2013

DESTYLACJA FRAKCYJNA I OZNACZANIE WSPÓŁCZYNNIKA

ZAŁAMANIA ŚWIATŁA

Destylacja frakcyjna

Niekiedy jednokrotna destylacja nie pozwala na całkowite rozdzielenie mieszaniny,

np. wtedy, gdy składniki mieszaniny mają podobną temperaturę wrzenia. Powstaje wtedy

kilka frakcji pośrednich, zawierających co najmniej dwa składniki. W takim przypadku

stosuje się rektyfikację czyli destylację z zastosowaniem kolumn destylacyjnych

(rektyfikacyjnych), w których zachodzi kilkanaście następujących po sobie procesów

destylacji. Proces ten nazywa się inaczej destylacją frakcyjną.

W czasie destylacji frakcyjnej pary cieczy podążają ku górze kolumny destylacyjnej,

ulegając w tym czasie częściowemu skropleniu. Utworzony kondensat spływa w dół

kolumny i spotyka się z dążącymi ku górze gorącymi parami. Następuje wymiana cieplna

pomiędzy dwiema fazami, a pary wzbogacają się w składnik bardziej lotny. W kolumnie

zachodzi więc wielokrotny proces parowania i skraplania. Najpierw następuje destylacja

składnika najbardziej lotnego. Po zakończeniu destylacji pierwszej frakcji, zbiera się nieco

frakcji mieszanej (jej ilość zależy od różnicy temperatur wrzenia i sprawności kolumny), a

następnie destyluje kolejna czysta frakcja. Aby uniknąć strat ciepła, dłuższe kolumny można

owinąć tkaniną szklaną.

Na Rys. 2 przedstawiono zestaw do zwykłej destylacji frakcyjnej, który od zestawu do

destylacji prostej odróżnia zamontowanie kolumny Vigreux (3) między kolbą destylacyjną

(1) a nasadką destylacyjną (4). Kolumnę Vigreux stanowi rura szklana z wgięciami

wykonanymi w ten sposób, że co drugie wgięcia na tym samym poziomie są skierowane w

dół pod kątem 45°. Ma to na celu zbieranie cieczy ze ścian i przeniesienie jej do środka

kolumny.

Po rozpoczęciu destylacji, dopływ ciepła reguluje się w ten sposób, żeby w ciągu

jednej sekundy do odbieralnika spływały 1-2 krople destylatu. W tych warunkach powinno się

uzyskać dość wydajne rozdestylowanie mieszaniny. Jeśli kolumna destylacyjna zdolna jest do

wyraźnego rozdestylowania mieszaniny na poszczególne frakcje, to po przedestylowaniu

frakcji nisko wrzącej destylacja ustaje. Wtedy zwiększa się powoli ogrzewanie, aż zacznie

destylować druga frakcja, czemu towarzyszy znaczny wzrost temperatury odczytanej na

termometrze. W przypadku mało sprawnej kolumny otrzymuje się stosunkowo znaczne ilości

frakcji pośrednich.

2013

Rys. 2 Zestaw do destylacji frakcyjnej (objaśnienia cyfr w tekście)

Oznaczenie współczynnika załamania światła (

T
D

n )

Wielkością fizykochemiczną charakterystyczną dla danej substancji ciekłej (w danej

temperaturze i przy określonej długości fali) jest współczynnik załamania światła (

T
D

n

).

Wielkość ta związana jest ze zjawiskiem załamania promienia świetlnego przy jego przejściu

między dwoma ośrodkami różniącymi się gęstością optyczną (Rys. 3).

Rys. 3 Zjawisko załamania promienia światła przy przejściu z ośrodka o mniejszej gęstości

optycznej do ośrodka o większej gęstości optycznej (Źródło:

http://www.fizykagimnazjum.cba.pl/wlasciwosci_swiatla.html

)

2013

Zgodnie z prawem Snelliusa jest on definiowany jako stosunek prędkości światła w

ośrodku optycznie rzadszym (V

1

) do prędkości światła w ośrodku optycznie gęstszym (V

2

).

2

sin

1

sin

2

V

1

V

n

α

α

=

=

, oznaczenia kątów

α

1

,

α

2

jak na rys. 3 i 4

Zasada pomiaru współczynnika załamania światła oparta jest na zjawisku całkowitego

wewnętrznego odbicia (Rys. 4). Może ono wystąpić w sytuacji przejścia promienia

ś

wietlnego z ośrodka o większej gęstości optycznej do ośrodka o mniejszej gęstości

optycznej. Wówczas kąt załamania jest większy od kąta padania, a dla określonego kąta

padania

α

2

zwanego kątem granicznym

(α

gr

)

kąt załamania

α

1

wynosi 90

o

(jak dla promienia

zaznaczonego na czerwono na rys. 4). Wówczas załamany promień światła jest równoległy

do granicy ośrodków, a wszystkie promienie padające na ośrodek optycznie rzadszy pod

kątem większym od

α

gr

ulegają całkowitemu wewnętrznemu odbiciu. Kąt ten jednoznacznie

określa wartość współczynnika n, ponieważ gdy

α

1

=90

o

C, sin

α

1

= 1, a wyżej wymieniony

wzór przyjmuje postać:

2

sin

1

n

α

=

Rys. 4 Zjawisko całkowitego wewnętrznego odbicia. (Źródło:

http://www.fotoporadnik.pl/calkowite-odbicie-wewnetrzne.html

)

2013

Pomiaru współczynnika załamania światła dokonuje się najczęściej w temperaturze

293 K (20

o

C) i przy długości fali 589 nm (D-długość fali światła sodowego). Na ćwiczeniach

wielkość tą mierzymy za pomocą refraktometru Abbego (Rys. 5). Jego główne elementy to

okular, pryzmaty: nakrywkowy i pomiarowy i pokrętła umożliwiające dokonanie

prawidłowego odczytu

Wiązka światła skierowana na pryzmat przechodzi do warstwy badanej cieczy

optycznie rzadszej i tutaj część promieni padających pod kątem większym od kąta

granicznego

α

gr

zostaje całkowicie odbita i nie oświetla skali, zaś część promieni padająca

pod kątem mniejszym od kąta granicznego oświetla skalę. W pewnej pozycji zwierciadła i

położenia pryzmatów w polu widzenia obiektywu będzie widoczne pole oświetlone i pole

ciemne. Promienie wpadające pod kątem granicznym będą stanowiły linię podziału tych pól;

przy odczycie linia ta powinna przebiegać przez środek widocznego krzyża. Odpowiednie

wyskalowanie refraktometru umożliwia bezpośredni odczyt się współczynnika załamania

ś

wiatła bez konieczności wyznaczania kąta granicznego.

Rys. 5 Refraktometr Abbego (objaśnienia cyfr w tekście)

Wykonanie pomiaru:

W czasie pomiarów okienko (1), które oświetla pryzmat nakrywkowy (2) powinno być

odsłonięte i skierowane w kierunku najbardziej intensywnego źródła światła.

2013

Kolejność wykonywanych czynności:

1.

Odchylić oprawę pryzmatu nakrywkowego (2) do oporu w górę.

2.

Oczyścić powierzchnię obu pryzmatów za pomocą ligniny zwilżonej etanolem (również

po każdorazowym pomiarze!!!!)

3.

Za pomocą pipetki przenieść na powierzchnię dolnego pryzmatu pomiarowego (3) kilka

kropel badanej cieczy tak, aby po zamknięciu pryzmatów cała powierzchnia pomiarowa

była pokryta cieczą.

4.

Opuścić pryzmat nakrywkowy i docisnąć do płaszczyzny pomiarowej.

5.

Za pomocą zwierciadła (4) oświetlić skalę w polu widzenia refraktometru.

Poprzez delikatny obrót pokrętła (5) uzyskać ostre, wyraźne, bezbarwne rozgraniczenie

ciemnego i jasnego tła w polu widzenia okularu (7). Ostrość widzenia można poprawić

poprzez delikatny obrót pokrętła znajdującego się w okularze.

Uwaga!! Jeżeli nie można uzyskać wyraźnej granicy pół jasnego i ciemnego oznacza

to, że ciecz w pryzmacie odparowała lub spłynęła. Należy ją ponownie nanieść na

pryzmat.

6.

Obrotem pokrętła (6) naprowadzić linię graniczną dokładnie na środek krzyża w

górnym okienku okularu (tak, aby uzyskać widok pokazany w górnej części Rys. 6).

7.

Dokonać odczytu wartości współczynnika załamania światła z górnej skali (Rys. 6).

Skala umożliwia podanie wyniku pomiaru z dokładnością do 4 miejsc po przecinku.

Rys. 6 Pole widzenia w okularze refraktometru

Cel ćwiczenia:

Celem ćwiczenia jest rozdzielenie mieszaniny dwóch związków metodą destylacji

frakcjonowanej oraz zidentyfikowanie tych związków na podstawie wyznaczonej podczas

2013

destylacji temperatury wrzenia oraz współczynnika załamania światła. W wariancie II

dodatkowo wyznacza się skład ilościowy otrzymanej do rozdzielenia mieszaniny.

Przebieg ćwiczenia:

Wariant II

1. Montaż aparatury

Do kolby destylacyjnej zawierającej roztwór, który będzie poddawany destylacji

frakcyjnej wrzucić kamyczki wrzenne i zmontować zestaw do destylacji frakcyjnej

zgodnie z Rys. 2. Umieścić kolbę destylacyjną (1) w koszu grzejnym (2), a następnie

nałożyć na nią kolumnę Vigreux (3). Kolumnę połączyć z chłodnicą (5) poprzez nasadkę

destylacyjną (4). Jako odbieralnik zastosować cylinder miarowy o pojemności 50 cm

3

.

Dolny króciec chłodnicy (5) powinien być połączony z kranem za pomocą węża

gumowego, a koniec węża odprowadzającego wodę z górnego króćca chłodnicy należy

umieścić w zlewie. Odkręcić delikatnie zawór w kranie i wyregulować przepływ wody.

Włożyć termometr (5) w nasadkę destylacyjną - zbiornik z rtęcią powinien znajdować się

odpowiedniej wysokości (patrz Rys. 2).

1.

Ustawić odpowiednią moc ogrzewania kosza grzejnego tak, aby szybkość destylacji

wynosiła około 2 krople na sekundę (ze względu na bezwładność cieplną zestawu,

równowaga zostanie osiągnięta po pewnym czasie). Taka szybkość destylacji powinna

być utrzymana do końca destylacji. Jeżeli szybkość destylacji maleje należy ostrożnie

zwiększyć moc ogrzewania.

2.

Zanotować temperaturę, w której wrze pierwsze 10 cm

3

cieczy i odlać zawartość cylindra

miarowego do małej kolbki. Nie przerywać destylacji. Zmierzyć współczynnik załamania

ś

wiatła pobranej próbki (jedna osoba dokonuje pomiaru, druga prowadzi destylację).

3.

Kontynuować destylację, notując temperaturę po każdych kolejnych odebranych

5 cm

3

destylatu aż do końca destylacji. Jej przebieg opisują poniższe punkty 5 i 6.

Notatki zachować do sporządzenia wykresu (Rys. 6)

4.

Gdy cały składnik niżej wrzący przedestyluje, temperatura zacznie spadać. Należy wtedy

odlać zawartość cylindra do osobnej kolby (ta frakcja zawiera ciecz niżej wrzącą) i

następnie ostrożnie zwiększyć ogrzewanie, tak, aby osiągnąć pożądaną szybkość

destylacji (ok. 2 krople na sekundę), którą należy prowadzić aż do względnego

ustabilizowania się temperatury. Po odebraniu ok. 10 cm

3

destylatu (objętość ta jest

zmienna i zależy od składu destylowanego roztworu i szybkości destylacji) przelać

2013

zawartość cylindra do osobnej kolby lub probówki (jest to frakcja pośrednia, która

zawiera oba składniki) i zmierzyć jej współczynnik załamania światła.

5.

Prowadzić destylację do momentu, kiedy w kolbie destylacyjnej pozostanie ok. 10 cm

3

cieczy (średnica powierzchni cieczy wynosi wtedy ok. 5 cm dla kolby okrągłodennej 250

cm

3

). Ostatnie 5 cm

3

destylatu pobrać do osobnego cylindra celem zmierzenia

współczynnika załamania światła wyżej wrzącej cieczy. Nie destylować do sucha!!

6.

Po ostygnięciu aparatury rozmontować ją i zmierzyć objętość pozostałości w kolbie

destylacyjnej (V

k

).

W sprawozdaniu:

1.

Sporządzić wykres zależności T = f(V).

2.

Na podstawie wykresu wyznaczyć objętości dwóch cieczy (V

A

i V

B

), które stanowiły

składniki roztworu otrzymanego do analizy. Sposób wyznaczania objętości z wykresu

przedstawia Rys. 7.

3.

Uzupełnić poniższą tabelę, dokonując identyfikacji składników destylowanej mieszaniny.

Wielkość fizyczna

Substancja A

(niżejwrząca)

Substancja B

(wyżejwrząca)

Frakcja

pośrednia

Objętość

końcowa

Temperatura

wrzenia [

o

]

zmierzona

---------------

---------------

Literaturowa

---------------

---------------

Współczynnik

załamania światła

zmierzony

---------------

Literaturowy

---------------

---------------

Objętość [cm

3

]

Zmierzona

---------------

---------------

---------------

Wyznaczona

---------------

---------------

Identyfikacja składników

mieszaniny otrzymanej do

destylacji

---------------

---------------

2013

Rys. 7 Przykładowy wykres zależności T=f(V)

T

A

- temperatura wrzenia składnika A

T

B

- temperatura wrzenia składnika B

V

A

- objętość składnika A

V

B

- objętość składnika B