4.3. Перегонка

Перегонка – очистка и разделение жидких веществ, основанная на различии их температур кипения, путем нагревания жидкости до кипения и конденсации ее паров в виде дистиллята в холодильнике. Жидкость закипает, когда давление пара над ней становится равным внешнему давлению. Температура, при которой жидкость кипит при давлении 760 мм рт. ст., называют температурой кипения. Она индивидуальна для каждого жидкого вещества. Если внешнее (атмосферное) давление уменьшается, уменьшается и температура кипения жидкости.

Смеси, перегоняющиеся без изменения состава и температуры кипения, называются азеотропными и не могут быть разделены при помощи перегонки. Явление азеотропии обусловлено сложным взаимодействием молекул в жидкости, основанным на силах ассоциации и сольватации. Большую роль при этом играют водородные связи. Азеотропия находит разнообразное применение. В частности, ее используют для обезвоживания растворов, что было описано выше.

Разделение смеси жидкостей перегонкой возможно тогда, когда образующийся при перегонке пар имеет другой состав по сравнению с жидкостью. В составе пара таких жидкостей содержание легколетучего компонента всегда больше, чем в исходной смеси. Поэтому жидкость в колбе при перегонке все более и более обогащается высококипящим компонентом. При этом можно получить несколько фракций различного состава, раздельно собирая их.

За ходом перегонки наблюдают по показаниям термометра. Определение t_к каждого из перегоняющихся компонентов смеси служит методом идентификации вещества. Если перегоняется чистое вещество, показания термометра в ходе перегонки остаются неизменными в интервале 1–2 ºС и соответствуют справочным данным. Широкий интервал температур («ползущая» температура) говорит о том, что вещество загрязнено и нуждается в дополнительной очистке.

Содержащиеся в веществе примеси могут по-разному влиять на температуру кипения, поэтому она менее пригодна для идентификации жидкостей и характеристики их чистоты, чем температура плавления для твердых веществ.

По условиям проведения различают три вида перегонки: при атмосферном давлении, пониженном давлении и с водяным паром.

Вещества, не разлагающиеся при t_к , перегоняют при атмосферном давлении. Органические вещества, имеющие высокую t_к и разлагающиеся при этой температуре, перегоняют при пониженном давлении (перегонка в вакууме), так как при уменьшении давления жидкость закипает при более низкой температуре и ее удается перегнать без разложения. С уменьшением внешнего давления вдвое t_к понижается примерно на 15 ºC.

Для уменьшения t_к вещества применяют также перегонку с водяным паром, в которой пары высококипящего вещества перегоняются вместе с парами воды при 100 ºC, что предохраняет вещество от разложения, при этом вещество должно быть мало растворимо в воде и с ней химически не взаимодействовать.

Способы перегонки разделяют на три группы: простая, фракционная и ректификация.

4.3.1. Простая перегонка при атмосферном

давлении

Простая перегонка применяется в том случае, когда температуры кипения веществ, входящих в состав перегоняемой смеси, значительно отличаются друг от друга – удовлетворительное разделение возможно при условии, что разница в температурах кипения перегоняемых жидкостей не менее 80 ºС. Простая перегонка удобна для очистки веществ от труднолетучих примесей. Если различие в температурах кипения меньше, для удовлетворительной очистки необходимо применять другие виды перегонки, например, фракционную.

Установка для простой перегонки (рис. 17) состоит из колбы Вюрца, термометра, нисходящего холодильника, аллонжа и приемника. Размер колбы Вюрца должен быть таким, чтобы перегоняемая жидкость не занимала более 2/3 вместимости колбы.

Часто при перегонке температура кипящей жидкости вследствие перегрева несколько выше, чем температура пара. Перегрев приводит к сильным толчкам, в результате которых вещество вместе с примесями может быть переброшено в приемник. Для предотвращения или ослабления толчков при кипении до начала перегонки в перегонную колбу вносят «кипелки» – 2–3 кусочка пористого фарфора размером 3–5 мм. Во время кипения жидкости из «кипелок» постепенно мельчайшими пузырьками выходит воздух, облегчая образование больших пузырьков пара и обеспечивая спокойное и равномерное кипение.

« Кипелки» ни в коем случае нельзя бросать в горячую жидкость – быстрое парообразование может вызвать разбрызгивание жидкости из колбы!

П

Рис. 17. Установка для простой перегонки при атмосферном давлении

робку с термометром укрепляют в горле перегонной колбы таким образом, чтобы ртутный шарик находился примерно на 0,5 см ниже отверстия отводной трубки, для того чтобы он хорошо омывался парами перегоняемого вещества и правильно показывал температуру кипения той жидкости, которая собирается в приемнике.

Холодильник, из которого конденсат не попадает обратно в перегонную колбу, а направляется в приемник, называется прямым или нисходящим холодильником. Если температура перегоняемой жидкости ниже 150 ºС, в качестве прямого холодильника используется холодильник с водяной рубашкой – холодильник Либиха (см. рис. 2, б). Следует следить за тем, чтобы во время перегонки вода непрерывно поступала в холодильник и эффективно охлаждала внутреннюю трубку, так как в противном случае пары жидкости не будут конденсироваться и может возникнуть пожар или взрыв. Если температура перегоняемой жидкости выше 150 ºС, воду в водяной рубашке не включают, так как из-за большой разности температур стеклянный холодильник может лопнуть. Для перегонки таких жидкостей следует применять воздушный холодильник – прямую стеклянную трубку без рубашки (см. рис. 2, а).

Холодильник соединяют с аллонжем, снижающим потери низкокипящего вещества за счет испарения. Приемником могут служить различные плоскодонные колбы (не стаканы, в которых велика поверхность испарения). Все детали установки, кроме аллонжа и приемника, плотно соединяются друг с другом на пробках.

Каждая установка должна иметь сообщение с атмосферой! Иначе при нагреве и повышении давления возможен взрыв!

В установке для простой перегонки сообщение с атмосферой осуществляется между аллонжем и приемником, здесь пробки быть не должно. Когда перегоняют гигроскопические вещества, которые необходимо защитить от влаги, приемник соединяют со специальным аллонжем через пробку. Связь с атмосферой обеспечивает аллонж с отводом для хлоркальциевой трубки (рис. 3, д). Если перегоняют легкоиспаряющиеся жидкости, приемник помещают в баню со льдом.

Выбор нагревательного прибора зависит от температуры кипения перегоняемой жидкости, ее горючести и взрывоопасности. Работа с низкокипящими жидкостями (диэтиловый эфир – t_к 36 ºС, петролейный эфир – t_к 30÷80 ºС) требует особой осторожности – их следует нагревать теплой водой без нагревательного прибора. Жидкости с температурой кипения от 50 до 80 ºС перегоняют на водяной бане, которую нагревают на плитке или газовой горелке, пламя горелки при этом не должно выходить за края бани. Жидкости с температурой кипения более 80 ºС нагревают на асбестовой сетке, воздушной или песчаной бане. Чтобы обеспечить равномерное нагревание и избежать перегрева, перегонную колбу следует нагревать на одном из видов жидкостных бань (водяная, масляная, металлическая, солевая), причем всегда нужно следить за температурой в бане.

Установку для простой перегонки собирают на трех штативах следующим образом:

• на первом штативе ставят горелку; на расстоянии 6–8 см от кончика горелки закрепляют кольцо, на которое помещают асбестовую сетку или баню; на штативе лапкой закрепляют круглодонную колбу с насадкой Вюрца с пробкой на отводе;

– на втором штативе наклонно закрепляют холодильник Либиха, не присоединяя его к колбе, причем трубка для отвода воды из холодильника и винт, закрепляющий холодильник в лапке, должны быть сверху;

– сначала регулируют наклон, затем высоту холодильника таким образом, чтобы он оказался на прямой линии с отводом насадки Вюрца, после чего откручивают винт лапки холодильника и надвигают его на отвод насадки Вюрца, соединяют с пробкой и слегка закручивают винт;

– после этого на пробку холодильника надевают аллонж, кончик которого без пробки опускают в приемник, стоящий на сетке с кольцом, укрепленном на третьем штативе;

– в последнюю очередь в колбу вставляют термометр на пробке.

При соединении частей прибора надо всегда стремиться, чтобы руки были как можно ближе к месту соединения. Крепить колбы в зажимах следует не за середину горла, а около пробки и не слишком жестко. Необходимо всегда обращать внимание на наличие прокладок на зажимах и захватах лапок.

После того, как установка собрана и показана преподавателю, вынимают пробку с термометром, заливают перегоняемую жидкость, бросают для равномерного кипения «кипелки», вставляют пробку с термометром, включают проточную воду в холодильнике, зажигают горелку и начинают перегонку. Нагревание регулируют таким образом, чтобы при перегонке в приемник в течение одной секунды стекали не более 1–2 капель дистиллята.

Перегонку прекращают, когда в колбе останется 1–2 см³ жидкости. Никогда не перегоняют досуха! Многие вещества при перегонке окисляются в гидроперекиси, которые накапливаются к концу перегонки и в сухом состоянии взрываются.

После окончания перегонки установку охлаждают, разбирают в обратном порядке, посуду моют и сушат, использованные «кипелки» выбрасывают.