Лекция: Перегонка с водяным паром веществ, образующих с водой азеотропные смеси.

Перегонка с водяным паром веществ, не смешивающихся или ограниченно смешивающихся с водой.

Жидкости, не смешиваю­щиеся друг с другом, образуют два слоя. При нагревании смеси таких жидкостей давление пара каждой жидкости будет таким же, как и давление пара ее в чистом виде, независимо от нали­чия другой жидкости. Каждая жидкость в смеси будет вести себя так, как будто отсутствует другая жидкость. Общее давление пара смеси Р таких жидкостей будет равно сумме парциальных давлений паров обоих компонентов р1 и р2 при данной темпера­туре. Смесь начнет кипеть тогда, когда при данной температуре сумма давлений насыщенных паров обоих ее компонентов ста­нет равной внешнему (атмосферному) давлению. Например, при перегонке хлороформа с водяным паром жидкость начинает кипеть при температура 56°С, ниже чем температура кипения хлороформа — 61,2°С и воды -100°С в отдельности.

После перегонки с водяным паром жидкостей, не смешиваю­щихся с водой, получаются дистилляты, которые разделяются на два слоя (водный слой и слой перегнанной жидкости). Одна­ко в ряде случаев после перегонки с водяным паром дистилляты не разделяются на два слоя. Это имеет место тогда, когда при перегонке образуются азеотропные смеси.

Перегонка с водяным паром веществ, образующих с водой азеотропные смеси.

Азеотропными называются такие смеси, у которых пар, находящийся в равновесии с жидкостью, в дан­ных условиях обладает тем же составом, что и сама жидкая смесь. Состав азеотропной смеси совпадает с составом пара, находящегося с ней в равновесии. Поэтому азеотропные смеси перегоняются при постоянной пониженной температуре чем в отдельноти, а следователь­но, они не могут быть разделены перегонкой в данных условиях. Азеотропные смеси также называются постоянно кипящими или нераздельно кипящими смесями. Например, спирт амиловый имеет Т.кип. 137.8°С, азеотропная смесь с водяным паром начинает кипеть при 95.8°С.

Состав азеотропных смесей, которые образуются при перегонке некоторых токсикологически важных соединений с водяным паром, приведен в табл. 6.1.

Азеотропные смеси могут образовываться не только при пере­гонке не смешивающихся или ограниченно смешивающихся с водой жидкостей. В состав азеотропных смесей вместо воды могут входить другие жидкости. Состав, температура кипения некоторых таких жидкостей и их азеотропов приводятся в табл. 6.2.

Таблица 6.1

Двухкомпонентные азеотропные смеси, содержащие воду (первый компонент) и соответствующее вещество (второй компонент)

Таблица 6.2

Азеотропные смеси, образующиеся при перегонке двух органических растворителей, не содержащих воду

Образование азеотропных смесей значительно затрудняет разделение токсических веществ на компоненты путем простой или фракционной перегонки. Этими методами азеотропные смеси разделить не­возможно. Разделение азеотропных смесей можно улучшить путем перегонки при пониженном или повышенном давлении. Это можно показать на примере перегонки спирта этилового с водя­ным паром. В процессе этой перегонки при атмосферном давле­нии образуется азеотропная смесь, кипящая при 78.2°С, в кото­рой содержится 96 % (макс.) спирта этилового. Если над раство­ром понизить давление до 100 мм, то содержание спирта этилового в азеотропной смеси увеличится до 99.6%, а температура кипения понизится до 34.2 °С.

Для разделения азеотропных смесей на компоненты могут быть использованы химические методы. С помощью этих мето­дов можно удалить воду из 96 % спирта этилового и получить абсолютный спирт. Для этой цели к 96 % спирту этиловому прибавляют металлический натрий, который взаимодействует с водой, содержащейся в указанном спирте этиловом. После пере­гонки полученной жидкости отгоняется абсолютный спирт этиловый.

Кроме бинарных известны и тройные азеотропные смеси. Иногда для разделения азеотропной смеси на ее компоненты прибавляют третий компонент. Так, например, при добавлении бензола к азеотропной смеси спирта этилового и воды образуется двухслойная смесь, кипящая при 64.9 °С и давлении 101.3 кПа. При этом отгоняется бензол и вода, а в остатке получается абсо­лютный спирта этиловый.

6.3. Аппараты для перегонки с водяным паром

Все аппараты для перегонки с водяным паром имеют следующие конструктивные детали: парообразователь, колба для пере­гонки, холодильник, приемник и водяная баня и газовая горелка (электрическая плитка).

6.3.1. Лабораторная установка аппарата для перегонки с водяным паром

В химико-токсикологических лабораториях для перегонки ядовитых веществ с водяным паром при­меняют аппарат, представленный на рис. 6.1.

Этот аппарат состоит из парообразователя 1, колбы для пере­гонки 2, холодильника 3, приемника 4 и водяной бани5.

В качестве парообразователя безопасно применять металлический со­суд, имеющий стеклянную водомерную и пароотводную трубки. А в лабораторных условиях в качестве парообра­зователя может быть использована круглодонная колба вмести­мостью 1.5—2 л, которую закрывают пробкой с двумя отверстия­ми. В одно отверстие вставляют предохранительную стеклянную трубку, доходящую почти до дна колбы, а во второе отверстие вставляют изогнутую под прямым углом стеклянную трубку для отвода пара из парообразователя в колбу для перегонки. Нижний конец этой трубки должен выступать ниже пробки на 0.5—1 см. Подготовленный таким образом парообразователь, через паро­отводную трубку, соединяют с колбой для перегонки,

Рис. 6.1. Аппарат для перегонки ядовитых веществ с водяным паром.

содержащую смесь, из которой отгоняют вещества, перегоняемые с водяным паром. В качестве колбы для перегонки применяют обычную круглодонную колбу, которую закрывают пробкой с двумя отверстия­ми. В одно отверстие вставляют стеклянную трубку для соедине­ния с парообразователем. Эта трубка должна быть изогнута под прямым углом и доходить почти до дна колбы. Во второе отвер­стие в пробке вставляют изогнутую под прямым углом отводную трубку, с помощью которой колбу для перегонки соединяют с холодильником Либиха, к концу которого через пробку при­соединяют аллонж для стекания в приемник перегнанной жид­кости.

В перегонную колбу вносят смесь, из которой необходимо отогнать летучие вещества с водяным паром. Эта смесь должна занимать одну треть или не больше половины объема колбы для перегонки. Затем колбу для перегонки соединяют с парообразова­телем, содержащим кипящую воду, и с холодильником Либиха. После этого приступают к перегонке ядовитых веществ с водя­ным паром. В процессе перегонки водяной пар, поступающий из парообразователя, может конденсироваться в перегонной колбе. В результате этого будет увеличиваться объем жидкости в этой колбе. Чтобы во время перегонки уменьшить возможность кон­денсации водяного пара в колбе для перегонки, ее нагревают на кипящей водяной бане. Даже при этом условии в колбе для перегонки до некоторой степени может увеличиваться объем жид­кости за счет частичной конденсации водяного пара.

После окончания перегонки летучих веществ с водяным паром, от парообразователя отсоединяют колбу для перегонки и только после этого прекращают нагревание парообразователя и колбы. Если прекратить нагревание парообразователя, к которому при­соединена колба для перегонки, то в парообразователе образуется вакуум, в результате чего содержимое

Рис. 6.2. Аппарат с водоотделителем для перегонки ядовитых веществ с водяным паром.

колбы для перегонки будет перебрасываться в парообразователь. При неосторожном обращении с прибором во время разъединения нагретого паро­образователя, содержащего кипящую воду, и колбы для пере­гонки может произойти ожог рук водяным паром. Поэтому разъ­единять указанные части аппарата для перегонки с водяным паром нужно очень осторожно.