Фракционная (дробная) перегонка имеет целый ряд важных применений, например получение кислорода, азота и благородных газов из жидкого воздуха, переработка нефти, производство алкогольных напитков (см, вводный текст к данной главе) и т. д.
На рис. 6.16 схематически изображена типичная лабораторная установка для фракционной перегонки. Вертикальная колонка наполнена стеклянными шариками или беспорядочно ориентированными короткими отрезками стеклянных трубок. Вместо этого может использоваться колонка пузырчатой формы. Такая колонка позволяет возгоняющимся парам вступать в контакт со стекающей вниз жидкостью.
Посмотрим, что происходит при фракционной перегонке двухкомпонентной смеси состава хА(С) (рис. 6.17). При нагревании этой смеси ее температура повышается до точки С. Затем жидкость начинает кипеть. Образующийся пар богаче жидкости более летучим компонентом А. При температуре кипения этот пар и жидкость находятся в равновесии. Этому равновесию соответствует соединительная линия CD на фазовой диаграмме. Пар, поднимающийся по фракционной колонке, постепенно остывает и в конце концов конденсируется в жидкость. Это уменьшение температуры представлено на фазовой диаграмме вертикальной линией DD’. В точке D’ устанавливается новое равновесие между конденсатом, который имеет состав xA(D), и его паром, который имеет состав хА (E). Жидкий конденсат стекает по колонке, а пар поднимается по ней. Таким образом, на каждом уровне колонки стекающая жидкость и поднимающийся пар находятся в равновесии. Эти равновесия представлены соединительными линиями. По мере того как пар поднимается по колонке, проходя через каждое следующее равновесие, он все больше обогащается более летучим компонентом. В конце концов пар выходит через отверстие вверху колонки, конденсируется и образовавшаяся жидкость стекает в приемник. Тем временем жидкость в колбе все больше обогащается менее летучим компонентом, и вследствие этого ее температура кипения постепенно повышается.
Из-за удаления пара через отверстие вверху колонки равновесия в ней непрерывно смещаются. Хорошее разделение достигается только в том случае, если колбу нагревают достаточно медленно, чтобы дать время установиться равновесиям. На практике фракционная перегонка обычно используется для разделения многокомпонентных жидких смесей.
В Уганде распространено изготовление алкогольного напитка «ингули», который получают фракционной перегонкой пива в самодельных перегонных аппаратах.В Уганде владельцы лицензий на изготовление ингули сбывают свою продукцию на промышленные перегонные предприятия, где из него получают алкогольны напиток, называемый «вараги». Самодельный ингули и аналогичные самодельны алкогольные напитки, изготовляемые в восточноафриканских странах, опасны дл употребления, поскольку вторая фракция нередко содержит токсичные примес первой и третьей фракций. По этой причине в большинстве восточноафрикански стран действует запрет на изготовление и употребление подобных алкогольны напитков.
Ингули. Сбраживанием сусла из патоки и бананового сока получают африканское пиво «ингули», из которого путем перегонки собирают три фракции.
Первая фракция содержит токсичные низкокипящие альдегиды, кетоны спирты. Например, пропаналь (т. кип. 48 “С, токсичен), пропанон (т. кип. 56 0C токсичен) и метанол (т. кип. 64 °С, очень токсичен, вызывает потерю зрения). Эт фракцию уничтожают.
Вторая фракция перегонки представляет собой целевой продукт ингули. О. содержит воду и этанол. Этанол (этиловый спирт) имеет температуру кипения 78 0C. при употреблении в небольших количествах не приносит вреда (см., однако, вводны текст в начале данной главы).
Третья фракция содержит спирты с температурами кипения в диапазоне от 12 до 130°С. Эту фракцию тоже уничтожают.
Рис. 6.17. Фазовая диаграмма жидкость-пар, поясняющая принцип фракционной перегонки двухкомлонентной смеси. Горизонтальные линии соединяют равновесные состояния в фракционной колонке.
Что такое фракционная перегонка воздуха на каких физических свойствах компонентов воздуха основан
Как работает разделение газов фракционной перегонкой
Каждый газ имеет характерную температуру кипения, определяемую как температура, при которой он превращается из жидкости в газ. Если у вас есть случайная проба газов, вы можете отделить их, постепенно охлаждая пробу, пока каждый компонент газа не сжижается. Разжиженный состав падает на дно емкости для сбора. После того как вся жидкость извлечена, охлаждение продолжается до тех пор, пока температура не упадет до точки кипения следующего соединения, и оно не разжижится. Некоторые соединения, такие как диоксид углерода, никогда не разжижаются. Вместо этого они превращаются непосредственно в твердые вещества, которые легче извлечь, чем жидкости.
Фракционная дистилляция жидкого воздуха
Блок разделения воздуха часто называют генератором кислорода или азота, поскольку его целью является извлечение одного или обоих этих элементов из воздуха. В процессе дистилляции воздух сначала проходит через фильтр, который поглощает весь водяной пар. Затем начинается процесс охлаждения. Он предполагает использование турбин и высокоэнергетических холодильных систем. Углекислый газ и другие следовые газы оседают, когда температура достигает каждой из их точек сублимации или кипения. Сублимация описывает изменение состояния непосредственно от твердого тела к газу.
Под фракционной перегонкой понимают процесс многократной дистилляции, результатом которого станет разделение сложной смеси, состоящей из нескольких ингредиентов, на отдельные фракции. Часто этот процесс еще называют дробной перегонкой.
Фракционная перегонка известна человечеству очень давно. Уже в 10-м веке персидский ученый и врач Авиценна описывал дистилляцию как способ получения эфирного масла.
Процесс основывается на различиях между составом жидкой перегоняемой смеси и образующегося пара. Сначала испаряются легколетучие вещества с низкой температурой кипения, они конденсируются в холодильнике и отводятся в приемный сосуд. Естественно, там окажется и какой-то процент веществ с более высокой температурой кипения. По мере того, как низкокипящая фракция будет уходить из реакционной смеси, температура перегоняемого раствора будет расти, и испаряющиеся пары будут состоять уже в основном из более высококипящей фракции. После конденсации их собирают в другой сосуд.
После того, как прошла первая дистилляция, полученные фракции перегоняют снова и снова, чтобы добиться максимальной чистоты каждого компонента исходной смеси.
Холодильник Либиха, прямой, 400 мм, 14/23
Алонж АИО 29/32-19/26-65 ТС
Колба плоскодонная, (шир. горловина) 500-50
Для лучшего разделения фракций на выходе из реакционной колбы (до холодильника) применяются дефлегматоры. В дефлегматоре частично конденсируются пары более высококипящей составляющей. Образовавшийся конденсат называется флегмой, он стекает обратно в реакционный сосуд. Пары же более низкокипящей жидкости проходят в холодильник, после которого собираются в приемном сосуде.
Обычные лабораторные дефлегматоры позволяют разделять компоненты, кипящие с разницей температур не менее 30 °С.
Устройство для фракционной перегонки
Аппарат не сильно отличается от установки для простой перегонки. В его конструкцию входят те же:
Главное отличие — наличие вертикального дефлегматора. Он устанавливается в горловину реакционного сосуда. В его верхнюю горловину вставляют насадку для соединения с конденсатором. Верхний выход насадки закрывают пробкой или термометром.
В качестве дефлегматора обычно применяется елочный обратный конденсатор с большой эффективной поверхностью соприкосновения.
Процесс фракционной перегонки
Температуру паров доводят до температуры кипения первой фракции — низкокипящего компонента. Удерживая температуру на этом уровне, собирают в приемник эту фракцию с небольшим содержанием паров других компонентов.
После того, как содержание низкокипящей фракции в смеси уменьшается, температура паров повышается. При превышении на 2-5 градусов, приемный сосуд меняют и начинают собирать промежуточную фракцию, состоящую из смеси паров разных компонентов.
Когда температура паров станет равна t кипения второй фракции, приемный сосуд снова меняют, и начинают собирать следующую фракцию. Промежуточную фракцию потом перегоняют или, если ее немного, утилизируют.
Перегонку продолжают до тех пор, пока в реакторе не останется около 2-3 мл жидкости.
После окончания перегонки смеси начинают перегонять полученные фракции, чтобы сделать их более чистыми.
Продолжение. Начало см. в № 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9/2006
Глава 3. Явления, происходящие с веществами
§ 17. Дистилляция, или перегонка
Получение дистиллированной воды
Вода из-под крана чиста, прозрачна, не имеет запаха… Но чистое ли это вещество с точки зрения химика? Загляните в чайник: в нем легко обнаруживаются накипь и коричневатый налет, которые появляются на спирали и стенках чайника в результате многократного кипячения в нем воды (рис. 71). А известковый налет на кранах? И природная, и водопроводная вода – это однородные смеси, растворы твердых и газообразных веществ. Конечно, их содержание в воде очень мало, но эти примеси могут привести не только к образованию накипи, но и к более серьезным последствиям. Не случайно лекарства для инъекций готовят только с использованием специально очищенной воды, называемой дистиллированной.
Рис. 71. Накипь на нагревательном элементе электрочайника
Откуда взялось такое название? Воду и другие жидкости очищают от примесей с помощью процесса, называемого дистилляцией, или перегонкой. Сущность дистилляции состоит в том, что смесь нагревают до кипения, образующиеся пары чистого вещества отводят, охлаждают и вновь превращают в жидкость, которая уже не содержит загрязняющих примесей.
Демонстрационный эксперимент. На учительском столе собрана лабораторная установка для перегонки жидкостей (рис. 72).
Рис. 72. Лабораторная установка для дистилляции жидкостей
В перегонную колбу учитель наливает воду, подкрашенную в оранжевый цвет растворимой неорганической солью (дихроматом калия). Так вы воочию убедитесь, что в очищенной воде этого вещества не будет. Для равномерного кипения в колбу бросают 3–4 кусочка пористого фарфора или пемзы (кипелки). В рубашку холодильника подается вода, а перегонная колба нагревается до кипения содержимого с помощью электронагревателя. Пары воды, попадая в холодильник, конденсируются, и дистиллированная вода стекает в приемник. Какую температуру показывает термометр? Как вы думаете, через какой отвод в холодильник подается холодная вода, а через какой она сливается?
Дистиллированная вода используется не только для приготовления лекарств, но и для получения растворов, применяемых в химических лабораториях. Даже автомобилисты используют дистиллированную воду, доливая ее в аккумуляторы для поддержания уровня электролита.
А если требуется получить твердое вещество из гомогенного раствора, то используют выпаривание, или кристаллизацию.
Один из способов выделения и очистки твердых веществ – кристаллизация. Известно, что при нагревании растворимость вещества в воде увеличивается. Значит, при охлаждении раствора некоторое количество вещества выпадает в виде кристаллов. Проверим это на опыте.
Демонстрационный эксперимент. Помните красивые оранжевые кристаллы дихромата калия, которыми учитель «подкрашивал» воду для дистилляции? Возьмем примерно 30 г этой соли и «загрязним» ее несколькими кристалликами марганцовки. Как очистить основное вещество от внесенной примеси? Смесь растворяют в 50 мл кипящей воды. При охлаждении раствора растворимость дихромата резко понижается, и вещество выделяется в виде кристаллов, которые можно отделить фильтрованием, а затем промыть на фильтре несколькими миллилитрами ледяной воды. Если растворить очищенное вещество в воде, то по цвету раствора можно определить, что марганцовки оно не содержит. Марганцовка осталась в исходном растворе.
Добиться кристаллизации твердого вещества из раствора можно упариванием растворителя. Для этого и предназначены чашки для выпаривания, с которыми вы встречались во время знакомства с химической посудой.
Если испарение жидкости из раствора происходит естественным путем, то для этой цели используют специальные стеклянные толстостенные сосуды, которые так и называются – кристаллизаторы. С ними вы также знакомились в практической работе № 1.
В природе соляные озера – это своеобразные бассейны для кристаллизации. За счет испарения воды на берегах таких озер кристаллизуется гигантское количество соли, которая после очистки попадает к нам на стол.
Дистилляцию используют не только для очистки веществ от примесей, но и для разделения смесей на отдельные порции – фракции, различающиеся температурой кипения. Например, нефть – это природная смесь очень сложного состава. При фракционной перегонке нефти получают жидкие нефтепродукты: бензин, керосин, дизельное топливо, мазут и другие. Процесс этот ведут в специальных аппаратах – ректификационных колоннах (рис. 73). Если в вашем городе есть нефтеперерабатывающий завод, вы могли видеть эти химические аппараты, которые непрерывно разделяют нефть на важные и нужные в жизни современного общества продукты (рис. 74).
Рис. 73. Ректификационные колонны нефтеперерабатывающего завода
Бензин – это основное топливо для легковых автомобилей. Трактора и грузовики используют в качестве такового другой нефтепродукт – дизельное топливо (солярку). Топливом для современных самолетов является главным образом керосин. На этом небольшом примере вы можете понять, насколько важен в современной жизни такой процесс, как перегонка нефти.
Рис. 74. Нефть и нефтепродукты
Фракционная перегонка жидкого воздуха
Вы уже знаете, что любые газы смешиваются в любых соотношениях. А можно ли из смеси газов выделить отдельные компоненты? Задача не из простых. Но химики предложили очень эффективное решение. Смесь газов можно превратить в жидкий раствор и подвергнуть его дистилляции. Например, воздух при сильном охлаждении и сжатии сжижают, а затем позволяют один за другим выкипать отдельным компонентам (фракциям), поскольку они имеют различные температуры кипения. Первым из жидкого воздуха испаряется азот (рис. 75), у него самая низкая температура кипения (–196 °С). Затем из жидкой смеси кислорода и аргона можно удалить аргон (–186 °С). Остается практически чистый кислород, который вполне годится для технических целей: газовой сварки, химического производства. А вот для медицинских целей его нужно очищать дополнительно.
Рис. 75. Сжиженный азот хранят в специальных термосах
Азот, полученный таким способом, используют для производства аммиака, который в свою очередь идет на получение азотных удобрений, лекарственных и взрывчатых веществ, азотной кислоты и т.д.
Благородный газ аргон используют в особом виде сварки, которая так и называется – аргоновая.
1. Что такое дистилляция, или перегонка? На чем она основана?
2. Какая вода называется дистиллированной? Как ее получают? Где она применяется?
3. Какие нефтепродукты получают при перегонке нефти? Где они применяются?
4. Как разделить воздух на отдельные газы?
5. Чем выпаривание (кристаллизация) отличается от перегонки (дистилляции)? На чем основаны оба способа разделения жидких смесей?
6. Чем отличаются процессы выпаривания и кристаллизации? На чем основаны оба способа выделения твердого вещества из раствора?
7. Приведите примеры из повседневной жизни, в которых применяется выпаривание и дистилляция.
8. Какую массу соли можно получить при выпаривании 250 г 5%-го раствора? Какой объем воды можно получить из этого раствора при помощи дистилляции?
ПРАКТИЧЕСКАЯ РАБОТА № 4. Выращивание кристаллов соли (домашний эксперимент)
Перед тем как приступить к выполнению работы, внимательно прочитайте ее описание до конца.
Прежде всего выберите подходящую для эксперимента соль. Для выращивания кристаллов подойдет любая хорошо растворимая в воде соль (медный или железный купорос, квасцы и т.д.). Подойдет и поваренная соль – хлорид натрия.
Из оборудования вам понадобятся:
• литровая банка или небольшая кастрюлька, в ней вы будете готовить раствор соли;
• деревянная ложка или палочка для перемешивания;
• воронка с ватой для фильтрования раствора;
• термос с широким горлышком вместимостью 1 л (он нужен для того, чтобы раствор остывал медленно, тогда будут расти крупные кристаллы).
Если нет воронки или нужного термоса, их можно сделать самому.
Чтобы сделать воронку, возьмите пластиковую бутылку из-под напитка и ножницами аккуратно отрежьте ей горлышко, как это показано на рис. 76.
Рис. 76. Изготовление воронки из пластиковой бутылки
Вместо термоса подойдет обыкновенная стеклянная литровая банка. Поставьте ее в картонную или пенопластовую коробку. Большую коробку брать не нужно, главное, чтобы в нее полностью входила банка. Щели между коробкой и банкой плотно заложите кусочками тряпки или ватой. Чтобы плотно закрыть банку, понадобится пластиковая крышка.
Приготовьте горячий насыщенный раствор соли. Для этого заполните банку наполовину горячей водой (кипяток брать не нужно, чтобы не обжечься). Порциями добавляйте соль и перемешивайте. Когда соль перестанет растворяться, оставьте раствор на одну-две минуты, чтобы нерастворившиеся кристаллы успели осесть. Отфильтруйте горячий раствор через воронку с ватой в чистый термос. Закройте термос крышкой и оставьте раствор медленно остывать два-три часа.
Раствор немного остыл. Теперь внесите в него затравку – кристаллик соли, подвешенный на нитке. После того как ввели затравку, прикройте сосуд крышкой и оставьте на продолжительное время. Чтобы вырос крупный кристалл, потребуется несколько дней или даже недель.
Обычно на нитке вырастает несколько кристаллов. Нужно периодически удалять лишние, чтобы рос один большой кристалл.
Важно записывать условия проведения эксперимента и его результат, в нашем случае это характеристики полученного кристалла. Если получилось несколько кристаллов, то приводят описание самого большого.
Изучите полученный кристалл и ответьте на вопросы.
• Сколько дней вы выращивали кристалл?
• Какого цвета кристалл?
• Прозрачный он или нет?
• Размеры кристалла: высота, ширина, толщина.
Зарисуйте или сфотографируйте полученный кристалл.
ПРАКТИЧЕСКАЯ РАБОТА № 5. Очистка поваренной соли
Целью данной работы является очистка поваренной соли, загрязненной речным песком.
Предложенная вам загрязненная поваренная соль представляет собой гетерогенную смесь кристаллов хлорида натрия и песка. Для ее разделения необходимо воспользоваться различием в свойствах компонентов смеси, например различной растворимостью в воде. Как известно, поваренная соль растворяется в воде хорошо, в то время как песок в ней практически нерастворим.
В химический стакан поместите выданную учителем загрязненную соль и налейте 50–70 мл дистиллированной воды. Перемешивая содержимое стеклянной палочкой, добейтесь полного растворения соли в воде.
Раствор соли от песка можно отделить фильтрованием. Для этого соберите установку как показано на рис. 77. С помощью стеклянной палочки осторожно перелейте содержимое стакана на фильтр. Прозрачный фильтрат будет стекать в чистый стакан, нерастворимые компоненты исходной смеси останутся на фильтре.
Рис. 77. Установка для фильтрования
Жидкость в стакане – это водный раствор поваренной соли. Выделить из него чистую соль можно выпариванием. Для этого 5–7 мл фильтрата налейте в фарфоровую чашку, поместите чашку в кольцо штатива и осторожно нагревайте на пламени спиртовки, постоянно перемешивая содержимое стеклянной палочкой.
Дистилляция (лат. distillatio — стекание каплями) — перегонка, испарение жидкости с последующим охлаждением и конденсацией паров.
Содержание
История
Предполагается, что дистилляция была изобретена арабами до X века, у Авиценны она упоминается, как метод получения эфирных масел.
Применение
В лабораторной практике условия дистилляции для некоторых видов продуктов стандартизованы. Наиболее известными являются ГОСТ 2177(воспроизводимости результатов тестирования бензина, керосина, дизельного топлива, нефти, а также различных растворителей.
фракционная перегонка — frakcinis distiliavimas statusas T sritis chemija apibrėžtis Distiliavimas, kurio metu distiliatas surenkamas į atskirus rinktuvus pagal virimo temperatūrą. atitikmenys: angl. fractional distillation rus. дробная перегонка; разгонка; фракционная… … Chemijos terminų aiškinamasis žodynas
Фракционная перегонка — то же, что фракционная Дистилляция … Большая советская энциклопедия
Перегонка нефти — разделение нефти на составные части (фракции) по их температурам кипения в целях получения товарных нефтепродуктов (См. Нефтепродукты) или их компонентов. П. н. начальный процесс переработки нефти на нефтеперерабатывающих заводах,… … Большая советская энциклопедия
Перегонка — Устройство простейшего перегонного аппарата Дистилляция (лат. distillatio стекание каплями) перегонка, испарение жидкости с последующим охлаждением и конденсацией паров. Простая дистилляция частичное испарение кипящей жидкой смеси путём… … Википедия
дробная перегонка — frakcinis distiliavimas statusas T sritis chemija apibrėžtis Distiliavimas, kurio metu distiliatas surenkamas į atskirus rinktuvus pagal virimo temperatūrą. atitikmenys: angl. fractional distillation rus. дробная перегонка; разгонка; фракционная… … Chemijos terminų aiškinamasis žodynas
Дробная перегонка — разделение жидкостей сложного состава на фракции; см. Фракционная перегонка … Большая советская энциклопедия
процесс многократной дистилляции, результатом которого станет разделение сложной смеси, состоящей из нескольких ингредиентов, на отдельные фракции. Часто этот процесс еще называют дробной перегонкой.
температура паров повышается. При превышении на 2-5 градусов, приемный сосуд меняют и начинают собирать промежуточную фракцию, состоящую из смеси паров разных компонентов.
1. Что такое дистилляция, или перегонка? На чем она основана?
