Что такое дистилляция в химии и примеры

Простой процесс перегонки и примеры

простая перегонка представляет собой процесс, в котором пары, образующиеся из жидкости, направляются непосредственно в конденсатор, внутри которого температура паров понижается и происходит его конденсация.

Он используется для отделения летучего компонента от нелетучих компонентов, присутствующих в жидкости. Он также используется для разделения двух жидкостей, присутствующих в растворе с очень разными температурами кипения.

Простая дистилляция не является эффективным методом разделения двух летучих жидкостей, присутствующих в растворе. Когда ее температура увеличивается за счет подачи тепла, кинетическая энергия молекул также увеличивается, что позволяет им преодолевать силу сцепления между ними.

Летучие жидкости начинают кипеть, когда их давление пара равно внешнему давлению, действующему на поверхность раствора. Обе жидкости вносят вклад в состав образующихся паров, причем присутствие более летучей жидкости больше; то есть тот, с самой низкой температурой кипения.

Следовательно, наиболее летучая жидкость составляет большую часть образующегося дистиллята. Процесс повторяется до достижения желаемой чистоты или максимально возможной концентрации.

Простой процесс перегонки

При простой перегонке температура раствора увеличивается, пока он не достигнет точки кипения. В этот момент происходит переход между жидким и газообразным состояниями. Это наблюдается, когда при растворении начинается постоянное барботирование.

оборудование

Оборудование для проведения простой перегонки обычно состоит из зажигалки или нагревательного чехла (см. Изображение); круглая колба огнеупорное стекло с матовым стеклом ротами, чтобы разрешить соединение; и некоторые стеклянные шарики (некоторые используют деревянную палочку), чтобы уменьшить размер образовавшихся пузырьков.

Стеклянные шарики служат в качестве пузырьков, образующих сердцевины, которые позволяют жидкости кипеть медленно, предотвращая перегрев, что приводит к образованию неких гигантских пузырьков; способен даже выбросить массу жидкости из дистилляционного баллона.

В сочетании с устьем колбы, переходник огнеупорных трехгорлые стекол помещают, которые изготовлены из матового стекла. Горловина соединена с дистилляционной колбой, вторая горловина соединена с конденсатором, а третья горловина закрыта с помощью резиновой заглушки.

В изображении, сборке не хватает этого адаптера; и вместо этого через ту же резиновую пробку помещаются термометр и прямой соединитель с конденсатором.

конденсатор

Конденсатор представляет собой устройство, предназначенное для выполнения функции, указанной в его названии: для конденсации пара, который проходит через его внутреннюю часть. Его верхняя часть соединена с адаптером, а его нижняя часть соединена с шаром, где собираются продукты дистилляции..

В случае изображения они используют (хотя это не всегда правильно) градуированный цилиндр, чтобы сразу измерить дистиллированный объем.

Вода, которая циркулирует через внешнюю оболочку конденсатора, поступает в нее через свою нижнюю часть и уходит через верхнюю часть. Это гарантирует, что температура конденсатора будет достаточно низкой, чтобы обеспечить конденсацию паров, образующихся в дистилляционной колбе..

Все детали, из которых состоит дистилляционный аппарат, закреплены зажимами, соединенными с металлической опорой..

Объем раствора, подлежащего перегонке, помещают в круглую колбу с подходящей емкостью.

Соответствующие соединения выполняются с использованием графита или смазки, чтобы обеспечить эффективную герметизацию и запуск нагревания раствора. Одновременно начинается прохождение воды через конденсатор..

отопление

По мере нагревания дистилляционного баллона в термометре наблюдается повышение температуры до достижения точки, при которой температура остается постоянной. Это остается так, даже если нагревание продолжается; если вся летучая жидкость полностью не испарится.

Объяснение этого поведения состоит в том, что точка кипения нижнего кипящего компонента жидкой смеси была достигнута, в которой давление его пара равно внешнему давлению (760 мм рт. Ст.).

В этот момент вся тепловая энергия расходуется на переход из жидкого состояния в газообразное состояние, которое включает истечение силы межмолекулярного сцепления жидкости. Следовательно, подача тепла не приводит к повышению температуры..

Жидкий продукт перегонки собирается в колбах с соответствующей маркировкой, объемы которых будут зависеть от объема, первоначально помещенного в перегонную колбу..

примеров

Дистилляция воды и алкоголя

Существует 50% раствор спирт в воде. Зная, что температура кипения спирта составляет 78,4 ° С, а температура кипения воды составляет около 100 ° С, можно ли затем получить чистый спирт с простой стадией перегонки? Ответ нет.

При нагревании водно-спиртовой смеси температура кипения наиболее летучей жидкости первоначально достигается; в этом случае алкоголь. Образующийся пар будет иметь большую долю спирта, но также будет высокое присутствие воды в паре, так как точки кипения аналогичны..

Жидкость, собранная в результате дистилляции и конденсации, будет иметь процентное содержание спирта более 50%. Если эта жидкость подвергается последовательной дистилляции, может быть достигнут концентрированный спиртовой раствор; но не чистые, так как пары будут продолжать тянуть воду к определенной композиции, образуя так называемый азеотроп

Жидкий продукт сбраживания сахаров имеет процентное содержание спирта 10%. Эту концентрацию можно переносить при 50%, как в случае с виски, простой перегонкой..

Разделение жидкости и твердого вещества

Раствор соли в воде образован жидкостью, которая может улетучиваться, и нелетучим соединением с высокой температурой кипения: солью.

Когда раствор дистиллирован, чистая вода может быть получена в конденсационной жидкости. Между тем, в нижней части дистилляционной колбы соли будут осаждаться.

Алкоголь и глицерин

Он имеет смесь этилового спирта с температурой кипения 78,4 ° С и глицерина с температурой кипения 260 ° С. При простой перегонке образующийся пар будет иметь очень высокий процент спирта, близкий к 100%..

Таким образом, вы получите дистиллированную жидкость с процентным содержанием спирта, похожего на пар. Это происходит потому, что точки кипения жидкостей очень разные.

Источник

Многие вещества на нашей планете не встречаются в чистом виде, потому ученые придумали множество методов разделения смесей. Некоторые смеси состоят из видимых невооруженному глазу частей. Но есть вещества, однородность которых сохраняется только до наступления особого состояния.

К примеру, из чего состоит гранит, видно всем, а вот структура молока становится явной только при его скисании. Ниже мы рассмотрим, как можно разделить смешанные вещества, и для чего применяется каждый из методов.

Способы разделения однородных смесей

Для выделения из готового состава растворенных компонентов принято использовать химические процессы. Разберем основные химические способы.

Выпаривание

В основу выпаривания заложены физические свойства компонентов смеси, а именно способность кипеть при разных температурах.

В ходе такого процесса состав можно разделить на жидкие и растворимые вещества. Например, вода и соль, или вода и сахар.

Выпариванием пользуются при необходимости выделения из имеющейся смеси только твердого ингредиента.

С температурами кипения отдельных веществ можно предварительно ознакомиться в справочниках по химии или физике. Данные представлены в наглядных таблицах.

Кристаллизация

Кристаллизацией называют процесс формирования кристаллов из стекол, газов, расплавов и растворов. Такую же формулировку применяют при образовании кристаллов с полученной структурой из кристаллов другого структурного класса, так называемые полиморфные превращения, либо при смене состояния вещества из жидкого на твердое кристаллическое.

Методом кристаллизации пользуются для выделения больших образований твердого вещества. Жидкость испаряется частично.

Раствор нагревают до определенной температуры и оставляют открытым на долгий период времени. При медленном испарении жидкости растворенное вещество выпадает в осадок в виде кристаллов. Таким методом в промышленных масштабах добывают соль из природной соленой воды.

Дистилляция (перегонка)

Метод перегонки основан на испарении летучих жидкостей, которые в дальнейшем превращаются в конденсат.

При нагревании раствора летучий компонент превращается в пар и оседает на стенках сосудов в виде капель конденсата.

Дистилляцию применяют в процессе опреснения морской воды, что очень актуально для стран с острой нехваткой питьевой воды.

Дистилляция – это основной метод переработки нефти, которая, по сути, является многокомпонентной смесью. В результате перегонки получают различные виды топлива.

Хроматография

Хроматография основана на способности поверхности определенных веществ с разной интенсивностью поглощать разделяемые компоненты.

Процесс можно рассмотреть на простом практическом примере – разделении красителей фильтровальной бумагой. При погружении конца полоски бумаги в раствор, растворители будут подниматься на разную высоту и с различной скоростью.

В промышленных масштабах фильтровальную бумагу заменяют углем, мелом, известняком и прочими веществами. Для разделения многокомпонентных растворов используют хроматографы. Они не только разделяют смеси, но и устанавливают их состав.

Методы разделения неоднородных составов

Для разделения нерастворимой группы смесей применяют несколько иные методики. Их задача заключается в отделении твердых нерастворимых частиц от жидкостей или твердых частиц другого вида.

Отстаивание

Это наиболее простой метод, который отличается тем, что в процессе отстаивания частицы, имеющие больший вес, чем вода, опускаются на дно сосуда.

Более легкие частицы наоборот всплывают на поверхность, где их потом и собирают.

Чем меньшего размера твердые компоненты, тем дольше длится отстаивание. Поэтому для ускорения очищения жидкости могут применять различные абсорбенты, адсорбенты и прочие химические катализаторы.

Фильтрование

Фильтрование часто используется совместно с отстаиванием. Для его осуществления понадобятся всевозможные фильтры.

Наиболее результативными являются вакуумные, дисковые и ленточные. Они задерживают твердые частицы и пропускают жидкость в емкость. Чем больше размер фильтра, тем быстрее будет происходить фильтрация.

Центрифугирование

Работа высокоскоростных центрифуг заключается в разделении особо устойчивых эмульсий.

При помощи центробежной силы компоненты смеси, имеющие индивидуальную густоту, разделяются через воронки в разные емкости. В этом и состоит суть центрифугирования.

Для газовых взвесей лучше использовать скоростные циклоны. Они собирают твердые частицы на электродах или стенках устройства.

Другие методы разделения

Отделить нужный компонент из имеющейся смеси можно и другими способами.

Приведем несколько примеров:

Сушка – тепловое удаление жидкости из смесей. После сушки остается только твердый состав. Часто применяется на производстве непосредственно перед упаковкой продукции.

Электрофорез – сложное явление, заключающееся в электрокинетическом перемещении дисперсных частиц в жидком или газообразном веществе под воздействием электрического поля. Электрофорез применяется для разделения и изучения состава смеси в молекулярной биологии, химии и биохимии.

Методов разделения смесей намного больше, нежели описано в этой статье. Существуют очень сложные способы, которые предназначены для выделения из состава веществ со схожими свойствами или имеющихся в критически малых количествах в гетерогенных и гомогенных смесях.

Источник

Дистилляция

Дистилляция (лат. distillatio — стекание каплями) — перегонка, испарение жидкости с последующим охлаждением и конденсацией паров. Различают дистилляцию с конденсацией пара в жидкость (при которой получаемый конденсат имеет усреднённый состав вследствие перемешивания) и дистилляцию с конденсацией пара в твёрдую фазу (при которой в конденсате возникает распределение концентрации компонентов). Продуктом дистилляции является конденсат или остаток (или и то, и другое) – в зависимости от дистиллируемого вещества и целей процесса. Основными деталями дистилляционного устройства являются обогреваемый контейнер (куб) для дистиллируемой жидкости, охлаждаемый конденсатор (холодильник) и соединяющий их обогреваемый паропровод.

Содержание

История

До X века, у Авиценны дистилляция упоминается как метод получения эфирных масел.

Применение

Дистилляция применяется в промышленности и в лабораторной практике для разделения и рафинирования сложных веществ: для разделения смесей органических веществ (например, разделение нефти на бензин, керосин, соляр и др.; получение ароматических веществ в парфюмерии; получение алкогольного спирта) и для получения высокочистых неорганических веществ (например, металлов: бериллий, цинк, магний, кадмий и др.).

Теория

В теории дистилляции в первую очередь рассматриваются двухкомпонентные вещества. Действие дистилляции основано на том, что концентрация некоторого компонента в жидкости отличается от его концентрации в паре, образующемся из этой жидкости. Отношение = является характеристикой процесса и называется коэффициентом разделения при дистилляции. Коэффициент разделения зависит от природы разделяемых компонентов и режима дистилляции.

При =0, когда число частиц, покидающих в единицу времени жидкость, равно числу частиц, возвращающихся в это же время в жидкость, равновесный коэффициент разделения двухкомпонентного вещества может быть выражен через давления и чистых компонентов при температуре процесса: , где и — так называемые коэффициенты активности, учитывающие взаимодействие компонентов в жидкости. Эти коэффициенты имеют температурную и концентрационную зависимости (см. активность (химия)). С понижением температуры значение коэффициента разделения обычно удаляется от единицы, т. е. эффективность разделения при этом увеличивается.

Для различных режимов дистилляции выведены уравнения, связывающие содержание второго компонента в конденсате и в остатке с долей перегонки или с долей остатка при заданных условиях процесса и известной начальной концентрации жидкости (, и — масса конденсата и остатка, а также начальная масса дистиллируемого вещества соответственно). Расчёты проводятся в предположении идеального перемешивания дистиллируемой жидкости, а также жидкого конденсата. Также выведены уравнения распределения компонентов в твёрдом конденсате, получаемого дистилляцией с направленным затвердеванием конденсата или зонной дистилляцией. Параметром этих уравнений является коэффициент разделения α для заданных условий дистилляции.

При дистилляции вещества с большой концентрацией компонентов с конденсацией пара в жидкость при несильной зависимости коэффициентов активности компонентов от их концентраций взаимосвязь величин , и , когда используются концентрации в процентах, имеет вид:

.

Для дистилляции с конденсацией пара в жидкость при малом содержании примеси

,

=.

Дистилляционные уравнения могут использоваться для описания процессов распределения примесей в других фазовых переходах из фазы с интенсивным перемешиванием (таких как переходы жидкий кристалл-кристалл, жидкий кристалл-жидкость, газ-плазма, а также в переходах, связанных с квантово-механическими состояниями – сверхтекучая жидкость, конденсат Бозе-Эйнштейна) – при подстановке в них соответствующих коэффициентов распределения.

Дистилляция с конденсацией пара в жидкость (простая перегонка, фракционная дистилляция, ректификация)

Простая перегонка — частичное испарение жидкой смеси путём непрерывного отвода и конденсации образовавшихся паров в холодильнике. Полученный конденсат называется дистиллятом, а неиспарившаяся жидкость — кубовым остатком.

Фракционная дистилляция (или дробная перегонка) — разделение многокомпонентных жидких смесей на отличающиеся по составу части — фракции путём сбора конденсата частями с различной летучестью, начиная с первой, обогащенной низкокипящим компонентом. Остаток жидкости обогащён высококипящим компонентом. Для улучшения разделения фракций применяют дефлегматор.

Ректификация — способ дистилляции, при котором часть жидкого конденсата (флегма) постоянно возвращается в куб, двигаясь навстречу пару в контакте с ним. В результате этого примеси, содержащиеся в паре, частично переходят во флегму и возвращаются в куб, при этом чистота пара (и конденсата) повышается (См. ректификация, ректификационная колонна).

Дистилляция с конденсацией пара в твёрдую фазу (с конденсацией пара в градиенте температуры; с направленным затвердеванием конденсата; зонная дистилляция)

Дистилляция с конденсацией пара в градиенте температуры – дистилляционный процесс, в котором конденсация в твёрдую фазу осуществляется на поверхности, имеющей градиент температуры, с многократным реиспарением частиц пара. Менее летучие компоненты осаждаются при более высоких температурах. В результате в конденсате возникает распределение примесей вдоль температурного градиента, и наиболее чистая часть конденсата может быть выделена в качестве продукта. Разделение компонентов пара при реиспарении подчиняется собственным закономерностям. Так, при молекулярной дистиляции соотношение между количествами и осаждённых в конденсаторе первого и второго компонентов, соответственно, выражается равенством:

,

Дистилляция с направленным затвердеванием конденсата (дистилляция с вытягиванием дистиллята) – дистилляционный процесс в контейнере удлинённой формы c полным расплавлением дистиллируемого вещества и конденсацией пара в твёрдую фазу по мере вытягивания конденсата в холодную область. Процесс разработан теоретически.

В получаемом конденсате возникает неравномерное распределение примесей, и наиболее чистая часть конденсата может быть выделена в качестве продукта. Процесс является дистилляционным аналогом нормальной направленной кристаллизации. Распределение примеси в конденсате описывается уравнением:

,

где С – концентрация примеси в дистилляте на расстоянии х от начала, L – высота конденсата при полностью испарившемся дистиллируемом материале.

При движении зонного нагревателя вдоль контейнера сверху вниз в контейнере формируется твёрдый конденсат с неравномерным распределением примесей, и наиболее чистая часть конденсата может быть выделена в качестве продукта. Процесс может быть повторён многократно, для чего конденсат, полученный в предыдущем процессе, должен быть перемещён (без переворота) в нижнюю часть контейнера на место рафинируемого вещества. Неравномерность распределения примесей в конденсате (т. е. эффективность очистки) растёт с увеличением числа повторений процесса.

Зонная дистилляция является дистилляционным аналогом зонной перекристаллизации. Распределение примесей в конденсате описывается известными уравнениями зонной перекристаллизации с заданным числом проходов зоны – при замене коэффициента распределения k для кристаллизации на коэффициент разделения α для дистилляции. Так, после одного прохода зоны

,

где С – концентрация примеси в конденсате на расстоянии х от начала конденсата, λ – длина жидкой зоны.

Источник