Загальна інформація
Застосування
Схема досліду
Багато речовин трапляються в природі як суміші речовин, а не як чисті речовини. Оскільки чимало речовин потрібні саме як чисті, було розроблено методи розділення, щоб розділяти суміші на окремі складники. Розділення окремих компонентів суміші завжди ґрунтується на різниці окремих компонентів у якійсь фізичній величині, як-от густина чи температура.
Важливий метод розділення - так звана дистиляція, за допомогою якої суміш із двох або кількох компонентів розділяють на складники. Метод дистиляції дає змогу розділяти рідкі суміші речовин завдяки різним температурам кипіння окремих компонентів.
Інша інформація (1/3)
Попередні знання
Учні та студенти вже мають володіти теоретичними знаннями про дистиляцію, а також знати можливі сфери її застосування.
Принцип
Під час нагрівання рідкої суміші речовин першою випаровується речовина з нижчою температурою кипіння, і її так можна дістати як «чистий» компонент.
Інша інформація (2/3)
Навчальна мета
Учні та студенти на прикладі розділення суміші «вода - етанол» знайомляться з практичним застосуванням дистиляції.
Завдання
Учні та студенти дистилюють рідку суміш речовин (суміш «вода - етанол») із застосуванням дистиляційної колони. За допомогою поворотного приймача дістають різні фракції дистиляту. Далі вимірюванням густини визначають склад (етанол : вода) окремих фракцій.
Інша інформація (3/3)
Додаткова інформація
Розділення рідких сумішей простою дистиляцією вдається більш-менш чисто лише тоді, коли температури кипіння окремих рідин різняться щонайменше на 40 К. Кращого розділення окремих компонентів досягають фракційною перегонкою, яку завдяки застосуванню дистиляційної колони можна виконати теж за один захід.
Через колону шлях пари до холодильника подовжується. При цьому вищекиплячі частки суміші конденсуються в колоні й стікають назад у колбу як флегма. Легшекиплячі частки потрапляють у холодильник і конденсуються там.
Дистиляційні колони працюють за принципом ректифікації та дефлегмації. Ректифікація описує збагачення завдяки постійному обміну речовиною й теплотою між рідкою та газуватою фазами, а дефлегмація - розділення завдяки частковій конденсації на охолоджувальних поверхнях колони. Розділювальна здатність зростає з активною поверхнею колони, але пропускна здатність зменшується через зменшений, наприклад насадкою, поперечний переріз колони. У технічному застосуванні, наприклад під час перероблення нафти, колони завдовжки 20 м можуть розділяти суміші з різницею температур кипіння в кілька градусів у масштабі тонн.
Правила безпеки
- Під час досліду всі присутні в приміщенні мають бути в захисних окулярах!
- Етанол - легкозаймиста рідина, змішувана з водою, пари якої з повітрям можуть утворювати вибухонебезпечні суміші.
- Етанол або суміш «етанол - вода»: горючі безгалогенні органічні розчинники та розчини збирати в позначену для цього посудину.
- Щодо H- і P-фраз зверніться, будь ласка, до відповідних паспортів безпеки.
- Для цього досліду діють загальні вказівки щодо безпечного експериментування на уроках природничих наук.
Теорія
Дистиляція як метод розділення - це найпростіший і найшвидший спосіб розділяти рідкі суміші завдяки різним температурам кипіння окремих компонентів.
Розділення рідких сумішей простою дистиляцією вдається більш-менш чисто лише тоді, коли температури кипіння окремих рідин різняться щонайменше на 40 К.
Однак у суміші, взятій у цьому досліді (етанол / вода), температури кипіння різняться лише приблизно на 20 °C (т. кип. етанолу бл. 78 °C). Тому в цьому досліді досліджують застосування «ефективнішого» методу розділення.
Кращого розділення окремих компонентів досягають фракційною перегонкою, тобто багаторазовим повторенням дистиляції, яку завдяки застосуванню дистиляційної колони можна виконати теж за один захід.
Обладнання
Складання та виконання
Складання та виконання
- Склади установку так, як на рисунку праворуч. Простеж, щоб утримувальні затискачі не створювали напружень.
- У двогорлу колбу вставляють термометр і заливають 80 мл води та 80 мл етанолу, а також кладуть кілька кипілок.
- На колбу ставлять колону Вігре та холодильник Лібіха з термометром. Термометр має бути занурений у дистиляційну пару.
- На кінці холодильника закріплюють поворотний приймач із чотирма приймальними колбами. Потім суміш у приймальній колбі нагрівають.
Схема досліду
Опрацювання результатів
Опрацювання результатів (1/5)
Спостереження
Суміш води та етанолу починає кипіти приблизно за температури в колбі 80 °C і конденсуватися у вигляді пари в колоні Вігре. Стікання конденсату назад у колбу добре видно. Через конденсацію установка нагрівається аж до термометра в холодильнику. Пара, що доходить угорі до колони Вігре, має температуру близько 78 °C.
Пара конденсується в холодильнику Лібіха і крапає в приймач. У ході дистиляції температура в колбі повільно зростає, але термометр у холодильнику й далі показує температуру кипіння етанолу - близько 78 °C. Після того як перегнано близько 30 мл, приймальну колбу міняють, повертаючи алонж, і збирають ще близько 30 мл. Щойно температура в холодильнику зросте до 79–80 °C, переходять до третьої приймальної колби. Тим часом температура в дистиляційній колбі повільно зростає до 100 °C. Дистилюють, доки й угорі колони, тобто на термометрі, не буде досягнуто 100 °C.
Опрацювання результатів (2/5)
Опрацювання результатів
Для другої фракції (за потреби й для двох перших фракцій) пікнометром визначають густину. Густині, наприклад, p = 0,814 відповідає за таблицею вміст етанолу 94,7 об.%. Результат дистиляції не вдасться істотно поліпшити навіть багаторазовим фракціонуванням, бо азеотроп лежить на 95,6 %. Решту води можна усунути лише хімічними засобами, як-от негашеним вапном або безводним купрум(II) сульфатом (пор. також дослід CT 36.2 «Добування безводного етанолу; визначення густини»).
Суміші «етанол - вода» (з: E. Merck, Hilfstabellen für das chemische Laboratorium)
Опрацювання результатів (3/5)
Питання
Опрацювання результатів (4/5)
Питання
Опрацювання результатів (5/5)
Питання