Фракционная перегонка и перегонка с дефлегматором

Возможности разделения веществ с помощью простой перегонки весьма ограничены. Фактически она позволяет отделить летучие соединения от нелетучих, например, диэтиловый эфир (Т_кип = 36 С) отогнать от анилина (Т_кип = 184 C). Если температуры кипения неограниченно смешивающихся жидкостей различаются менее, чем на 50 С, дистиллат – продукт перегонки – обязательно содержит компонент с высокой температурой кипения (даже если это первые капли дистиллата), а остаток в перегонной колбе (кубовый остаток) – компонент с низкой температурой кипения. Правда его содержание будет значительно меньше, чем в исходной смеси. Поэтому если перегонку повторить несколько раз, можно получить достаточно чистые вещества.

Практически при дробной перегонке поступают следующим образом. Смесь перегоняют, собирая три фракции, обычно в заранее выбранных температурных интервалах. Например, если перегоняется смесь метилового спирта (Т_кип = 64 С) и воды, температурный интервал, в котором может кипеть такая смесь, равен 100 – 64 = 36 С. Этот интервал делят на три части. Первую фракцию собирают в пределах 64 – 76 С, вторую – 76 – 88 С и третью – 88 – 100 С. Первая фракция содержит преимущественно (но не исключительно) метиловый спирт, а последняя – преимущественно воду. Чем больше разнятся температуры кипения компонентов, тем больше объемы первой и последней фракций и тем меньше объем промежуточной.

Далее вновь перегоняют первую фракцию. После того, как температура повторной перегонки поднимется до 76 С, к кубовому остатку прибавляют вторую фракцию первой перегонки. Может это покажется странным, хотя удивительного здесь ничего нет, но полученная смесь закипает при температуре ниже 76 С. Поэтому приемник дистиллата меняют только тогда, когда температура вновь не достигнет 76 С. Затем собирают фракцию с температурой кипения до 88 С и к кубовому остатку прибавляют третью фракцию, полученную при первой перегонке. Вновь жидкость закипает при температуре несколько ниже 88 С, поэтому приемник пока остается прежним. Третью фракцию собирают, как и первый раз в интервале температур 88 – 100 С. Если промежуточная фракция в результате повторной перегонки остается большой по объему, ректификацию повторяют еще и еще раз. В конечном счете путем больших затрат времени и труда с помощью фракционной перегонки можно получить практически чистые вещества, даже если они очень близки по температурам кипения. К счастью, существует более приемлемый вариант разделения смесей компонентов с близкими температурами кипения – ректификация.

Самым простым вариантом ректификации является перегонка с дефлегматором (рис. 8).

Рис. 8. Схема установки для перегонки с дефлегматором: 1 – термометр, 2 – дефлегматор, 3 – перегонная колба, 4 – водяная баня , 5 – прямой холодильник, 6 – алонж, 7 – приемная колба

Дефлегматор (2) – это стеклянная трубка, внутренняя поверхность которой сплошь покрыта выступами для увеличения площади контакта паров жидкости, поднимающихся из колбы (3), с конденсатом, стекающим обратно. (Конденсат в данном случае называется флегмой, откуда и название “дефлегматор”). В дефлегматоре горячие пары (предпочтительно компонент с высокой температурой кипения) конденсируются в более холодной жидкости. При этом выделяется теплота, которая расходуется на повторное испарение конденсата, причем предпочтительно его компонента с меньшей температурой кипения. Этот процесс конденсации – испарения многократно повторяется, и из дефлегматора в холодильник (5) поступает пар, обогащенный легко летучим компонентом.

Следует отметить, что эффективность работы дефлегматора тем выше, чем он длиннее, лучше термоизолирован и чем медленнее осуществляется перегонка. Установлено, что перегонка с дефлегматором длиной 1 м соответствует обычной двукратной перегонке. Практически используемые дефлегматоры в два – три раза короче, поэтому для более менее удовлетворительного разделения компонентов жидкости перегонку приходится повторять.

Очень простой по конструкции и эффективной в работе является лабораторная ректификационная колонка, представляющая собой стеклянную трубку диаметром 35 – 40 мм длиной 70 – 80 см, заполненную стеклянными колечками диаметром 4 – 5 мм или обрезками трубочек диаметром 2 – 2,5 мм длиной 6 – 7 мм. Такую колонку, как и дефлегматор, следует хорошо термоизолировать. Примерно половину выходящих из нее паров следует сконденсировать в обратном холодильнике и вернуть назад в колонку в виде флегмы. Вторая половина направляется в прямой холодильник и далее через алонж в приемную колбу. Перегонка с такой колонкой в 5 –10 раз более эффективна, чем обычная.

Существуют смеси, которые при определенном составе дают пар, не отличающийся по составу от жидкости. Они называются азеотропными (постояннокипящими) и разделить их никакой перегонкой невозможно. Примером азеотропа может служить смесь 95,57 % этилового спирта и 4,43 % воды. Эта смесь, подобно чистому веществу, вся выкипает при постоянной температуре (78,15 С).

Дополнительные сведения по технике лабораторных работ см. в [5, 6].