Nr Grupy
Imię i nazwisko
Data
Nr ćw.
Destylacja mieszaniny tetra chlorometan (CCl4) - anilina
Ocena
1. Destylacja jest operacją, której celem jest rozdzielenie mieszaniny cieczy na jej składniki. Polega ona na odparowaniu cieczy, odebraniu i skropleniu powstałych par. Ciecz skroplona, bogatsza w składnik lotniejszy nazywa się destylatem, natomiast pozostałość nieodparowana nazywa się cieczą wyczerpaną (pogonem). Podstawę podziału stanowi tutaj różnica w lotności składników (tj. różnica temp wrzenia)
2. Równowaga ciecz – para w mieszaninach dwuskładnikowych:
Ogólnie mieszaniny z jedną fazą ciekłą w temp wrzenia nazywamy homogenicznymi, a w przypadku występowania w tej temp kilku faz ciekłych – heterogenicznymi.
3. Mieszaniny ciekłe dwuskładnikowe (binarne) dzielą się na:
a) Mieszaniny idealne (doskonałe), w których siły oddziaływań międzycząsteczkowych pomiędzy cząsteczkami wszystkich składników obecnych w układzie są zawsze takie same. Mieszaniny idealne spełniają prawo Raoulta, które mówi, że ciśnienie cząstkowe składnika mieszaniny ciekłej nad mieszaniną jest wprost proporcjonalne do ułamka molowego tego składnika w mieszaninie. Wyraża się ono wzorem:
pA = PA × xA
pA – ciśnienie cząstkowe par składnika (A) nad mieszaniną
PA – ciśnienie par składnika (A) nad czystym składnikiem (A)
xA – ułamek molowy składnika (A) w fazie ciekłej
Ciśnienie całkowite pary (P) nad mieszaniną w stałej temp jest więc równe sumie ciśnień cząstkowych składników (dla mieszaniny dwuskładnikowej):
P = pA + pB = PA × xA + PB × xB
b) Mieszaniny rzeczywiste to mieszaniny, w których oddziaływania międzycząsteczkowego są różne. Dzielimy je zatem na:
· Mieszaniny, w których siły przyciągania między cząsteczkami różnych składników są większe niż siły przyciągania między cząsteczkami tego samego typu. Występują wówczas ujemne odchylenia od prawa Raoulta
· Mieszaniny, w których siły przyciągania między cząsteczkami różnych składników są mniejsze od sił przyciągania między cząsteczkami tego samego typu. Występują wówczas dodatnie odchylenia od prawa Raoulta
Rys: krzywe równowagi ciecz – para dla układu binarnego;
izoterma – stała temp, izobara – stała ciśnienia
1,2 - składniki mieszaniny binarnej
x – ułamek molowy składnika lotniejszego w cieczy
y – ułamek molowy składnika lotniejszego w parze
p1, p2 – prężność par nad czystym składnikiem
t1, t2 – temp wrzenia czystych składników
A, B, C, D – odpowiadają składom fazy ciekłej i gazowej w stanie równowagi ciecz - para
c) Zeotropy to mieszaniny, dla których w całym zakresie stężeń skład pary pozostającej w równowadze z cieczą różni się od składu cieczy ze zwiększoną zawartością składnika bardziej lotnego.
d) Azeotropy to mieszaniny, dla których istnieje stężenie przy którym skład pary nad mieszaniną nie różni się od składu cieczy.
4. Temperatura wrzenia mieszaniny to temp, w której prężność par nad cieczą równa się ciśnieniu zewnętrznemu. Im ciśnienie jest niższe, tym niższa jest temp wrzenia, gdyż ciśnienie pary musi się zrównać z ciśnieniem zewnętrznym (co wymaga obniżenia temp).
Aby cząsteczka ze stanu ciekłego przeszła w stan pary musi mieć odpowiednio wysoką energię, by pokonać siły przyciągające ją przez inne cząsteczki.
W stanie ciekłym cząsteczki oddziałują ze sobą na różne sposoby. Im przyciąganie cząsteczek (siły spójności) jest większe, tym trudniej cząsteczkom przejść do fazy gazowej, a temp wrzenia jest wyższa. By móc oszacować (lub porównać) temp wrzenia różnych związków, należy oszacować wszystkie oddziaływania międzycząsteczkowe i ich wpływ na temp wrzenia. Podsumowując:
a) Związek o większej masie molowej ma wyższą temp wrzenia
b) Związek, którego cząsteczki mają kształt kulisty ma niższą temp wrzenia od tego, który ma kształt wydłużony
c) W związkach organicznych każde rozgałęzienie łańcucha obniża temp wrzenia, a cyklizacja ją podnosi
d) Związki, które mogą tworzyć wiązania wodorowe są cieczami o wysokich temp wrzenia
e) Związki posiadające duży moment dipolowy posiadają wyższą temp wrzenia od izomerów o niższym momencie dipolowym
5. Rodzaje destylacji:
a) Destylacja prosta polega na stałym odprowadzaniu oparów znad cieczy do chłodnicy, a po skropleniu odbieranych jako produkt w odbieralniku. Jest to mało wydajny sposób rozdzielania mieszanin. Ciężko jest w ten sposób uzyskać czyste produkty, ponieważ po zakończeniu procesu skład cieczy wyczerpanej nie jest w równowadze ze składem całości otrzymanego destylatu lecz z jego ostatnią frakcją
b) Destylacja frakcyjna (rektyfikacja) to destylacja wielopoziomowa, podczas której mieszanina ciekła jest rozdzielana na frakcje o różnej lotności. Zachodzi w kolumnach rektyfikacyjnych lub kolumnach strefowych, które na pewnym obszarze są chłodzone a na innym ogrzewane. Warunkiem przeprowadzenia rektyfikacji jest zwracanie części kondensatu z powrotem do kolumny. Oznacza to, że jedynie część kondensatu odbierana jest jako destylat. Rektyfikacja jest o wiele wydajniejsza od destylacji prostej.
c) Destylacja wielostopniowa (wielokrotna) polega na kilkakrotnym powtórzeniu destylacji prostej. Stosowana przy niewielkich różnicach temp wrzenia składników mieszaniny. Destylat z jednego etapu doprowadzany jest jako ciecz surowa do naczynia (kotła) destylacyjnego, w kolejnym, co umożliwia lepszy rozdział mieszaniny. Obecnie niestosowana – zastąpiona rektyfikacją.
d) Destylacja próżniowa (pod obniżonym ciśnieniem) stosowana jest głównie w przypadku substancji wysokowrzących. Dzięki obniżeniu ciśnienia możliwe jest obniżenie temp wrzenia destylowanej cieczy (nawet o 100 – 1500C), co jest szczególnie ważne, gdy któraś z rozdzielanych substancji jest podatna na rozkład termiczny. W destylacji próżniowej powinny brać udział substancje o dużej różnicy temp wrzenia, gdyż przy obniżaniu ciśnienia ta różnica się zmniejsza.
Na podstawie wartości zastosowanego ciśnienia wyróżnia się:
· Destylację pod obniżonym ciśnieniem (100 – 10 mmHg)
· Destylację wysokopróżniową (10 – 0,01 mmHg)
· Destylację molekularną (0,001 mmHg i mniej) – tu już faza gazowa przyjmuje właściwości anizotropowe a cząsteczki nie zderzają się ze sobą
e) Destylacja z parą wodną stosowana jest dla cieczy wysokowrzących, nie mieszających się z wodą i nie reagujących z nią. Polega na tym, że przez ciecz przepuszczamy wytwarzaną w osobnym naczyniu parę wodną. Sumaryczna prężność pary wodnej i destylowanej cieczy powoduje, że ciecz zaczyna wrzeć (parować całą objętością) w znacznie niższej temp. w odbieralniku skrapla się ciecz i woda, którą później oddzielamy.
f) Destylacja rozkładowa (piroliza) to proces rozkładu termicznego substancji prowadzony przez długotrwałe poddawanie działaniu wysokiej temp ale bez kontaktu z tlenem i innymi czynnikami utleniającymi. Zwykle podczas pirolizy bardziej złożone związki chemiczne ulegają rozkładowi do prostszych o mniejszej masie cząsteczkowej. Jest to proces wysokotemperaturowy i bezkatalityczny.
6. Przeprowadzenie destylacji prostej.
Prostą destylację przeprowadzamy łącząc kolbę destylacyjną bezpośrednio z chłodnicą, którą dla cieczy niskowrzących chłodzimy wodą, a dla wysokowrzących (powyżej 1000C) chłodzimy powietrzem.
Przed montażem wlewamy do kolby substancję przeznaczoną do destylacji. Wrzucamy kamyczki wrzenne, montujemy aparaturę, uruchamiamy przepływ wody przez chłodnicę i rozpoczynamy ogrzewanie, obserwując wskazania termometru.
Pierwsza porcja destylatu przechodząca przez chłodnicę przy ciągle rosnącej temp stanowi przedgon i zbieramy ją w całości do pierwszego odbieralnika.
Po ustaleniu się temp (destylacja ulega przyspieszeniu), zmieniamy odbieralnik i zbieramy frakcję główną. Destylację kontynuujemy do momentu, gdy temp wskazywana przez termometr zacznie opadać (choć czasem oznaką końca frakcji głównej może być wzrost temp). Zmieniamy wówczas odbieralnik i zbieramy pogon.
Mierzymy objętość frakcji głównej. Notujemy początkową i końcową temp wrzenia tej frakcji oraz mierzymy jej współczynnik załamania światła, porównując go z wartością podaną w literaturze.
Podczas destylacji należy zwrócić szczególną uwagę na palność większości cieczy organicznych oraz na ich toksyczność. Z tego względu kolby destylacyjnej nie należy podgrzewać bezpośrednio nad palnikiem, ponieważ powoduje to nierównomierne ogrzewanie i może doprowadzić do pęknięcia i pożaru.
Użycie kamyczków wrzennych skutecznie zabezpiecza przed przegrzaniem cieczy.
Aparatura do destylacji prostej:
1 – palnik
2 – kolba grzejna
3 – nasadka destylacyjna
4 – termometr
5 – chłodnica
6 – oliwka wlotowa wody
7 – oliwka wylotowa wody
8 – odbieralnik
9 – oliwka próżniowa (gazu obojętnego)
10 – łącznik destylacyjny
Ćwiczenie
Pytanie 1 – odp. – taki związek destylujemy w sposób prosty. Niska temp wrzenia sugeruje nam, że jest on łatwopalny i należy ogrzewać go przy pomocy łaźni wodnej ze spiralą grzejną.
Pytanie 2 – odp.
Dane Szukane
mx = 10 g Xx
Mx = 50 g Yx
my = 9 g po
My = 30 g
px = 40 mmHg (200C)
py = 70 mmHg (200C)
a) nx= mM= 10 g50 g=0,2 mol
ny= mM= 9 g30 g=0,3 mol
Xx= nxnx+ny= 0,20,5=0,4
Xy= nynx+ny= 0,30,5=0,6
b) po=pi*X
pox= px*Xx=40 mmHg*0,4=16 mmHg
poy = py*Xy=70 mmHg*0,6=42 mmHg
Lilaa93