Інформація для вчителів
Застосування
Схема досліду
Природна нафта за складом сильно різниться залежно від місця походження. І без того малий вміст низькокиплячих вуглеводнів під час перевезення та зберігання загалом ще й зменшується (через випаровування). Тому на нафтопереробних заводах нафту перед перегонкою піддають ще й перетворенню (наприклад, крекінгу), під час якого довголанцюгові й висококиплячі складники частково розщеплюються на низько- і середньокиплячі вуглеводні.
Тому для демонстраційних дослідів сира нафта здебільшого не годиться. Під час нагрівання вона може сильно спінюватися (насадка за Штутцером слугує тут піногасником) і дає замало низькокиплячих складників. Натомість краще брати «модельну нафту».
Інша інформація для вчителя (1/3)
Попередні знання
Учні мають знати використані алкани та їхні молекулярні формули. Використані лабораторні прилади слід пояснити перед дослідом, щоб звести до мінімуму небезпеки під час виконання.
Принцип
Через різну довжину ланцюга алкани мають і різні температури кипіння. Під час нагрівання поступово випаровуються всі складники суміші речовин і потрапляють у ректифікаційну колону. На тарілках колони збираються окремі фракції, посортовані за температурою кипіння.
Інша інформація для вчителя (2/3)
Навчальна мета
Температури кипіння алканів зростають із довжиною ланцюга. Завдяки цьому ефекту компоненти нафти можна розділити.
На нижній тарілці колони збираються найважчекиплячі, а на верхній - найлегкокиплячі складники.
Кроки
- «Модельну нафту» нагрівають доти, доки вона не випарується і не потрапить у ректифікаційну колону.
- Після випаровування чекають доти, доки алкани знову не сконденсуються.
- Протягом усього процесу вимірюють температури.
Інша інформація для вчителя (3/3)
Варіанти
- Щоб поліпшити роздільну здатність обох тарілок, дослід можна змінити на установку з повним зворотним потоком. Настанова щодо цього міститься в кінці інструкції до досліду.
- Дослід можна виконати й з лабораторними термометрами замість цифрового вимірювача. При цьому вимірювач і температурні давачі не потрібні, натомість потрібні аналогові термометри.
| Лабораторний термометр, -10...+150°C, l=240мм, занурювана частина 50мм | 38058-00 | 4 шт. |
Правила безпеки
- Пари важчі за повітря й утворюють із повітрям вибухонебезпечні суміші.
- При електростатичних зарядах існує небезпека займання.
- Пари не вдихати. Уникати потрапляння в очі та на шкіру.
- Під час виконання досліду слід носити придатний захисний одяг і захисні окуляри.
- Щодо H- і P-фраз, будь ласка, звертайтеся до паспорта безпеки відповідного реактиву!
Теорія
Пальне добувають із сирої нафти
Нафта, і досі одна з найважливіших сировин світу, є сумішшю, зокрема, багатьох вуглеводнів. Оскільки сира нафта - це суміш речовин із різними температурами кипіння, окремі речовини з різними інтервалами кипіння можна відділити перегонкою у вигляді фракцій. У цьому досліді «нафту» переганяють модельно. Для цього суміш нагрівають настільки, щоб окремі складники випарувалися. Ці пари так потрапляють у ректифікаційну колону.
На цих тарілках колони збираються пари, тобто дистиляти окремих фракцій. Ректифікаційна колона при цьому «працює» за принципом протитечії. Оскільки сира нафта при нагріванні може сильно спінюватися, у цьому випадку використовують «модельну нафту».
Обладнання
Складання та виконання
Складання (звичайне)
Рис. 1 Схема встановлення тримачів
Тримачі насаджують на плату для комплексних дослідів (рис. 1) і фіксують пружинними шплінтами зі зворотного боку плати.
Далі апаратуру збирають так, як показано на рис. 2, і закріплюють на тримачах. Осушувальну трубку біля приймальної колби наповнюють активованим вугіллям, причому по жмутку кварцової скловати на кінцях не дає активованому вугіллю висипатися.
Активоване вугілля дбає про те, щоб під час досліду не було неприємного запаху і щоб учитель та учні не зазнавали дії нафти.
Рис. 2 Повністю зібрана установка без модельної нафти
Виконання (1/2)
Круглодонну колбу на 250 мл наповнюють приблизно на дві третини сумішшю н-пентану, н-гексану й н-гептану (1:1:1; «модельна нафта») і додають кілька кульок для кипіння. На нагрівнику встановлюють максимальну потужність нагрівання, а на регуляторі потужності вибирають найбільший щабель (10) доти, доки перші бульбашки в рідині не покажуть початок кипіння.
Далі регулятор ставлять на щабель 9. Зі зменшенням кількості рідини в круглодонній колбі потужність слід трохи зменшувати. Температуру відстежують увесь час і записують через відповідні проміжки часу. В ідеалі температуру фіксують цифрово за допомогою функції реєстрації даних вимірювача.
Виконання (2/2)
Щойно в приймачі сконденсується достатньо дистиляту - обидві тарілки мають бути насичені, - усі три фракції можна дослідити газохроматографічно і/або підпалити.
Для проби на горіння невеликі кількості фракцій наливають у придатні порцелянові чашки і підпалюють їх (Обережно!). Верхня фракція горить майже без кіптяви, тоді як обидві інші фракції з колони помітно схильні до утворення кіптяви.
Окремі фракції можна далі проаналізувати газовим хроматографом.
Протокол
Складання (повний зворотний потік)
Рис. 3 Схема встановлення тримачів
Варіант досліду: за бажаного повного зворотного потоку
Тримачі встановлюють за рис. 3, апаратуру закріплюють на тримачах. Круглодонну колбу на 250 мл наповнюють і нагрівають, як у звичайній частині досліду (див. також «Виконання» для звичайної частини досліду).
Додаткові матеріали для цього не потрібні, натомість не потрібні:
| Тримач із затискачем, d=18-25 мм | 45520-00 | 1 |
| Термопара, NiCr-Ni, тип K, -40°C ... +1000°C | 13615-06 | 1 |
| Круглодонна колба, Duran®, 100 мл, двогорла, GL 25/12, GL 18/8 | 35842-15 | 1 |
| Дистиляційна насадка, боросилікат, GL 18/8 | 35902-15 | 1 |
| Насадка за Штутцером, боросилікат, GL 25/12 | MAU-27226500 | 1 |
| Осушувальна трубка, Duran®, пряма, 200 мм, SB 19 | 36941-00 | 1 |
| Скловата 10 г | 31773-03 | 1 |
| Вугілля активоване, гранульоване, 500 г | 30011-50 | 1 |
Виконання (повний зворотний потік)
Круглодонну колбу на 250 мл наповнюють і нагрівають, як у звичайній частині досліду (див. також «Виконання»).
Виконання досліду по суті відповідає звичайній установці. Проте в цьому варіанті додаткове регулювання не потрібне. Температуру відстежують увесь час і записують через відповідні проміжки часу або реєструють даталогером.
Приблизно через 10 хвилин модельна нафта починає кипіти. Невдовзі по тому на нижній тарілці колони конденсується перша рідина. Приблизно через 20 хвилин конденсат є і на верхній тарілці. Ще через 10 хвилин установлюється рівновага. У колбі при цьому вимірюється температура близько 62°C. На нижній тарілці можна виміряти близько 41°C, а на верхній - близько 37°C. За високих початкових температур (регулятор увесь час на 10) спочатку спостерігаються більші різниці температур між тарілками (до 10°C), які після довшого очікування знову вирівнюються. Перегонкою без відбору можна визначити роздільну здатність ректифікаційної колони (число тарілок).