3.5. Перегонка с водяным паром.

Перегонку с водяным паром применяют, если по каким-либо причинам неприменимы другие способы очистки (обычная перегонка, кристаллизация или экстракция).

Общая упругость паров гетерогенной смеси определяется упругостью паров отдельных компонентов. Получается, что суммарная упругость паров смеси больше упругости паров каждого отдельно взятого компонента и температура кипения такой смеси всегда ниже температуры кипения наиболее низкокипящего компонента. Наиболее важным практическим случаем такой перегонки является перегонка с водяным паром. Малорастворимое в воде вещество перегоняют в смеси с водой или в такую смесь пропускают водяной пар. С водяным паром можно успешно перегонять вещества с температурой кипения значительно выше 100 ^оС. Перегонку с паром применяют: 1) для разделения смесей веществ, из которых только одно летуче с водяным паром; 2) для очистки веществ от смолистых примесей; 3) если она приводит к более полному разделению летучих веществ, чем перегонка под уменьшенным давлением.

Перегонку с водяным паром лучше вести непосредственно из реакционной колбы, потому что перенесение продуктов реакции в другой сосуд связано с его потерями. Поэтому реакции, продукты которых подлежат перегонке с водяным паром, следует проводить в таких колбах, которые пригодны для перегонки с водяным паром (круглодонная колба с длинным горлом). Обычный прибор для перегонки с водяным паром изображен на рис. 18.

Рис. 18. Прибор для перегонки с водяным паром

Водяной пар получают в паровике 2 (парогенератор) емкостью около 2 л, снабженном отводной трубкой. Паровик соединяется резиновой трубкой с пароподающей трубкой 4, доходящей почти до дна колбы 5, в которой находится перегоняемое вещество. Отгоняемые пары через переходник 6 поступают в холодильник 7, где конденсируются и стекают в приемник 9. Паровик снабжен длинной стеклянной трубкой 3, доходящей почти до дна; эта трубка служит в качестве предохранительного клапана. В паровике воду нагревают до кипения. В отгонную колбу 5 помещают перегоняемое вещество и немного воды, содержимое этой колбы нагревают почти до кипения и начинают пропускать пар из паровика. Сначала пар конденсируется в переходнике 6, а затем, когда давление пара смеси достигнет величины, равной внешнему давлению, начинается кипение. Образующиеся пары конденсируются в холодильнике и поступают в приемник. Вследствие тепловых потерь объем жидкости в колбе 5 постепенно увеличивается. Чтобы избежать этого, горло колбы следует теплоизолировать, одновременно нагревая колбу. Если из холодильника начнут выходить не сконденсировавшиеся пары дистиллята, нужно уменьшить скорость перегонки. Часто во время перегонки твердых веществ они затвердевают в холодильнике. В таком случае следует прекратить подачу в холодильник охлаждающей воды, а если это не поможет, следует протолкнуть "пробку" длинной стеклянной палочкой.

3.6. Перегонка под уменьшенным давлением

Некоторые вещества не могут быть перегнаны при нормальном давлении ввиду частичного или полного разложения их при температуре кипения. Перегонять такие вещества можно при условии, если давление в перегонной колбе будет понижено настолько, чтобы температура кипения вещества была ниже температуры разложения. Для создания пониженного давления в лабораториях применяют водоструйные и ротационные масляные насосы. Вакуум, создаваемый водоструйным насосом (см. рис. 22 «а», «б»), ограничен упругостью паров воды. В зависимости от температуры воды водоструйный насос понижает давление до 6 - 15 мм рт. ст. Более глубокий вакуум можно достичь при применении масляного насоса. Простейший прибор для перегонки под уменьшенным давлением изображен на рис. 19.

Рис. 19. Простейшая схема для перегонки в вакууме

Рис. 20. Прибор для непрерывной перегонки в вакууме

Для удобства при работе используются и более сложные схемы установок для перегонки. Такой прибор для перегонки в вакууме показан на рис. 20. При перегонке в вакууме следует применять круглодонные или грушевидные колбы.

Чаще всего для перегонки в вакууме используют колбы Кляйзена, имеющие два горла и боковой отвод. Прямое горло закрывается резиновой пробкой с вставленной через нее стеклянной трубкой с оттянутым на конце капилляром. Проходящие через капилляр пузырьки воздуха или инертного газа создают равномерное перемешивание жидкости без переброса и перегрева.

Скорость подачи газа через капилляр регулируется винтовым зажимом или краном (3). Во второе боковое горло колбы вставляют термометр, шарик термометра должен быть, как обычно, на 0,5 см ниже бокового отвода. При перегонке высококипящих жидкостей дистиллят можно охлаждать без холодильника, соединяя отводную трубку перегонной колбы с приемником. Приемниками при перегонке служат небольшие круглодонные колбы, соединенные с холодильником при помощи аллонжа. Аллонж должен иметь отвод для соединения его с вакуум-насосом. В таком случае можно отобрать только одну фракцию, если необходимо отобрать следующую фракцию, кипящую при более высокой температуре, то перегонку временно прекращают и меняют приемник. Для того чтобы не прерывать перегонку, применяют специальные аллонжи - "пауки" (рис. 21),

Рис. 21. Пауки для перегонки в вакууме

имеющие несколько отводов, на которые герметично надеваются приемники. Для соединения всех частей прибора применяют толстостенные резиновые трубки (с толщиной стенок 4 - 6 мм) и резиновые пробки. Но лучше всего при вакуумной перегонке применять прибор на шлифах.

Перегонку веществ, разлагающихся в присутствии воздуха, ведут в атмосфере инертного газа, пропуская его через капилляр.

Нагревание перегонной колбы ведут на бане (водяной, масляной, песчаной, воздушной). Колба должна быть погружена ниже уровня жидкости, находящейся в бане. Давление, при котором производят перегонку, измеряют ртутным манометром, присоединенным к системе (рис. 22, «г»).

Рис. 22. Водоструйные насосы и вспомогательное оборудование при работе с вакуумом

При работе с вакуумом необходимо между прибором и насосом ставить предохранительную склянку (или ловушку, рис. 22, «в»), чтобы избежать возможности выброса воды из насоса в прибор и манометр. Работу на вакуум - установке ведут в защитных очках или защитной маске. Прежде чем начать работу в вакууме необходимо проверить прибор на герметичность. К собранному прибору присоединяют шланг насоса, включают насос, поворотом крана перекрывают сообщение прибора с воздухом, закрывают зажимом подачу воздуха через капилляр и открывают кран на манометре. Если остаточное давление в системе оказывается большим, чем дает сам насос и чем необходимо для работы, то прибор проверяют на герметичность по частям. Выключение вакуума происходит в обратном порядке по сравнению с включением.

После проверки прибора на герметичность можно наполнить колбу (не долее 1/2 объема) перегоняемой жидкостью. Наливать жидкость следует через воронку, вставленную в боковое горло колбы ниже бокового отвода. Затем боковое горло закрывают пробкой с термометром и включают насос. После этого перекрывают краном сообщение с атмосферой, закрывая зажим на капиллярной трубке так, чтобы через жидкость проходили маленькие пузырьки из капилляра со скоростью 3 - 5 пузырьков в секунду, и открывают кран у манометра. Только после того как установится постоянный вакуум в системе, можно начинать нагрев колбы, при этом кран у манометра закрывают. Как только вещество начинает перегоняться, открывают кран у манометра и проверяют давление. Вещество должно перегоняться со скоростью 2-3 капли в секунду. При достижении нужных температур кипения собирают отдельные фракции, меняя приемники поворотом "паука".

Нельзя перегонять вещество досуха. После окончания перегонки отключают обогрев, дают прибору охладиться. Затем при перекрытом кране у манометра осторожно пропускают воздух через капилляр, после этого открывают кран, соединяющий прибор и насос со средой. Когда давление в приборе сравнится с атмосферным давлением, открывают кран у манометра и разбирают прибор.

В лабораторной практике большое применение находит выпаривание жидкости в вакууме, которое проводят при относительно низкой температуре и достаточно быстро на роторных испарителях. Колба с отгоняемой жидкостью вращается в наклонном положении вокруг своей оси. Она соединена с эффективным водяным холодильником и приемником для дистиллята, а далее - с источником вакуума. При вращении колбы на ее внутренней поверхности постоянно образуется пленка жидкости, а внешняя поверхность колбы нагревается на бане. Благодаря большой поверхности испарение жидкости происходит очень быстро.