Destylacja z parą wodną

Z Wikipedii, wolnej encyklopedii
Przejdź do nawigacji Przejdź do 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 (heteroazeotrop).

Strumień pary wodnej jest doprowadzany do destylowanej mieszaniny z zewnątrz lub wytwarzany wewnątrz urządzenia do destylacji, na przykład 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, głównie ze względu na możliwość termolizy. Metodą destylacji z parą wodną wyodrębnia się między innymi z surowców zielarskich pożądane składniki do leków ziołowych, a także olejków eterycznych (stosowanych do wytwarzania kosmetykówprzypraw oraz w aromaterapii).

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
Niewielkie dodatnie odchylenia od prawa Raoulta
Azeotrop dodatni aceton–CS2
Odchylenia od prawa Raoulta i ograniczona mieszalność cieczy
Heteroazeotrop
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 (heteroazeotropia, heterozeotropia).

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 niemieszające 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 (MA i MB).

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
Okresowe odbieranie kondensatu
Cyrkulacja wody w obiegu zamkniętym
(dla substancji o gęstości >1 g/cm³)
Cyrkulacja wody w obiegu zamkniętym
(dla substancji o gęstości <1 g/cm³)
Destylacja małych ilości preparatów chemicznych
„Flaszka florentyńska”

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, na przykład 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.

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 (na przykład 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)[5][6]
  2. Oddzielenie głównego produktu jodowania benzenu (jodobenzenu) od produktów ubocznych[6][7]
  3. Oddzielanie aniliny, otrzymywanej przez redukcję nitrobenzenu, od nieprzereagowanego substratu[6][8]
  4. Rozdzielanie mieszaniny o-nitrofenolu i p-nitrofenolu, powstającej w czasie nitrowania fenolu[6][9].
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[edytuj | edytuj kod]

  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. a b c d Artur I. Vogel: Preparatyka organiczna. Wyd. 4. Warszawa: Wydawnictwa Naukowo-Techniczne, 1964, s. 13–17, 144–148, 1123. (pol.).
  5. Artur I. Vogel op. cit.: Preparatyka organiczna. s. 725–726.
  6. a b c d Magdalena Popławska, Laboratorium z chemii organicznej / Materiały Pomocnicze / Metody wydzielania i oczyszczania związków organicznych / Destylacja z parą wodną, Warszawa: Zakład Chemii Organicznej, Wydział Chemiczny PW [dostęp 2010-12-23] [zarchiwizowane z adresu 2009-03-20] (pol.).
  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. [dostęp 2010-12-23]. (pol.). 

Linki zewnętrzne[edytuj | edytuj kod]