Destylacja z parą wodną

Z Wikipedii, wolnej encyklopedii
Skocz do: nawigacji, wyszukiwania

Destylacja z parą wodnądestylacja z użyciem strumienia nasyconej lub przegrzanej pary wodnej, prowadząca do otrzymywania kondensatów dwufazowych (faza wodna i organiczna), odbieranych w temperaturze niższej od temperatury wrzenia najniżej wrzącego składnika mieszaniny (zobacz heteroazeotrop).

Strumień pary wodnej jest doprowadzany do destylowanej mieszaniny z zewnątrz lub wytwarzany wewnątrz urządzenia do destylacji, np. przez intensywne ogrzewanie wodnego roztworu rozdzielanej mieszaniny związków chemicznych. Destylację z parą wodną stosuje się do wyodrębniania związków w niewielkim stopniu mieszających się z wodą (hydrofobowych), których destylacja prosta nie jest wskazana, np. ze względu na możliwość termolizy. Metodą destylacji z parą wodną wyodrębnia się m.in. składniki surowców roślinnych, np. leków ziołowych lub olejków eterycznych, stosowanych w aromaterapii, produkcji kosmetyków lub przypraw.

Metoda ta jest również stosowana w preparatyce chemicznej do wyodrębniania produktów łatwo rozkładających się podczas syntezy z roztworów reakcyjnych oraz do rozdzielania składników mieszanin przy założeniu, że co najmniej jeden składnik destyluje z parą wodną[1][2][3][4].

Podstawy fizykochemiczne[edytuj | edytuj kod]

Prawo Raoulta i odchylenia
Prężność par A i B nad roztworem doskonałym
Prężność par A i B nad roztworem doskonałym
Prężność par nad niemieszającymi się cieczami

Zgodnie z prawem Daltona całkowita prężność pary p nad cieczą dwuskładnikową jest sumą cząstkowych prężności par składników:

p = pA + pB

które oblicza się na podstawie molowych udziałów (y) obu składników w parze:

pA = p · yA
pB = p · yB.

W przypadku roztworów doskonałych wartości pA i pB oblicza się na podstawie prawa Raoulta:

pA = pA° · xA
pB = pB° · xB

W przypadku roztworów niedoskonałych obserwowane są odchylenia od prawa Raoulta, których kierunek i wielkość zależą od wielkości sił oddziaływania między cząsteczkami A–A, B–B i A–B w cieczy (decydujących o wartościach współczynników aktywności). W przypadkach, gdy odchylenia od doskonałości są duże, w układach AB występują ekstremalne wartości prężności pary – maksymalne (azeotrop dodatni) lub minimalne (azeotrop ujemny). W przypadkach bardzo dużych odchyleń w układach występują obszary ograniczonej mieszalności cieczy (zobacz: heteroazeotropia, heterozeotropia, ekstrakcja).

W przypadkach skrajnych dwie ciecze A i B, mieszające się w minimalnym stopniu, mogą być traktowane jak prawie niezależne układy ciecz-para. W każdym z nich w stałej temperaturze utrzymuje się taka sama prężność pary, niezależna od ilości obu cieczy. Ogrzewane w odrębnych naczyniach zaczynają wrzeć w różnych temperaturach – takich, w których prężności par są równe wartości ciśnienia zewnętrznego. Jeżeli nie mieszające się ciecze A i B znajdują się w jednym naczyniu, zależność prężności pary każdej z nich od temperatury nie zmienia się, ale cząsteczki cieczy dwufazowej prędzej ją opuszczają. Wrzenie rozpoczyna się w niższej temperaturze – wtedy, gdy wartość ciśnienia zewnętrznego jest osiągana przez sumę prężności A i B.

W tak uproszczonym przypadku w stałej temperaturze skład pary nad roztworem jest niezależny od składu cieczy. Stosunek ilości moli A i B (nA i nB) w jednostce objętości pary jest równy stosunkowi odpowiednich prężności par (pA i pB) czystych składników w danej temperaturze. Stosunek mas obu składników (wA i wB) w parze jest zależny od prężności par czystych składników i ich ciężarów cząsteczkowych (A i B).

nA : nB = pA : pB

wA : wB = MA pA : MB pB

Skład przykładowych destylatów według S. Younga (1922)[4]
Związek Masa cząsteczkowa
M [g/mol]
twrzenia
[°C]
p [mmHg]
w 100 °C
Zawartość w destylacie
% mas.
Karwon 150 230 9 9,7
Geraniol 154 230 5 5,6
Anetol 148 235 8 7,1
Eugenol 164 250 2 1,7
α-Santalol 228 301 < 1 0,5


Efektywność odzyskiwania wysokowrzących związków chemicznych z ich mieszanin ze związkami nielotnymi z parą wodną można zwiększyć, stosując destylację z użyciem pary przegrzanej. Warunkiem ograniczającym są prawdopodobne reakcje rozkładu termicznego.

Przykład

Benzaldehyd (tw. 178 °C przy 760 mmHg) destyluje z równowagową parą wodną (100 °C) w temperaturze 97,9 °C. Destylat zawiera 32,1% wag. benzaldehydu. Stosując parę wodną przegrzaną do 133 °C otrzymuje się kondensat zawierający 70,6% wag. benzaldehydu[4].


Sprzęt do destylacji z parą wodną[edytuj | edytuj kod]

Sprzęt laboratoryjny
Klasyczny zestaw elementów. Od lewej: wytwornica pary, kolba z substancją oczyszczaną, chłodnica, odbieralnik
Klasyczny zestaw elementów.
Od lewej: wytwornica pary, kolba z substancją oczyszczaną, chłodnica, odbieralnik
Sprzęt do otrzymywania olejków eterycznych

Instalacje do destylacji z parą wodną, niezależnie od ich skali, składają się z następujących elementów[4]:

  • wytwornicy pary, która bywa wyposażana w urządzenia do przegrzewania wylotowego strumienia lub zapobiegające porywaniu do destylatora kropel wody
  • zbiornik z materiałem zawierającym oddestylowywany związek chemiczny, np. mieszaninę produktów syntezy organicznej lub surowcem zielarskim, rozłożonym na rusztach (destylator)
  • chłodnica (kondensator)
  • rozdzielacz warstw dwufazowego kondensatu

Standardowe zestawy laboratoryjne są montowane analogicznie do zestawów do destylacji prostej, z tym że kolba zamocowana jest pod kątem i nie musi być ogrzewana. Do kolby wprowadza się rurkę doprowadzającą strumień pary z centralnej sieci lub laboratoryjnej wytwornicy. Zamiast tradycyjnych korków z umieszczonymi rurkami, obecnie stosuje się specjalne szklane "nasadki do destylacji z parą wodną". Tradycyjne metalowe kociołki, ogrzewane palnikami gazowymi, są wyposażone w poziomowskaz i wysoką rurkę, ograniczającą wahania ciśnienia i zapobiegającą wychlapywaniu wrzącej wody do strumienia pary. Po zakończeniu destylacji rurkę tę należy wysunąć ponad poziom cieczy lub usunąć z kociołka aby nie doszło do zassania cieczy z kolby do stygnącego kociołka. Jako wytwornice pary są też stosowane szklane kolby z elektrycznym płaszczem grzejnym również wyposażone w zabezpieczenie przed wahaniami ciśnienia.

Analogicznie działające urządzenia stosowano już w IV–III p.n.e. w Grecji i Egipcie, w czasie wyodrębniania olejków eterycznych z surowców roślinnych. Znany do dzisiaj kocioł do destylacji, zwany alembikiem, jest prawdopodobnie wynalazkiem Arabów z VIII–IX n.e.(przypuszczalnie Dżabir Ibn Hajjan).

Alembik przypomina warnik, stosowany przez dawnych gorzelników. Do jego owalnej kadzi jest mocowany kołpak zwany „łabędzią szyją”, która pełni funkcję wstępnej powietrznej chłodnicy. Dalsze chłodzenie odbywa się w wężownicach umieszczonych w zbiornikach z wodą. Dwufazowy kondensat spływa do separatorów umożliwiających ciągłe odbieranie obu faz – np. olejku i wody kwiatowej[5].

Przebieg destylacji z parą wodną w laboratorium[edytuj | edytuj kod]

Strumień pary jest wprowadzany do kolby rurką sięgającą prawie do dna, często lekko zakrzywioną na końcu. Kolba jest montowana w takim położeniu, aby burzliwy przepływ pary przez ciecz nie powodował jej wychlapywania do chłodnicy.

Strumień pary niosącej oddestylowywane związki przepływa przez chłodnicę (wodną lub powietrzną), w której kondensują pary. Dwufazowy kondensat spływa do odbieralnika, którym może być np. standardowy rozdzielacz laboratoryjny albo urządzenia umożliwiające odbieranie obu faz w sposób ciągły, przez odpowiednio ulokowane rurki przelewowe.

Oddestylowany składnik mieszaniny poddawanej destylacji (np. produkt prowadzonej w kolbie reakcji) może częściowo rozpuszczać się w wodzie (lub mieszać się z nią) co generuje straty. Aby uniknąć strat i zwiększyć wydajność procesu, warstwę wodną można w sposób ciągły zawracać do kolby destylacyjnej/reakcyjnej. W takim przypadku kolba musi być dodatkowo ogrzewana.

Przykłady zastosowań[edytuj | edytuj kod]

Goździki
  • Wyodrębnianie produktów syntez organicznych:
  1. Oddzielanie nieprzereagowanego aldehydu benzoesowego od kwasu cynamonowego, otrzymywanego w reakcji kondensacji tego aldehydu z bezwodnikiem octowym wobec octanu potasu (reakcja Perkina)[6][4]
  2. Oddzielenie głównego produktu jodowania benzenu (jodobenzenu) od produktów ubocznych[7][4]
  3. Oddzielanie aniliny, otrzymywanej przez redukcję nitrobenzenu, od nieprzereagowanego substratu[8][4]
  4. Rozdzielanie mieszaniny o-nitrofenolu i p-nitrofenolu, powstającej w czasie nitrowania fenolu[9][4].
Różnica między prężnościami pary izomerów orto i para jest konsekwencją różnic w budowie cząsteczek. W przypadku izomeru orto tworzy się wewnątrzcząsteczkowe wiązanie wodorowe, które uniemożliwia asocjację cząsteczek. Asocjacji ulegają cząsteczki izomeru para, co powoduje zmniejszenie prężności pary.
  1. Izolacja mentolu z mięty
  2. Izolacja olejku goździkowego
Utarte w moździerzu goździki (Eugenia caryophyllata) umieszcza się wraz z wodą w kolbie do destylacji z parą wodną. Zebrany kondensat jest poddawany dwukrotnej ekstrakcji chlorkiem metylenu. Z oddzielonej warstwy organicznej odparowuje się rozpuszczalnik, otrzymując olejek goździkowy, którego głównym składnikiem jest eugenol[10].

Przypisy

  1. Bolesław Bochwic (red. zespołowego tłumaczenia z jęz. niemieckiego (Autorenkolektiv, Organikum. Organisch–Chemisches Grundpraktikum, Berlin 1963): Preparatyka organiczna. Wyd. 1. Warszawa: Państwowe Wydawnictwo Naukowe, 1969. (pol.)
  2. Romuald Klimek: Olejki eteryczne. Wyd. 1. Warszawa: Wydawnictwo Przemysłu Lekkiego i Spożywczego, 1957. (pol.)
  3. Stanisław Bursa: Chemia fizyczna. Wyd. 2 popr. Warszawa: Państwowe Wydawnictwo Naukowe, 1979. ISBN 83-01-00152-6. (pol.)
  4. 4,0 4,1 4,2 4,3 4,4 4,5 4,6 4,7 Artur I. Vogel: Preparatyka organiczna. Wyd. 4. Warszawa: Wydawnictwo Naukowo-Techniczne, 1964, s. 13–17, 144–148, 1123. (pol.)
  5. Fabienne Paria (przekład z fr. Krystyna J. Dąbrowska): Wielka księga perfum (L'Univers des Parfums, Paris 1995). Wyd. 1. Warszawa: Wydawnictwo Książkowe „Twój styl”, 1998, s. 50–52.
  6. Artur I. Vogel op. cit.: Preparatyka organiczna. s. 725–726.
  7. Artur I. Vogel, op. cit.: Preparatyka organiczna. s. 543, 547–548.
  8. Artur I. Vogel, op. cit.: Preparatyka organiczna. s. 573-574.
  9. Artur I. Vogel, op. cit.: Preparatyka organiczna. s. 689–690.
  10. Piotr Milart. I. Destylacja i ekstrakcja, 1.1. Olejek goździkowy, 1.2. Olejek anyżowy. „Ćwiczenia laboratoryjne z chemii organicznej dla studentów biofizyki, inżynierii materiałowej, biologii z geografią oraz biologii – kurs podstawowy (opracowanie na podstawie skryptu: A. Czarny, B. Kawałek, A. Kolasa, P. Milart, B. Rys, J. Wilamowski „Wprowadzenie do ćwiczeń laboratoryjnych z chemii organicznej”, Gdańsk 2005, oraz materiałów do ćwiczeń laboratoryjnych z chemii organicznej, ZChO Wydz. Chemii UJ)”, s. 14–22, Wersja poprawiona i rozszerzona 2006. Kraków: www.chemia.pk.edu.pl (pol.). [dostęp 2010-12-23]. 

Linki zewnętrzne[edytuj | edytuj kod]