Оснащение химической лаборатории (стр. 10 )

Прибор для перегонки с паром изображен на рис. 36. Парообразователь представляет собой стеклянный или  металлический сосуд, снабженный водомерным стеклом и предохранительной трубкой. Трубка служит для выравнивания давления и должна доходить почти до дна. Перегонку начинают с того, что воду в парообразователе доводят до кипения и, перекрыв зажим на тройнике, направляют струю пара в перегонную колбу. Пар проходит через перегоняемую смесь и, увлекая за собой перегоняемый компонент смеси, поступает в холодильник и далее в виде конденсата в приемник. Обычно перегонную колбу также нагревают, чтобы в ней не конденсировался водяной пар. Перегонку ведут до тех пор, пока дистиллят не перестанет разделяться на две фазы. Когда будет перегоняться только вода, открывают зажим на тройнике и лишь после этого прекращают нагревание паровика.

Небольшие количества вещества можно перегонять, не пользуясь парообразователем, а добавляя немного воды непосредственно в перегонную колбу Вюрца.

Рис. 36. Прибор для перегонки с водяным паром: 1—водомерная трубка; 2—предохранительная трубка; 3—пароподводящая трубка; 4—пароотводящая трубка; 5—холодильник Либиха; 6 — алонж; 7— приемник; 8—перегонная колба; 9—горелки; 10—парообразователь; 11— тройник; 12— зажим

Очистка органических веществ путем перегонки с паром часто дает лучшие результаты, чем обычная перегонка. Особенно она эффективна в тех случаях, когда очистке подлежит продукт, сильно загрязненный смолистыми веществами.

4. Экспериментальные работы по разделению, очистке органических веществ

4.1.  Определение температуры плавления кристаллических органических соединений

       Температура, выше которой кристаллическое органическое вещество переходит в другое фазовое соединение и превращается в жидкость, называется температурой плавления. При этом одновременно существуют и находятся в равновесии как жидкость, так и твердая фаза.

       Температура плавления является физической константой, которая может быть использована как для характеристики органических соединений, так и в качестве критерия их чистоты.

       Чистое вещество плавится в узком интервале температур (~0,5оС). Если вещество содержит примеси, плавление происходит не сразу, в интервале, составляющем несколько градусов, и полное плавление вещества происходит при температуре более низкой, чем для чистого вещества.

       Удобнее всего определять температуру плавления в капилляре. Прибор для определения температуры плавления состоит из внешней круглодонной (или плоскодонной) колбы, в которую опущена пробирка для термометра. К термометру присоединяется капилляр с веществом с помощью резинового кольца. Термометр вставляется в пробирку с помощью резиновой и корковой пробки с прорезью. Внешняя колба заполняется теплоносителем (вода, серная кислота, силиконовое масло). Для определения температуры плавления выше 200оС прибор не имеет теплоносителя.

Ход  работы:

Небольшое количество (несколько мг) сухого чистого вещества тонко измельчают на часовом стекле стеклянной палочкой и открытым кольцом капилляра набирают немного вещества. Чтобы сместить вещество к запаянному концу, капилляр бросают запаянным кольцом вниз в чистую сухую стеклянную трубку 50-70 см, поставленную вертикально на стеклянную пластинку. Эту операцию повторяют несколько раз до тех пор, пока в запаянной части капилляра не образуется плотный столбик вещества высотой 3-4 мм.

Капилляр закрепляют резиновым кольцом на термометре так, чтобы нижняя часть капилляра с веществом находилась на одном уровне с ртутным шариком. Термометр опускают в пробирку так, чтобы он не касался внутренних стенок и дна пробирки. Пробирку опускают в колбу с теплоносителем. Прибор нагревают на асбестовой сетке сначала быстро, а за 15-20оС до предполагаемой температуры плавления – с такой скоростью, чтобы температура поднималась не быстрее, чем на 1-2оС в минуту.

Если нагревать быстрее, то температура плавления окажется заниженной, т. к. шарик термометра не будет успевать нагреваться так же быстро, как и вещество в капилляре.

Чистое вещество перед плавлением немного уплотняется и плавится мгновенно, т. к. превращается в прозрачную жидкость. Интервал температур начала и окончания плавления тем меньше, чем чище вещество.

На практике допустим интервал 1-2оС.  Перед прибором для определения температуры плавления в целях безопасности следует поставить защитный экран из оргстекла.

Если определяется температура плавления известного вещества, то при прохождении измеренной и табличной констант более, чем на 3оС, следует повторить очистку вещества.

Если необходимо идентифицировать неизвестное вещество, то для подтверждения его идентичности следует сделать пробу смешения с заведомо известным образцом предполагаемого соединения.

Для приготовления смешанной пробы на часовом стекле тщательно растирают равные количества двух веществ и определяют температуру плавления, как описано выше. Если смешанная проба состоит из двух разных веществ, ее температура плавления будет ниже температуры плавления более низкоплавкого компонента (так называемая депрессия температуры плавления). Интервал температуры плавления растянут на 5-10оС.

Если смешанная проба состоит из образцов одного и того же соединения, депрессии температуры плавления не будет.

4.2. Разделение смеси веществ методом перегонки

Для перегонки следует собрать прибор, изображенный на рисунке 31. В зависимости от задания (температура кипения разделенных жидкостей до 120-140оС), используют водяной нисходящий холодильник Либиха или воздушный холодильник (температура кипения больше 140оС).

Прибор собирают на двух штативах, используя лапки и муфты. Колбу нагревают на бане или открытом пламени горелки. Холодильник обязательно закрепляют на штативе лапкой в средней его части под таким углом, чтобы он был естественным продолжением бокового отвода насадки Вюрца. Все шлифы прибора надо промазать до начала работы. После сбора прибора надо проверить его герметичность, слегка проворачивая все части, затем подают в холодильник воду. Обязательно надо использовать аллонж, который направит конденсацию в колбу-приемник и предотвратит его разбрызгивание. Вместо аллонжа, изображенного на рисунке 31, можно использовать аллонж с отводом для хлоркальциевой трубки.

Разделяемую смесь переливают в перегонную колбу через верхнее горло насадки Вюрца, используя коническую воронку и следя за тем, чтобы жидкость не напала в боковой отвод насадки. После этого помещают в смесь «кипятильники» вставляют термометр, подводят выбранный заранее нагреватель и включают газовую горелку.

Баню нагревают медленно, чтобы содержимое колбы тоже успевало прогреться. В процессе перегонки рекомендуется следить за температурой бани, поддерживая ее постоянной, чтобы заметить любые изменения в температуре кипения перегоняют смеси. Оптимальной считается скорость перегонки  30-40 капель в минуту.

Обязательно надо собрать предгон, т. е. первую фракцию, которая кипит ниже ожидаемой температуры кипения, затем собирают основную фракцию, имеющую близкую к постоянной температуре кипения (интервал колебания не должен превышать 3-5оС). О завершении перегонки первой фракции можно судить по замедлению скорости отгонки или полному ее прекращению.

После смены приемника процесс перегонки продолжают, повышая температуру бани и добиваясь вновь оптимальной скорости.

При этом сначала наблюдается резкое повышение показаний термометра, затем температура паров стабилизируется, что свидетельствует о том, что отгоняется второе вещество.

Перегонку ведут непрерывно, не допуская, чтобы содержимое колбы остыло. Если это произошло, перед возобновением перегонки следует добавить еще немного «кипятильников».

Ни в коем случае нельзя добавлять «кипятильники» в сильно перегретую жидкость во избежание бурного вскипания и выброса. Не рекомендуется перегонять вещество досуха.

Разбирают прибор, не дожидаясь его полного остывания во избежание заедания шлифов, снимают смазку со шлифов тампоном ваты, моют и сушат.

Этим методом можно не только разделить смесь жидкостей, но и очистить жидкое вещество, контролируя температуру кипения.

4.3. Возгонка (сублимация)

Этот метод используется для очистки некоторых органических веществ. Он может быть применен только для тех веществ, которые способны переходить из твердого состояния непосредственно (без плавления) в газообразное (фазовый переход первого рода). Этот процесс подчиняется общим законам испарения и происходит с поглощением теплоты. Обратный процесс – конденсация вещества из газообразного состояния непосредственно в твердое – называется десублимацией. Сублимации свойственны некоторые специфические особенности, так, испарение содержащейся в веществе влаги непосредственно из твердого состояния не вызывает деструкцию вещества и не приводит к изменению его структуры.

При этом методе получаются очень чистые вещества, но способностью возгоняться обладают сравнительно немного веществ. Среди них можно отметить йод, хлорид аммония, антрацен, нафталин, бензохинон.

Ход работы:

Для проведения возгонки используют прибор на рисунке 29а. В фарфоровую чашку помещают немного (лучше взвесить!) возгоняемого вещества, закрывают ее бумажным фильтром с множеством мелких отверстий и конической воронкой, по диаметру чуть больше самой чашки.

Чашку с веществом, помещенную на кольцо штатива, нагревают на очень слабом пламени горелки, не допуская перегревания. Отверстие воронки надо закрыть ватным тампоном, а на внешнюю поверхность воронки пласта влажные или матерчатые полоски, для более эффективной сублимации.

Пары возгоняемого вещества сублимируются на холодной поверхности воронки в виде чистых кристаллов, откуда их аккуратно собирают скальпелем или лопаточкой, определяют выход.

4.4. Очистка органического вещества перекристаллизацией.