Destylacja z parą wodną.

Destylacja układu dwóch nie mieszających się wzajemnie cieczy. Destylacja z parą jest jedną z metod wyodrębniania i oczyszczania związków chemicznych. Znajduje ona zastosowanie w przypadku cieczy bądź całkowicie niemieszających się ze sobą, bądź też mieszających się jedynie w bardzo ograniczonym zakresie. W przedstawionym poniżej rozumowaniu przyjmuje się założenie całkowitej wzajemnej nie mieszalności cieczy. Nasycone pary takich cieczy stosują się do prawa ciśnień cząstkowych Daltona , które stwierdza, że przy zmieszaniu ze sobą w stałej temperaturze dwóch lub więcej substancji gazowych (par, gazów) nie reagujących ze sobą, każda z tych substancji wywiera takie ciśnienie, jak gdyby tylko ona znajdowała się w danej przestrzeni; suma tych ciśnień cząstkowych jest równa ogólnemu ciśnieniu wywieranemu przez rozpatrywany układ. Prawo to można wyrazić wzorem

P = p1 + p2 + ... + pn

gdzie: P - ciśnienie sumaryczne, zaś p1, p2 ,pn. - cząstkowe ciśnienia składników. Gdy podda się destylacji układ złożony z dwóch niemieszających się ze sobą cieczy, temperatura wrzenia będzie określona przez temperaturę, w której suma prężności par obydwóch składników zrówna się z ciśnieniem atmosferycznym. Temperatura ta będzie niższa od temperatury wrzenia bardziej lotnego składnika. Gdy jedną z rozważanych cieczy jest woda, destylacja z parą wodną pod ciśnieniem atmosferycznym pozwala na wyodrębnienie składnika o wyższej temperaturze wrzenia w temperaturze poniżej 100°C; jest to szczególnie ważne w przypadku wyodrębniania substancji ulegających rozkładowi w pobliżu swojej temperatury wrzenia. Proces ten jest wykorzystywany i w przypadku oddzielania substancji od związków nielotnych lub od niepożądanych związków żywicowatych, smolistych. Wrzenie układu cieczy niemieszających się ze sobą przebiega w stałej temperaturze aż do momentu całkowitego usunięcia z mieszaniny jednego ze składników (ponieważ sumaryczne ciśnienie par jest niezależne od wzajemnego ilościowego stosunku dwóch cieczy). Następnie temperatura wrzenia wzrasta, osiągając wartość temperatury wrzenia drugiego, pozostałego w kolbie destylacyjnej składnika. W fazie gazowej nad mieszaniną ciekłą zawarte są obydwa składniki w stosunku objętościowym odpowiadającym stosunkowi ciśnień cząstkowych tych składników. Skład fazy gazowej można łatwo obliczyć: zakładając, że do rozważanego układu stosują się prawa gazowe gazów doskonałych, ilość cząsteczek każdego ze składników w fazie gazowej jest proporcjonalna do ciśnienia cząstkowego tego składnika, tzn. do prężności par nad tym składnikiem w stanie czystym w danej temperaturze. Gdy przez pA i pB oznaczy się prężności par nad dwoma czystymi substancjami A i B w temperaturze wrzenia mieszaniny tych substancji, wówczas ciśnienie sumaryczne P określone jest równaniem:

P = pA + pB

a skład fazy gazowej:

nA / nB= p A /pB

gdzie: nA i nB- ilość moli substancji A i B w określonej objętości fazy gazowej. Równocześnie nA=wA /MA i nB = wB /MB, gdzie w jest ciężarem odpowiedniego składnika w danej objętości fazy gazowej, zaś M - jego ciężarem cząsteczkowym. Tak więc:

w_A/w_B=M_A n_A /M_B n_B= M_A p_A/ M_B p_B

Stosunek wagowy obydwu składników w fazie gazowej jest równy ich stosunkowi wagowemu w destylacie. Oznacza to, że stosunek ciężarów obydwu składników zawartych w odbieralniku destylatu jest wprost proporcjonalny do stosunku iloczynu ich ciężarów cząsteczkowych i cząstkowych ciśnień par. Z równania wynika bardzo ważna zależność, obowiązująca w procesie destylacji z parą: im mniejszy jest iloczyn MA pA, tym większa jest wartość wB. Woda ma mały ciężar cząsteczkowy i stosunkowo niewysokie ciśnienie par, tak więc iloczyn MA pA dla wody jest niewielki. Destylacja z parą wodną jest, więc opłacalną ekonomicznie w skali technicznej metodą wyodrębniania substancji o dużym ciężarze cząsteczkowym, nawet jeśli ich ciśnienie par jest niskie.

Technika destylacji z parą wodną

Destylacja z parą wodną służy do oddzielania i oczyszczania związków organicznych. W zasadzie operacja ta polega na przeprowadzeniu w stan pary substancji nierozpuszczalnej lub słabo rozpuszczalnej w wodzie za pomocą strumienia pary wodnej przepuszczanej przez mieszaninę tej substancji z wodą. Jeśli substancja ma wystarczającą prężność pary (przy najmniej 5-10 mmHg w temp. 100°C), to destyluje ona z parą wodną i może być łatwo wydzielona, gdyż nie miesza się z wodą. Destylacja z parą wodną zachodzi w temperaturze niższej od temperatury wrzenia wody a więc w wielu przypadkach znacznie poniżej temperatury wrzenia substancji organicznej. Umożliwia to oczyszczanie wielu wysoko wrzących substancji przez destylację w stosunkowo niskiej temperaturze; jest to szczególnie cenne, gdy związek organiczny rozkłada się w czasie destylacji pod ciśnieniem atmosferycznym. Destylacja z parą wodną ma też duże znaczenie jako sposób oddzielania pożądanego związku organicznego w następujących przypadkach:

1. oddzielanie od powstających w wielu reakcjach nielotnych, smolistych  

    produktów ubocznych,

2. wydzielanie z wodnych roztworów soli nieorganicznych,

3. w przypadkach gdy inne sposoby rozdzielania zawodzą (np. bezpośrednia  

    ekstrakcja eterem aniliny otrzymanej przez redukcję nitrobenzenu cyną itd. 

     prowadzi na skutek obecności cyny i środowiska alkalicznego do powstania 

     trudnych do rozdzielenia emulsji),

4. oddzielanie od związków nielotnych z parą wodną (np. o-nitrofenolu od      

     p-nitrofenolu),

5. oddzielanie od niektórych produktów ubocznych lotnych z parą wodną

     (np. dwufenylu i nadmiaru substratów od nielotnego trójfenylokarbinolu,

Destylacja z parą wodną (zestaw)

Prosty zestaw aparatury do destylacji z parą wodną przedstawiono na rysunku. Para wodna wywiązująca się w kociołku A zaopatrzonym w długą szklaną rurkę bezpieczeństwa, zanurzoną głęboko poniżej powierzchni wody, przechodzi do kolby kulistej B za pośrednictwem rurki zgiętej w sposób przedstawiony na rysunku. Kolba do destylacji z parą wodną ustawiona jest pod pewnym kątem tak, aby zapobiec przedostaniu się roztworu z kolby B do rurki wylotowej, a tym samym mechanicznemu przerzuceniu cieczy do chłodnicy. Kolba połączona jest z chłodnicą Liebiga za pomocą stosunkowo szerokiej rurki (5—8 mm średnicy), której koniec znajduje się bezpośrednio poniżej korka zamykającego kolbę. Destylat zbiera się w kolbie D; przedłużacz szklany E ułatwia zbieranie destylatu, można go w razie potrzeby usunąć. Kolbę B ogrzewa się na płytce metalowej wspartej na trójnogu lub najczęściej na czaszy grzejnej. Jeśli laboratorium wyposażone jest w centralnie rozprowadzaną parę, to zamiast kociołka włącza się urządzenie przedstawione na rysunku b lub c; służy ono do usuwania obcych substancji oraz wody zawartej w parze; od czasu do czasu otwiera się ściskacz i wypuszcza nagromadzoną wodę do zlewu. Roztwór (mieszaninę lub związek stały z niewielką ilością wody) umieszcza się w kolbie B, a następnie łączy z nią resztę zestawu. Następnie przepuszcza się parę przez kolbę B podgrzewaną małym płomykiem, w celu zapobieżenia zbyt szybkiemu gromadzeniu się wody, w takim tempie, aby w chłodnicy C następowało całkowite jej skroplenie. Parę przepuszcza się do chwili, gdy w destylacie przestaje pojawiać się substancja nierozpuszczalna w wodzie. Jeżeli destylująca z parą wodną substancja krystalizuje w chłodnicy i wykazuje tendencję do zatykania jej, to na kilka minut usuwa się wodę z chłodnicy tak, aby osad stopił się i został przeniesiony przez parę do odbieralnika.

Zamiast kociołka można użyć kolby (poj. l l lub większej) zaopatrzonej w korek z dwoma otworami; w jednym z nich tkwi rurka bezpieczeństwa, a w drugim rurka zgięta pod kątem prostym. Do tego celu może też służyć duża kolba destylacyjna.

Zmodyfikowane urządzenia do destylacji z parą wodną

Nieraz dogodnie jest destylować z parą wodną z tej samej kolby, w której wykonana była reakcja, co pozwala uniknąć strat przy przenoszeniu roztworu do innego naczynia i stanowi pewną oszczędność czasu. Dwa rodzaje odpowiednich urządzeń przedstawiono na rysunku 1 i 2; pierwsze dla kolby kulistej z trzema szyjami, drugie dla kolby z krótką, szeroką szyją.

 

Czynności w skali półmikro

Prosty zestaw aparatury do destylacji z parą wodną przedstawiono na rysnku

Kolba 1 przystosowana do destylacji z parą wodną, zaopatrzona jest w nasadkę zwaną łapaczem kropel 2, zapobiegającą przerzucaniu zawartości kolby 1 do odbieralnika. Roztwór (mieszaninę lub związek stały) z niewielką ilością wody umieszcza się w kolbie 1, a następnie łączy z nią resztę zestawu. Następnie przepuszcza się parę przez kolbę 1, podgrzewaną małym płomieniem w celu uniknięcia zbyt szybkiego nagromadzenia się w kolbie wody. Jeżeli destylująca z parą wodną substancja krystalizuje w chłodnicy i wykazuje tendencję do zatykania jej, to na kilka minut usuwa się wodę z chłodnicy tak, aby osad stopił się i został przeniesiony przez parę do odbieralnika.

Wodę do gorącej chłodnicy należy włączać z powrotem bardzo ostrożnie. Jeżeli destylację z parą wodną przeprowadza się szybko, to lepiej użyć chłodnicy z podwójnym płaszczem chłodzącym; w razie potrzeby można zastosować dwie takie chłodnice połączone w szereg, gdyż w większości przypadków najlepsze wyniki destylacji z parą wodną uzyskuje się wtedy, gdy proces ten prowadzi się szybko. Parę przepuszcza się do czasu, gdy w destylacie przestaje pojawiać się substancja nierozpuszczalna w wodzie. Aby przerwać destylację, wyłącza się doprowadzenie pary do aparatury i gasi palnik pod kolbą 1. Sposób wyodrębnienia substancji organicznej z destylatu zależy od jej stanu skupienia i od jej rozpuszczalności w wodzie. Na przykład nierozpuszczalny w wodzie związek stały oddziela się przez odsączenie; ciecze oraz osady rozpuszczalne w wodzie wyodrębnia się za pomocą prostej lub ciągłej ekstrakcji rozpuszczalnikiem.

 Zwartą aparaturę do destylacji z parą wodną małych ilości substancji przedstawiono na rys. a i b aparatura składa się z pyreksowej kolby Kjeldahla poj. 100 ml; w razie potrzeby można użyć kolby pój. 50 ml i zmniejszyć proporcjonalnie pozostałe wymiary. Boczna rurka 5 zamknięta jest kawałkiem węża ze ściskaczem śrubowym. Rurkę 5 można zastąpić zwykłą wąską rurką szklaną (o średnicy zewn. 3—4 mm), przechodzącą przez korek kolby Kjeldahla, co pozwala na użycie kolby niezmodyfikowanej. Substancję poddawaną destylacji umieszcza się w rurce 1, a do naczynia 2 wlewa się wodę. Po ogrzaniu wody do wrzenia para przechodzi przez rurkę 3 i wraz z substancją przechodzi do rurki 4, połączonej z chłodnicą i odpowiednim odbieralnikiem, w którym zbiera się destylat. Rozszerzenie górnej części rurki 3 zabezpiecza przed przerzuceniem jak również przed przeciągnięciem cieczy z rurki 1 do naczynia 2; można temu przeciwdziałać również przez otworzenie ściskacza na rurce 5. Uwaga, (l) W przypadku związku nierozpuszczalnego w wodzie destylację prowadzi się do czasu, gdy zaczyna się zbierać destylat przezroczysty.

Zestawy do destylacji z parą wodną małych ilości substancji;

     a) model zwykły:

 

1-rurka z destylowaną substancją ,

2-naczynie z wodą ,

3-rurka doprowadzająca parę

4-rurka odprowadzająca pary do chłodnicy,

5-rurka boczna;

     b) model z połączeniami szlifowymi

1- rurka doprowadzająca parę wodną

2- łapacz kropel

3- rurka doprowadzająca parę wodną do związku, który zmierzamy destylować

4- związek, który zamierzamy przedestylować z parą

5- woda destylowana najczęściej