Организация работы и техника безопасности при работе в лаборатории (стр. 3 )

х - молярная концентрация вещества А в смеси (меняется от 0 до 1).

Закон Рауля действителен для идеальных растворов. Отсюда следует, что паровая фаза, а тем самым и дистиллят, обогащаются легкокипящим компонентом смеси.

Перегонка - процесс отделения жидких веществ от нелетучих примесей или разделения смесей летучих веществ с различными температурами кипения. Это достигается нагреванием жидкости до кипения и последующей конденсацией её паров в холодильнике. Существует три способа перегонки жидкости:

а) при нормальном давлении (простая и фракционная перегонка);

б) при пониженном давлении (перегонка в вакууме);

в) с водяным паром.

2.2.1.Простая перегонка

Этот способ применяют, если:

разница в температурах кипения веществ, входящих в состав разделяемой смеси, не менее 80 - 100ºС или основное вещество необходимо отделить от нелетучих примесей.

Аппаратура простой перегонки приведена на рис. 2.

Рис. 2. Установка для простой перегонки:

а - перегонная колба; б - насадка Вюрца; в - водяной холоднльник; г - аллонж; д-­приемный сосуд; е - хлоркальциевая трубка; ж - жидкостная баня; з - патрубок для входа воды; и - патрубок для слива воды; к - теплоизоляция; л, м – термометр

Перегонную колбу подбирают такого размера, чтобы перегоняемая жидкость заполняла её не более, чем на 2/3 объема. При соединении колбы с холодильником необходимо, чтобы конец её отводной трубки выступал в холодильник не менее, чем на 2 – 3 см. Ртутный шарик термометра должен находиться примерно на 0,5 см ниже отверстия отводной трубки. В этом случае шарик термометра хорошо омывается перегоняемой жидкостью.

Если температура кипения перегоняемой жидкости не выше 120 – 130 ºС, то применяют проточное водяное охлаждение. При перегонке жидкостей с более высокой температурой кипения используют воздушный холодильник.

Для равномерного кипения жидкости в перегонную колбу помещают «кипелки» - кусочки обожженного неглазурованного фарфора или длинные стеклянные капилляры, запаянные с одного конца и погруженные в жидкость другим концом. Скорость перегонки регулируется скоростью поступления жидкости в приёмник (1 – 2 капли в секунду).

При перегонке индивидуального вещества (с целью очистки) его температура кипения остается постоянной в течение всей перегонки. При перегонке смеси веществ (с целью разделения) сначала отгоняется жидкость, имеющая более низкую температуру кипения. Наблюдаемый рост температуры кипения в этом случае будет означать, что начинает отгоняться вторая жидкость с более высокой температурой кипения. Меняя приёмники, можно собрать несколько фракций. В первых - будет преобладать низкокипящая часть перегоняемой смеси, а в последних фракциях – высококипящая.

Если температуры кипения компонентов смеси мало различаются, а также компоненты могут образовывать азеотропные смеси, то полное разделение таких смесей путем простой перегонки невозможно. Тогда применяют дробную, или фракционную, перегонку. Для этого обычно используют дефлегматоры или ректификационные колонки. В них часть паров перегоняемой смеси конденсируется (за счёт охлаждения наружным воздухом), превращаясь в жидкость, обогащённую высококипящим компонентом. Оставшийся пар, наоборот, обогащается более летучим компонентом.

При перегонке жидкостей с температурой кипения ниже 80 ºС (этиловый спирт, ацетон, эфир) использовать для нагрева водяную баню.

2.2.2 Перегонка в вакууме

В вакууме температура кипения вещества ниже, чем при атмосферном давлении. Значение вакуумной перегонки прежде всего в том, что снижение температуры кипения позволяет перегонять без разложения такие вещества, которые в условиях атмосферного давления разлагаются при температуре кипения. При вакуумной перегонке вещества в меньшей степени подвержены действию кислорода. Например, вещества, кипящие с разложением при 350°С и 760 мм рт. ст., можно перегнать без разложения приблизительно при

160 - 210°С и 10 мм рт. ст., 100 -130°С и 0,01 мм рт. ст., 40 - 50°С и 0,0001 мм рт. ст.,

В некоторых случаях снижение давления при перегонке сопровождается увеличением относительной летучести и тем самым улучшением разделения веществ. Наконец, перегонкой в вакууме иногда удается предотвратить образование азеотропных смесей.

В отношении аппаратуры и методики проведения процесса вакуумная перегонка несколько отличается от перегонки при атмосферном давлении. Чаще всего применяются колбы с насадкой Клайзена (рис 3), имеющие круглую, а при меньших размерах аппаратуры - грушевидную форму.

Рис. 3 Прибор для перегонки под вакуумом: а-перегонная колба; б-насадка Клайзена; в- каппиляр; г-зажим; д -отрезок резинового шланга; е-отвод к ловушке вакуумной системы; ж- аллонж; з-приемный сосуд (колба-приёмник)

В прямое горло колбы вставляют тонкооттянутый капилляр, в боковое горло - термометр, шарик которого должен находиться чуть-чуть ниже отводной трубки. Боковое горло насадки Клайзена препятствует перебрасыванию перегоняемой жидкости в приемник. Для предупреждения перегрева при вакуумной перегонке чаще всего применяют капилляры, почти касающиеся дна колбы. Эти капилляры пропускают в вакууме постепенный поток мелких пузырьков воздуха или инертного газа, чем обеспечивают непрерывное перемешивание перегоняемой жидкости и равномерность кипения. Капилляр в данном случае заменяет «кипелки».

Для отбора нескольких фракций, не отключая вакуума и не прерывая работы установки, используют различные специальные устройства. К наиболее простым из них относится так называемый «паук» - модификация аллонжа, позволяющая простым поворотом сменить приемник, в который собирают дистиллят.

Работа с установкой требует особого соблюдения правил техники безопасности. После того, как прибор собран, необходимо убедиться в его полной герметичности и только после этого заполнить колбу перегоняемой жидкостью. Перегонку проводят в защитных очках, а ещё лучше – в защитной маске. Во избежание взрыва нельзя перегонять вещества досуха. При выключении системы атмосферный воздух в неё впускать медленно и осторожно.

2.2.3. Перегонка с водяным паром

Упругость паров смеси двух растворимых друг в друге жидкостей определяется упругостью паров отдельных компонентов по закону Рауля. Упругость паров смеси, в том случае, если не образуется азеотропная смесь, лежит между значениями упругости паров чистых компонентов, а температура кипения смеси находится между температурами кипения отдельных веществ.

Если два вещества практически нерастворимы друг в друге, то они не оказывают никакого влияния на упругость паров смеси. Общая упругость Р паров негомогенной смеси определяется суммой упругостей паров отдельных компонентов: Р = РА+ РВ×

Таким образом, суммарная упругость паров такой смеси больше упругости паров каждого отдельного компонента и температура кипения смеси всегда ниже температуры кипения самого низкокипящего компонента.

Наиболее важным практическим случаем двухфазной перегонки является перегонка с водяным паром.

Перегонку с паром применяют:

для разделения смесей веществ, из которых только одно летуче с водяным паром; для очистки веществ от смолистых примесей; если она обеспечивает более полное разделение летучих веществ, чем перегонка под уменьшенным давлением (вакуумом).

Перегонку с водяным паром можно делать как при атмосферном давлении, так и в вакууме. Перегретый водяной пар позволяет отгонять вещества с довольно низкой упругостью паров.

Этим способом пользуются для выделения из смесей веществ, которые кипят при достаточно высокой температуре, а поэтому не исключена возможность их разложения. Перегонять с водяным паром можно только такие органические вещества, которые не растворимы или трудно растворимы в воде, а также не взаимодействуют с ней.

Прибор для перегонки с водяным паром изображен на рисунке 4.

Водяной пар получают в парообразователе, который должен быть снабжен доходящей почти до самого дна предохранительной трубкой. Через трубку при охлаждении парообразователя может поступать воздух. Чтобы избежать значительного увеличения объема перегоняемой жидкости за счет конденсации водяных паров, между парообразователем и перегонной колбой иногда помещают водоотделитель. В большинстве случаев более целесообразно подогревать перегонную колбу, следя за тем, чтобы содержимое колбы имело постоянный объем. Трубка, по которой пар поступает в колбу, должна доходить до самого ее дна. Это позволяет наиболее экономно расходовать водяной пар. Парообразователь и колбу соединяют тройником, на свободный конец которого надевают резиновую трубку с зажимом. Зажим остается открытым до начала перегонки для того, чтобы в перегонной колбе не собирался заранее водяной конденсат. В колбу помещают очищаемое вещество, собирают прибор и подогревают парообразователь. Одновременно (через асбестовую сетку) подогревают колбу. Как только начнёт образовываться пар, нагревающий жидкость в перегонной колбе, резиновую трубку, надетую на тройник, закрывают зажимом. Через некоторое время в приёмнике соберётся эмульсия (чистого вещества в воде), расслаивающаяся при стоянии. В зависимости от плотности перегоняемое вещество будет образовывать верхний или нижний слой. Перегонку заканчивают, когда в холодильнике будут образовываться капли чистого дистиллята (воды). Затем открывают зажим на тройнике (чтобы жидкость не «засосало» в парообразователь) и выключают парообразователь.

При перегонке с пepeгретым водяным паром между источником пара и перегонной колбой ставят пароперегреватель - спиральную металлическую трубку, которую нагревают пламенем горелки.

Рис. 4 Перегонка с водяным паром: а- парообразователь; б- водомерное стекло; в- предохранительная барометрическая трубка; г- сборник конденсата; д-перегонная колба; е- барботёр; ж- нагревательная баня; з- теплоизоляция; и- пружинки; к- аллонж; л - приемный сосуд.