ĆWICZENIE 1

DESTYLACJA DWUSKŁADNIKOWEJ MIESZANINY CIECZY: ACETON -WODA

ODCZYNNIKI

- aceton; bezwodny CoCl₂; woda destylowana

APARATURA

- kolba destylacyjna o pojemności 250 cm³; kolumna destylacyjna; chłodnica prosta; czasza grzejna; termometr; odbieralniki; probówki; kamyczki wrzenie

1. CEL ĆWICZENIA

Zapoznanie się z techniką destylacji, stosowaną aparaturą, śledzenie eksperymentu poprzez obserwacje zmian parametrów fizycznych oraz graficzne przedstawienie otrzymanych wyników.

2. WSTĘP TEORETYCZNY.

Synteza chemiczna przebiega bardzo często w roztworze. Dobór rozpuszczalnika do syntezy jest istotną częścią procesu. Optymalnym rozwiązaniem jest prowadzenie reakcji w warunkach jednej fazy (roztworu), czyli w układzie homogenicznym. Nakłada to warunek rozpuszczalności wszystkich substratów (i ewentualnie katalizatora) w jednym rozpuszczalniku. Innym istotnym kryterium doboru rozpuszczalnika jest temperatura, w której ma być prowadzona synteza. Przykładowo spośród dwóch rozpuszczalników: dimetyloformamid (DMF, 1) i dimetyloacetamid (DMA, 2) mają podobne właściwości (moment dipolowy), ale różne temperatury wrzenia (pod ciśnieniem atmosferycznym odpowiednio 153°C i 164°C). Gdy energia aktywacji syntezy wymaga temperatury powyżej 160°C, wówczas powinien zostać użyty DMA. Oba odczynniki są trudne do oczyszczenia, ponieważ ich temperatury wrzenia są wyższe niż ich temperatura rozkładu, ponadto oba są silnie higroskopijne i pozbycie się śladów wody wymaga użycia odczynnika reagującego z wodą. Dlatego oczyszczanie tych tych rozpuszczalników prowadzi się przez destylację pod zmniejszonym ciśnieniem (temperatura ich wrzenia jest wówczas niższa niż pod ciśnieniem atmosferycznym) i w obecności wodorku wapnia CaH₂, który reaguje energicznie z wodą.

W istocie wiele rozpuszczalników polarnych zawiera wodę, której można się pozbyć w procesie destylacji dodając do kolby destylacyjnej odpowiednie odczynniki, reagujące z wodą a nie reagujące z rozpuszczalnikiem. W przypadku rozpuszczalników chlorowanych, powszechnie używanych w syntezie chemicznej (chloroform CHCl₃ i dichlorometan CH₂Cl₂), które maja niskie temperatury wrzenia (odpowiednio 61°C i 40°C) są trwałe w temperaturze wrzenia, ale są światłoczułe (pod wpływem światła rozkładają się wydzielając przy tym chlorowodór HCl) i dlatego przed destylacją ogrzewa się je w temperaturze wrzenia z wodorkiem wapnia (proszę napisać równanie reakcji CaH₂ z HCl), a następnie destyluje się je znad wodorku wapnia. Podobnie postępuje się z tetrahydrofuranem (3); w tym przypadku do usunięcia wody używa się glinowodoru litu LiAlH₄ (proszę napisać równanie reakcji LiAlH₄ z H₂O.

Często do syntezy wymagane są rozpuszczalniki nie zawierające tlenu. Wówczas destylację prowadzi się w atmosferze gazu inertnego (azot lub argon) w obecności odczynnika reagującego z tlenem. Przykładowo toluen (4) destyluje się pod azotem w obecności metalicznego sodu, który w temperaturze wrzenia toluenu (111°C) jest ciekły (temperatura topnienia sodu wynosi (98°C).

Szczególnym przypadkiem, choć rzadkim w praktyce laboratoryjnej jest rozdział dwóch mieszających się z sobą cieczy (rozpuszczalników), różniących się znacznie temperaturą wrzenia. Wówczas można je rozdzielić poprzez prostą destylację, a gdy różnica temperatur wrzenia jest mała (częsty przypadek, spotykany w przemyśle rafineryjnym, gdzie rozdziela się mieszaniny węglowodorów z ropy naftowej) musi się stosować destylację frakcjonowaną.

1). Destylacja prosta

Rys. 1. Zestaw do destylacji prostej.

Za pomocą destylacji prostej (kolba destylacyjna, chłodnica prosta, odbieralnik) można rozdestylować mieszaninę składników, gdy różnica ich temperatur wrzenia jest większa niż 30^oC. Wymiary kolby powinny być tak dobrane, aby substancja przeznaczona do destylacji zajmowała od połowy do dwóch trzecich objętości kolby.

Do kolby napełnionej cieczą dodaje się kilka kawałków porowatej porcelany, zapewniając równomierne wrzenie cieczy (nie wolno wrzucać porcelanki do gorącej cieczy).

Dopóki nie rozpocznie się wrzenie ogrzewa się kolbę raczej intensywnie, a następnie dopływ ciepła reguluje się tak, aby destylat spływał z szybkością 1-2 kropli na sekundę.

Po dojściu cieczy do stanu wrzenia obserwuje się najpierw szybki wzrost temperatury, następnie w pobliżu temperatury wrzenia wzrost ten staje się powolny i temperatura ustala się. W tym momencie zaczyna się zbierać destylat do suchego odbieralnika. W regularnych odstępach czasu notuje się wskazania termometru. Czysta ciecz powinna przedestylować w wąskich granicach temperatury ( w przedziale 2-3^oC).

2). Destylacja frakcyjna

Jeśli temperatura wrzenia składników mieszaniny jest mniejsza niż 30^oC potrzebna jest dodatkowo kolumna destylacyjna (deflegmator). Jest to pionowa rura, poprzez którą pary podążają ku górze ulegając w tym czasie częściowemu skropleniu i są zawracane do kolby. Wewnątrz kolumny następuje bezpośrednie zetkniecie się zawracanej cieczy z dążącymi ku górze parami. W wyniku wymiany cieplnej pomiędzy dwiema fazami dążącymi do stanu równowagi, pary zostają wzbogacone w bardziej lotny składnik kosztem fazy ciekłej. Dopływ ciepła reguluje się tak, aby w ciągu 2-3 sekund spływała 1 kropla destylatu.

Równowaga ciecz-para

W układach wieloskładnikowych prężności par poszczególnych składników są określone przez prawo Roulta; ciśnienie (prężność pary) składnika mieszaniny nad roztworem wieloskładnikowym jest proporcjonalne do ułamka molowego tego składnika w roztworze

p_Ax = p_Ax_A

p_Ax = ciśnienie pary (ciśnienie cząstkowe) składnika A nad roztworem

p_A = ciśnienie pary składnika A nad czystą cieczą

x_A = ułamek molowy składnika A w roztworze

Równowagi ciecz-para można również przedstawić w postaci izobar (układ współrzędnych skład - temperatura)

Z rysunku można odczytać temperaturę wrzenia roztworu o dowolnym składzie i odpowiadający mu skład fazy gazowej (pary), tj. roztwór o składzie x₁ wrze w temperaturze T₁, para nad roztworem jest bogatsza od cieczy w składnik bardziej lotny (tzn. o niższej temperaturze wrzenia) i ma skład wyrażony punktem x₂.

Temperatura wrzenia - temperatura, w której ciśnienie pary nasyconej równa się ciśnieniu zewnętrznemu.

Parowanie - przechodzenie substancji ze stanu ciekłego w stan gazowy (parę). Zachodzi w całym przedziale temperatur, w którym współistnieją faza ciekła i gazowa.

Wrzenie - gwałtowne przechodzenie cieczy w stan gazowy, podczas którego ciecz paruje w całej swej objętości. Zachodzi w określonej dla danej substancji stałej temperaturze (zależnej od ciśnienia), zwanej temperaturą wrzenia.

Skraplanie - przechodzenie substancji ze stanu gazowego w stan ciekły.

3. WYKONANIE ĆWICZENIA

1. Zmontować zestaw do destylacji.

2. Wlać do kolby otrzymaną mieszaninę wody i acetonu o nieznanej zawartości poszczególnych składników.

3. Wrzucić kilka kawałków porcelanki i rozpocząć powolne ogrzewanie (notować czas, temperaturę oraz odpowiadającą jej objętość oddestylowanej cieczy).

4. Zbierać pierwszą frakcję od temp. pokojowej do rozpoczęcia destylacji acetonu (tzw. przedgon).

5. Frakcję drugą aceton zbieramy w stałej temperaturze ±0,5^oC do drugiego odbieralnika.

6. Frakcję pośrednią zbierać do trzeciego odbieralnika.

7. Gdy temperatura ponownie ustali się zbierać destylat do czwartego odbieralnika pamiętając przy tym, że nie destyluje się do końca (w kolbie destylacyjnej powinno pozostać ok. 10-15 ml cieczy).

Wyniki zanotować w tabeli.

Frakcja	Czas [min]	Objętość frakcji [cm^3]	Zakres temperatur [^oC]
I od temp. pokoj. do rozpoczęcia destylacji acetonu (tzw. przedgon)
II aceton - w stałej temp. ±0,5^oC
III frakcja pośrednia do rozpoczęcia destylacji wody (ok. 98^oC)
IV woda

8. Po zakończeniu destylacji przygotować w siedmiu probówkach:

a). mieszaninę wody i acetonu (1:1)

b). wodę

c). aceton

d). pierwszą frakcję

e). drugą frakcję

f). trzecią frakcję

g). czwartą frakcję

9. Do każdej z probówek wrzucić szczyptę bezwodnego chlorku kobaltu (zanotować barwy powstałych roztworów).

IV. OPRACOWANIE WYNIKÓW

Wyniki opracować zgodnie ze wzorem sprawozdania i wytycznymi prowadzącego.

Literatura

1. Artur I. Vogel, Preparatyka organiczna, WNT ,Warszawa 1984.

2. I. Baryłka, K. Skudlarski, Podstawy chemii, PWN, Warszawa 1981.

1

---