней трубке холодильника мутным каплям конденсата, которые через алонж (10) стекают в приемную плоскодонную колбу (11).

Перегонку прекращают, когда через холодильник пойдут прозрачные капли дистиллята, т.е. будет перегоняться чистая вода.

Внимание! Если во время перегонки вода из паровика начнет подниматься по предохранительной трубке до самого ее верха, выплескиваясь наружу, это означает, что в паровике поднялось давление. Чаще всего это бывает из-за засорения трубки у дна колбы. Следует немедленно открыть зажим 8, при этом давление сразу упадет, и пар будет выходить через тройник. Осторожно прочищают трубку, вставляют ее в колбу и закрывают зажим. Перегонка сразу продолжится.

Иногда перегонке с паром подвергают твердые вещества. Тогда возникают ситуации, при которых органическое вещество закристаллизовывается в холодильнике, забивая его трубку. В этом случае нужно на время отключить подачу холодной воды и слить ее из рубашки холодильника. Трубка холодильника сразу нагреется, вещество расплавится и стечет в приемник. После этого нужно немедленно возобновить подачу воды.

Перегонка с паром позволяет не только очищать вещества с высокой температурой кипения, но и выделять их из смесей, сильно загрязненных смолистыми примесями. Это делает метод уникальным по своим возможностям. После того, как перегонка закончена, открывают зажим (8), убирают электроплитку из-под паровика и разбирают установку.

Внимание! Если отключить паровик до открывания зажима, из-за конденсации водяного пара в системе понизится давление и дистиллят может засосать через холодильник в перегонную колбу.

После перегонки с паром органическое вещество оказывается в приемнике вместе со значительным количеством воды. В зависимости от свойств вещества различают три основных случая.

1. Перегоняемое вещество – твердое. В этом случае для отделения его от воды используют фильтрование под уменьшенным давлением (см. раздел “Фильтрование”).

2. Если органическое вещество жидкое и при этом совершенно не смешивается с водой, его отделяют от воды в делительной воронке, учитывая тот факт, что легкие жидкости будут образовывать верхний слой (фазу) в делительной воронке, располагаясь над водным слоем, тяжелые жидкости – нижний слой, располагаясь под водным слоем. Дав жидкостям, возможность отстояться, открывают нижний кран делительной воронки и сливают нижний слой в приготовленную колбу. Закрывают краник и верхний, оставшийся слой выливают из делительной воронки через верхнее отверстие (тубус) в другую колбу.

3. Если органическое вещество ограниченно смешивается с водой, для его отделения от воды пользуются методом экстракции (см. ниже).

1.2.2 ПЕРЕГОНКА ПРИ УМЕНЬШЕННОМ ДАВЛЕНИИ

При перегонке органических веществ, обладающих высокими температурами кипения (> 150 ⁰С), часто происходит их разложение. Однако эти вещества, как правило, могут быть с успехом перегнаны под уменьшенным давлением (в вакууме), так как с понижением давления снижается температура кипения вещества и возможность термического разложения уменьшается. При уменьшении давления вдвое по сравнению с атмосферным температура кипения снижается на 15-20 ⁰С, а при остаточном давлении – в 5-10 мм рт.ст. на 100-150 ⁰С.

Используя номограмму (рис. 5), можно ориентировочно определить значение температур кипения при любом вакууме, если известна температура кипения вещества при атмосферном давлении. Если провести на номограмме прямую линию так, чтобы она проходила через значение температуры кипения вещества при атмосферном давлении и через значение выбранного для работы остаточного давления, то точка пересечения прямой линии с левой шкалой дает значение температуры кипения веществ в вакууме при данном остаточном давлении (рис. 5).

Понижение давления в приборе создается обычно с помощью водоструйного или масляного вакуум-насоса. Эффективность водоструйного насоса зависит от скорости тока воды и от ее температуры. Максимальное разрежение водоструйным насосом создается до 4-6 мм рт.ст. При использовании ротационного масляного насоса можно создать разрежение до 0, 5- 1 мм рт.ст.

При работе в вакууме можно использовать только круглодонные колбы.

При перегонке при уменьшенном давлении необходимо надевать защитные очки или защитную маску.

Прибор для перегонки в вакууме состоит из перегонной колбы с термометром и капилляром, холодильника, алонжа и приемников (рис. 6). В качестве перегонных колб могут быть использованы колбы Кляйзена, Фаворского. При разгонке смеси жидкостей целесообразно использовать колбы с дефлегматором, что способствует лучшему разделению смеси. В одно горло колбы (1) вставляют стеклянную трубку (2) с оттянутым на конце ее тонким капилляром, доходящим до дна. Проходящие при перегонке через капилляр пузырьки воздуха, а в некоторых случаях инертного газа равномерно перемешивают жидкость, препятствуя перебросу и перегреву ее. Если ка-

Рисунок 5 – Номограмма для определения температуры кипения при давлении p (мм.рт.ст.)

пилляр недостаточно тонок, то на широкую часть капиллярной трубки надевают небольшой кусочек резиновой трубки (10). Внутрь трубки вставляют тонкую проволоку и зажимают винтовым эажимом (11). Тогда при включении насоса через прибор будут просасываться мелкие пузырьки воздуха.

Во второе горло колбы вставляют термометр (3), шарик которого должен быть на 0, 5 см ниже бокового отвода.

Для охлаждения паров жидкости используют водяные холодильники (4) (если вещество кипит до 130 ⁰С) или воздушные (если вещество кипит > 130 ⁰С).

В качестве приемников служат маленькие круглодонные колбы (6) или толстостенные пробирки, соединенные с холодильником посредством специального алонжа – “паука”(5). “Паук” имеет несколько отводов: один – для соединения с насосом, остальные – для соединения с приемниками.

Во время перегонки, поворачивая “паук”, можно отобрать в приемники отдельные фракции, отличающиеся по температурам кипения. Все части прибора соединяют между собой с помощью резиновых пробок или стеклянных шлифов и толстостенных (вакуумных) резиновых трубок. Пробки и трубки перед сборкой прибора должны быть слегка смазаны глицерином или вазелином и должны очень плотно прилегать к стеклу, иначе при работе насоса не будет создаваться вакуум в системе.

Между прибором и насосом необходимо ставить предохранительную склянку (7), чтобы препятствовать возможности переброса воды из насоса в прибор. При работе на масляном насосе необходимо, кроме того, еще ставить поглотительную систему, состоящую из колонок с активированным углем (для улавливания легколетучих органических веществ), с гидроксидом натрия (для удаления легко

летучих кислот) и с хлоридом кальция (для улавливания воды). Измеряют остаточное давление с помощью вакуумметра (8), включенного между насосом и прибором.

Перегонку в вакууме можно вести только в защитных очках или маске! Нельзя делать никакие исправления в приборе при наличии вакуума в системе!

Перед началом перегонки в вакууме необходимо проверить пустой прибор на герметичность. Для этого на отвод “паука” надевают резиновый шланг от насоса, включают насос. Затем перекрывают поворотом трехходового крана (9) сообщение прибора с атмосферой, закрывают зажимом резиновую трубку, присоединенную к трубке с капилляром, если последний недостаточно тонок. После этого открывают кран у манометра и проверяют установившееся остаточное давление в системе. Выключение вакуума производят в обратном порядке по сравнению с включением. При этом сначала закрывают кран у манометра. Затем постепенно открывают зажим на капиллярной трубке. Постепенно открывают трехходовой кран для впуска воздуха в систему и, наконец, выключают насос. Если прибор не дает нужного разрежения, т.е. где-то происходит подсасывание воздуха в систему, то необходимо проверить еще раз все составные части по отдельности. Для этого еще раз немного смазывают пробки или шлифы и плотно соединяют каждую часть. Включая насос, проверяют этот узел прибора и так по частям весь прибор.

После проверки прибора на герметичность колбу (1) наполняют на 2/3 объема перегоняемой жидкостью, которую заливают через воронку, вставленную в боковое горло колбы ниже ее отвода. Затем горло закрывают пробкой (или шлифом) с термометром (3). Включают насос. Трехходовым краном (9) перекрывают сообщение прибора с атмосферой. Закрывают зажим (11) на капиллярной трубке так, чтобы через капилляр воздух проходил со скоростью 5-6 пузырьков в секунду. Открывают кран на манометре. После того, как установилось давление, начинают перегонку.

Нагревание перегонной колбы можно вести на бане. Колбу при этом погружают ниже уровня жидкости в бане. Не рекомендуется нагревание колбы на асбестовой сетке, так как при этом происходит местный перегрев жидкости, что приводит к сильному подбрасыванию ее в колбе. Можно нагревать колбу небольшим голым пламенем при постоянной движении горелки вокруг колбы, но такой прием требует определенного навыка в работе.

При достижении нужных температур кипения отбирают отдельные фракции, меняя при этом приемник поворотом “паука”. Вещество должно перегоняться со скоростью 1-2 капли в секунду. Нельзя отгонять вещество досуха. Величину остаточного давления определяют в миллиметрах по разности уровней ртути в обоих коленах манометра (8). Во время перегонки кран у манометра закрывают, но при отборе новой фракции каждый раз манометром проверяют остаточное давление. После окончания перегонки прекращают нагревание и дают колбе охладиться и только тогда в приборе выравнивают давление. Быстрый впуск воздуха в нагретую колбу может вызвать взрыв вследствие образования взрывоопасной смеси паров вещества с воздухом.

Впуск воздуха в систему производят так же, как и при проверке прибора на герметичность.

При перегонке высококипящих веществ можно исключить холодильник и соединять “паук” (5) напрямую с колбой (1).

1.3. ЭКСТРАКЦИЯ

Экстракция – это процесс разделения смеси твердых или жидких веществ с помощью избирательных (селективных) растворителей – экстрагентов. Физическая сущность экстракции состоит в переходе извлекаемого (экстрагируемого) вещества из одной фазы, жидкой или твердой, в фазу жидкого экстрагента. В лаборатории органической химии чаще всего сталкиваются со случаем экстракции органических веществ, находящихся в водном растворе.