Простая перегонка при атмосферном давлении

В тех случаях, когда перегоняемое вещество достаточно устойчиво к нагреванию и практически не разлагается при температуре кипения, для очистки пользуются простой перегонкой 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 составляет не менее 80 ^oС. Простая перегонка удобна для очистки веществ от нелетучих или трудно летучих примесей.

Обычно этот способ перегонки целесообразно применять для жидкостей с температурой кипения от 40 до 150 ^оС, так как выше 150 ^оС многие вещества заметно разлагаются, а жидкости с температурой кипения ниже 40 ^оС перегоняются со значительными потерями. Часто при перегонке температура кипящей жидкости вследствие перегрева несколько выше, чем температура пара. Перегревы, возникающие при отсутствии центров кипения в перегоняемой жидкости, приводят к сильным толчкам, в результате которых вещество вместе с примесями и загрязнениями может быть переброшено в приемник. Существуют различные способы предотвращения или ослабления толчков при кипении. Чаще всего в колбу с жидкостью, подвергаемой перегонке, вносят так называемые «кипелки».

Традиционная установка для простой перегонки при атмосферном давлении изображена на рис. 7. Установка состоит из перегонной колбы, насадки Вюрца, снабженной термометром (вместо колбы с насадкой можно использовать колбу с отводной трубкой - колбу Вюрца), водяного холодильника, аллонжа и приемной колбы.

При сборке установки следует руководствоваться следующими правилами.

1. Перегонную колбу выбирают с таким расчетом, чтобы перегоняемая жидкость занимала не менее 1/2 и не более 2/3 ее объема.

Рисунок 7 - Установка для простой перегонки:

1 – плитка; 2 - жидкостная баня; 3 - перегонная колба (колба Вюрца);

4 - термометр; 5 - водяной холодильник; 6 - аллонж; 7 - приемник

 

2. Температура паров перегоняемого вещества измеряется перед отводной трубкой, но не над самой поверхностью жидкости. Шарик термометра должен полностью омываться парами, для чего его располагают на 0,5-1 см ниже отверстия отводной трубки.

3. Холодильники с водяным охлаждением применяют для перегонки жидкостей, кипящих при температуре не выше 150 ^оС. Более высококипящие вещества перегоняются с использованием воздушных холодильников.

4. При необходимости предохранять перегоняемый продукт от влаги воздуха к отводу аллонжа присоединяют хлоркальциевую трубку. Если приемник присоединяется к аллонжу с помощью шлифа или пробки, затыкать отвод аллонжа нельзя - прибор обязательно должен иметь сообщение с атмосферой.

5. Установку закрепляют на штативах таким образом, чтобы при необходимости прекратить перегонку можно было опустить обогревающую баню, не поднимая всей установки.

Следует также позаботиться о том, чтобы во время перегонки можно было быстро заменить приемник, не разбирая установки. Для этого приемник должен стоять на специальной подставке или на подъемном столике, а не на поверхности рабочего стола.

После сборки установки проверяют еще раз надежность ее крепления, вынимают термометр, вставляют воронку, хвостик которой находится несколько ниже отводной трубки, и заливают в колбу через воронку перегоняемую жидкость. Далее в колбу бросают несколько «кипелок» - маленьких осколков фарфоровой посуды, кусочков кирпича или гранул цеолита. В качестве «кипелок» можно использовать также несколько запаянных с одного конца капилляров, длина которых должна быть приблизительно равна диаметру колбы. Капилляры помещают в перегонный сосуд открытым концом вниз. При нагревании жидкости «кипелки» выделяют пузырьки воздуха, которые являются центрами кипения и обеспечивают равномерное кипение без толчков и местных перегревов. Иногда при длительной перегонке «кипелки» перестают действовать. Добавлять свежие «кипелки» в кипящую жидкость нельзя. Нужно сперва убрать источник нагрева и подождать, пока жидкость в колбе охладится на несколько градусов ниже температуры ее кипения. После добавления свежих «кипелок» можно возобновить нагревание и продолжать перегонку. Добавление «кипелок» к кипящей жидкости неизбежно приведет к бурному ее вскипанию и выбросу из колбы.

Нагрев бани начинают лишь после того, как в рубашку холодильника будет пущена вода. Рабочая температура бани должна превышать температуру кипения отгоняемой жидкости примерно на 20-30 ^оС. Эта разница может быть немного больше или меньше в зависимости от желаемой скорости перегонки, летучести перегоняемой жидкости, высоты подъема ее паров и других факторов. При соблюдении указанной разности температур, во-первых, уменьшается возможность перегрева жидкости и достигается более равномерное ее кипение, а во-вторых, даже если момент окончания перегонки будет упущен, оставшиеся в колбе примеси или более высококипящий компонент не будет отгоняться, поскольку температура их кипения окажется выше температуры бани.

При необходимости быстрого понижения температуры бани, например для уменьшения интенсивности кипения, если оно стало слишком бурным, в баню (но не в колбу) добавляют немного холодного теплоносителя - воды, масла, глицерина. Быстро уменьшить обогрев колбы можно также, слегка опустив баню.

Скорость отгонки жидкости в случае простой перегонки не имеет решающего значения. Ограничение скорости перегонки обусловлено производительностью холодильника, в котором должны успевать полностью сконденсироваться поступающие пары жидкости. Внимательного наблюдения за состоянием холодильника вполне достаточно, чтобы убедиться в исправном его действии. В сомнительных случаях можно потрогать форштосс - во время перегонки он должен оставаться холодным. Если же форштосс и аллонж нагреваются, значит, холодильник не справляется со всей массой паров и интенсивность кипения нужно уменьшить.

Второе ограничение скорости простой перегонки связано с возможностью уноса вместе с парами мелких брызг жидкости, неизбежно образующихся при интенсивном кипении. В большинстве случаев уноса брызг удается избежать при достаточно высоком расположении отводной трубки, имеющей форму колена с небольшой восходящей частью, или при использовании насадки Кляйзена. Для предотвращения преждевременной конденсации паров горло колбы и часть насадки ниже отводной трубки в случае перегонки высококипящих жидкостей изолируют с помощью асбестового шнура. При перегонке жидкостей, склонных к образованию брызг, применяют специальные насадки с каплеуловителями различных конструкций. Очень хорошо защищает от разбрызгивания жидкости рыхлый кусок стеклянной ваты, укрепленный стеклянной нитью в горле колбы перед отводной трубкой.

Нельзя отгонять жидкость из перегонной колбы досуха. Перегонку следует прекращать, когда в колбе еще остается небольшое количество жидкости. Обычно в конце перегонки количество образующихся в единицу времени паров уменьшается, в связи с чем температура, показываемая термометром, может падать. Не следует при этом, как иногда делают неопытные работники, повышать температуру обогревающей бани.

 

 

Перегонка с водяным паром

К перегонке с водяным паром прибегают при необходимости очистки или выделения из реакционной смеси нерастворимых или труднорастворимых в воде высококипящих органических соединений. Преимущества этого метода перед обычной перегонкой или перекристаллизацией особенно ярко проявляются в тех случаях, когда очищаемый продукт загрязнен большим количеством смолистых примесей или разлагается при температуре кипения даже под вакуумом. Этот способ позволяет проводить перегонку вещества при температуре более низкой, чем та, при которой они кипят.

Кипение начинается, когда сумма парциальных давлений насыщенного пара будет равна внешнему давлению. Следовательно, согласно закону Дальтона, суммарное давление пара Р является суммой парциальных давлений паров перегоняемого вещества А и воды В: Р = Р_А + Р_В. Таким образом, эта смесь перегоняется при более низкой температуре, чем чистая вода. В дистилляте будут одновременно пары воды и перегоняемого вещества.

Простейшая установка для перегонки с водяным паром изображена на рис. 8. При ее сборке следует руководствоваться следующими рекомендациями.

1. Трубка для водяного пара должна доходить почти до дна перегонной колбы. Весьма желательно, чтобы трубка оканчивалась небольшим утолщением со множеством мелких отверстий - барботером. При использовании обычной трубки без барботера пар проходит через жидкость крупными пузырями и не успевает полностью насыщаться парами перегоняемого вещества. Расход пара оказывается неоправданно большим, а скорость перегонки весьма невысокой. В приемнике собирается много лишней воды.

2. Чтобы брызги перегоняемой жидкости не попадали с паром в отводную трубку, выбирают круглодонную длинногорлую колбу и устанавливают ее с небольшим наклоном к парообразователю. Перегоняемый раствор должен занимать не более 1/3 объема колбы.

3. При отсутствии центральной паровой линии водяной пар получают в металлическом парообразователе («паровике»), снабженном водомерным стеклом и предохранительной трубкой. Последняя должна быть плотно вставлена в горло «паровика» на резиновой пробке и доходить почти до его дна. Длина предохранительной трубки должна быть не менее 70-80 см. Трубка играет роль предохранительного клапана. При повышении давления в системе (например, если в холодильнике образовалась «пробка» твердого продукта) вода из паровика выбрасывается через трубку. Работать без предохранительной трубки категорически запрещается.

Рисунок 8 – Установка для перегонки с водяным паром:

1 – плитка; 2 – предохранительная трубка; 3 – парообразователь;

4 – тройник; 5 – винтовой зажим; 6 – трубка, по которой поступает пар;

7 – перегонная колба; 8 – водяная баня; 9 – пароотводная трубка;

10 – холодильник; 11 – аллонж; 12 – приемник

 

4. Пар из центральной паровой линии или полученный в паровике всегда несет с собой некоторое количество воды, которую перед введением пара в колбу следует отделить. Для этой цели в резиновый шланг непосредственно перед барботером вставляют стеклянный тройник, снабженный винтовым зажимом, с помощью которого периодически спускают накопившийся конденсат.

5. Скорость подачи пара, а значит, и скорость перегонки, ограничивается в основном мощностью холодильника. Если перегонке подвергают твердое вещество, которое может застыть при охлаждении, предпочтительнее применять холодильники Либиха с прямой широкой внутренней трубкой. Иногда для обеспечения высокой скорости перегонки приходится соединять последовательно несколько холодильников. Применение аллонжа в таких случаях необязательно. Приемники, в качестве которых могут служить обычные химические стаканы или широкогорлые колбы, подставляются прямо под форштосс холодильника. По мере накопления в холодильнике застывшего продукта следует периодически прекращать подачу охлаждающей воды, не допуская образования плотной пробки. Как только вещество расплавится, охлаждение немедленно возобновляют. Для соединений, имеющих температуру плавления выше 100 ^оС, этот прием может оказаться малоэффективным. В таких случаях целесообразно использовать установку с холодильником Либиха, имеющим широкую внутреннюю трубку. Вертикальное расположение холодильника позволяет при необходимости проталкивать застывший продукт стеклянной палочкой или проволокой. Если продукт, плавящийся выше 100 ^оС, хорошо отгоняется с водяным паром и приемник не приходится менять слишком часто, конденсацию паров удобно производить в охлаждаемой двухгорлой колбе, как и в приборе для простой перегонки твердых веществ. В некоторых случаях такая конструкция установки единственно приемлемая.

При перегонке с паром жидкостей следует использовать шариковые, змеевиковые и другие эффективные холодильники.

6. Во время сборки установки следует иметь в виду, что при большом расходе пара внутри перегонной колбы создается некоторое избыточное давление. Поэтому если установку собирают на резиновых пробках, они должны быть вставлены достаточно плотно. В случае применения нормальных конусных шлифов их обязательно уплотняют тугими пружинками. Отводная трубка перегонной колбы и внутренняя трубка холодильника должны иметь диаметр по крайней мере не меньше, чем у трубки для подвода пара.

Прежде чем подавать пар в перегонную колбу, смесь воды и перегоняемого вещества в ней нагревают почти до температуры кипения, иначе за счет конденсации пара в колбе соберется очень много жидкости, что затруднит перегонку. В процессе перегонки, если это необходимо, перегонную колбу не прекращают нагревать, причем интенсивность нагревания регулируют таким образом, чтобы объем жидкости в колбе оставался на начальном уровне (примерно 1/3 объема колбы).

Перегонку считают законченной лишь после того, как из холодильника начнет вытекать чистая вода. Если заранее известна растворимость перегоняемого вещества в воде, то в отдельном приемнике собирают определенную порцию чистого водяного отгона.

Прекращение перегонки и разбор установки обязательно начинают с того, что открывают зажим или трехходовой кран для соединения паровой линии с атмосферой. Если этого не сделать, массу из перегонной колбы может засосать в паропроводящую трубку.

Если с паром перегонялась жидкость, то она собирается под или над водным слоем. Ее отделяют от воды в делительной воронке и в зависимости от природы вещества подвергают дальнейшей обработке. Кристаллические вещества отделяют от воды фильтрованием.

Иногда целевой продукт экстрагируют из водного раствора подходящим растворителем.