2013
DESTYLACJA FRAKCYJNA I OZNACZANIE WSPÓŁCZYNNIKA
ZAŁAMANIA ŚWIATŁA
Destylacja frakcyjna
Niekiedy jednokrotna destylacja nie pozwala na całkowite rozdzielenie mieszaniny,
np. wtedy, gdy składniki mieszaniny mają podobną temperaturę wrzenia. Powstaje wtedy
kilka frakcji pośrednich, zawierających co najmniej dwa składniki. W takim przypadku
stosuje się rektyfikację czyli destylację z zastosowaniem kolumn destylacyjnych
(rektyfikacyjnych), w których zachodzi kilkanaście następujących po sobie procesów
destylacji. Proces ten nazywa się inaczej destylacją frakcyjną.
W czasie destylacji frakcyjnej pary cieczy podążają ku górze kolumny destylacyjnej,
ulegając w tym czasie częściowemu skropleniu. Utworzony kondensat spływa w dół
kolumny i spotyka się z dążącymi ku górze gorącymi parami. Następuje wymiana cieplna
pomiędzy dwiema fazami, a pary wzbogacają się w składnik bardziej lotny. W kolumnie
zachodzi więc wielokrotny proces parowania i skraplania. Najpierw następuje destylacja
składnika najbardziej lotnego. Po zakończeniu destylacji pierwszej frakcji, zbiera się nieco
frakcji mieszanej (jej ilość zależy od różnicy temperatur wrzenia i sprawności kolumny), a
następnie destyluje kolejna czysta frakcja. Aby uniknąć strat ciepła, dłuższe kolumny można
owinąć tkaniną szklaną.
Na Rys. 2 przedstawiono zestaw do zwykłej destylacji frakcyjnej, który od zestawu do
destylacji prostej odróżnia zamontowanie kolumny Vigreux (3) między kolbą destylacyjną
(1) a nasadką destylacyjną (4). Kolumnę Vigreux stanowi rura szklana z wgięciami
wykonanymi w ten sposób, że co drugie wgięcia na tym samym poziomie są skierowane w
dół pod kątem 45°. Ma to na celu zbieranie cieczy ze ścian i przeniesienie jej do środka
kolumny.
Po rozpoczęciu destylacji, dopływ ciepła reguluje się w ten sposób, żeby w ciągu
jednej sekundy do odbieralnika spływały 1-2 krople destylatu. W tych warunkach powinno się
uzyskać dość wydajne rozdestylowanie mieszaniny. Jeśli kolumna destylacyjna zdolna jest do
wyraźnego rozdestylowania mieszaniny na poszczególne frakcje, to po przedestylowaniu
frakcji nisko wrzącej destylacja ustaje. Wtedy zwiększa się powoli ogrzewanie, aż zacznie
destylować druga frakcja, czemu towarzyszy znaczny wzrost temperatury odczytanej na
termometrze. W przypadku mało sprawnej kolumny otrzymuje się stosunkowo znaczne ilości
frakcji pośrednich.
2013
Rys. 2 Zestaw do destylacji frakcyjnej (objaśnienia cyfr w tekście)
Oznaczenie współczynnika załamania światła (
T
D
n )
Wielkością fizykochemiczną charakterystyczną dla danej substancji ciekłej (w danej
temperaturze i przy określonej długości fali) jest współczynnik załamania światła (
T
D
n
).
Wielkość ta związana jest ze zjawiskiem załamania promienia świetlnego przy jego przejściu
między dwoma ośrodkami różniącymi się gęstością optyczną (Rys. 3).
Rys. 3 Zjawisko załamania promienia światła przy przejściu z ośrodka o mniejszej gęstości
optycznej do ośrodka o większej gęstości optycznej (Źródło:
http://www.fizykagimnazjum.cba.pl/wlasciwosci_swiatla.html
)
2013
Zgodnie z prawem Snelliusa jest on definiowany jako stosunek prędkości światła w
ośrodku optycznie rzadszym (V
1
) do prędkości światła w ośrodku optycznie gęstszym (V
2
).
2
sin
1
sin
2
V
1
V
n
α
α
=
=
, oznaczenia kątów
α
1
,
α
2
jak na rys. 3 i 4
Zasada pomiaru współczynnika załamania światła oparta jest na zjawisku całkowitego
wewnętrznego odbicia (Rys. 4). Może ono wystąpić w sytuacji przejścia promienia
ś
wietlnego z ośrodka o większej gęstości optycznej do ośrodka o mniejszej gęstości
optycznej. Wówczas kąt załamania jest większy od kąta padania, a dla określonego kąta
padania
α
2
zwanego kątem granicznym
(α
gr
)
kąt załamania
α
1
wynosi 90
o
(jak dla promienia
zaznaczonego na czerwono na rys. 4). Wówczas załamany promień światła jest równoległy
do granicy ośrodków, a wszystkie promienie padające na ośrodek optycznie rzadszy pod
kątem większym od
α
gr
ulegają całkowitemu wewnętrznemu odbiciu. Kąt ten jednoznacznie
określa wartość współczynnika n, ponieważ gdy
α
1
=90
o
C, sin
α
1
= 1, a wyżej wymieniony
wzór przyjmuje postać:
2
sin
1
n
α
=
Rys. 4 Zjawisko całkowitego wewnętrznego odbicia. (Źródło:
http://www.fotoporadnik.pl/calkowite-odbicie-wewnetrzne.html
)
2013
Pomiaru współczynnika załamania światła dokonuje się najczęściej w temperaturze
293 K (20
o
C) i przy długości fali 589 nm (D-długość fali światła sodowego). Na ćwiczeniach
wielkość tą mierzymy za pomocą refraktometru Abbego (Rys. 5). Jego główne elementy to
okular, pryzmaty: nakrywkowy i pomiarowy i pokrętła umożliwiające dokonanie
prawidłowego odczytu
Wiązka światła skierowana na pryzmat przechodzi do warstwy badanej cieczy
optycznie rzadszej i tutaj część promieni padających pod kątem większym od kąta
granicznego
α
gr
zostaje całkowicie odbita i nie oświetla skali, zaś część promieni padająca
pod kątem mniejszym od kąta granicznego oświetla skalę. W pewnej pozycji zwierciadła i
położenia pryzmatów w polu widzenia obiektywu będzie widoczne pole oświetlone i pole
ciemne. Promienie wpadające pod kątem granicznym będą stanowiły linię podziału tych pól;
przy odczycie linia ta powinna przebiegać przez środek widocznego krzyża. Odpowiednie
wyskalowanie refraktometru umożliwia bezpośredni odczyt się współczynnika załamania
ś
wiatła bez konieczności wyznaczania kąta granicznego.
Rys. 5 Refraktometr Abbego (objaśnienia cyfr w tekście)
Wykonanie pomiaru:
W czasie pomiarów okienko (1), które oświetla pryzmat nakrywkowy (2) powinno być
odsłonięte i skierowane w kierunku najbardziej intensywnego źródła światła.
2013
Kolejność wykonywanych czynności:
1.
Odchylić oprawę pryzmatu nakrywkowego (2) do oporu w górę.
2.
Oczyścić powierzchnię obu pryzmatów za pomocą ligniny zwilżonej etanolem (również
po każdorazowym pomiarze!!!!)
3.
Za pomocą pipetki przenieść na powierzchnię dolnego pryzmatu pomiarowego (3) kilka
kropel badanej cieczy tak, aby po zamknięciu pryzmatów cała powierzchnia pomiarowa
była pokryta cieczą.
4.
Opuścić pryzmat nakrywkowy i docisnąć do płaszczyzny pomiarowej.
5.
Za pomocą zwierciadła (4) oświetlić skalę w polu widzenia refraktometru.
Poprzez delikatny obrót pokrętła (5) uzyskać ostre, wyraźne, bezbarwne rozgraniczenie
ciemnego i jasnego tła w polu widzenia okularu (7). Ostrość widzenia można poprawić
poprzez delikatny obrót pokrętła znajdującego się w okularze.
Uwaga!! Jeżeli nie można uzyskać wyraźnej granicy pół jasnego i ciemnego oznacza
to, że ciecz w pryzmacie odparowała lub spłynęła. Należy ją ponownie nanieść na
pryzmat.
6.
Obrotem pokrętła (6) naprowadzić linię graniczną dokładnie na środek krzyża w
górnym okienku okularu (tak, aby uzyskać widok pokazany w górnej części Rys. 6).
7.
Dokonać odczytu wartości współczynnika załamania światła z górnej skali (Rys. 6).
Skala umożliwia podanie wyniku pomiaru z dokładnością do 4 miejsc po przecinku.
Rys. 6 Pole widzenia w okularze refraktometru
Cel ćwiczenia:
Celem ćwiczenia jest rozdzielenie mieszaniny dwóch związków metodą destylacji
frakcjonowanej oraz zidentyfikowanie tych związków na podstawie wyznaczonej podczas
2013
destylacji temperatury wrzenia oraz współczynnika załamania światła. W wariancie II
dodatkowo wyznacza się skład ilościowy otrzymanej do rozdzielenia mieszaniny.
Przebieg ćwiczenia:
Wariant II
1. Montaż aparatury
Do kolby destylacyjnej zawierającej roztwór, który będzie poddawany destylacji
frakcyjnej wrzucić kamyczki wrzenne i zmontować zestaw do destylacji frakcyjnej
zgodnie z Rys. 2. Umieścić kolbę destylacyjną (1) w koszu grzejnym (2), a następnie
nałożyć na nią kolumnę Vigreux (3). Kolumnę połączyć z chłodnicą (5) poprzez nasadkę
destylacyjną (4). Jako odbieralnik zastosować cylinder miarowy o pojemności 50 cm
3
.
Dolny króciec chłodnicy (5) powinien być połączony z kranem za pomocą węża
gumowego, a koniec węża odprowadzającego wodę z górnego króćca chłodnicy należy
umieścić w zlewie. Odkręcić delikatnie zawór w kranie i wyregulować przepływ wody.
Włożyć termometr (5) w nasadkę destylacyjną - zbiornik z rtęcią powinien znajdować się
odpowiedniej wysokości (patrz Rys. 2).
1.
Ustawić odpowiednią moc ogrzewania kosza grzejnego tak, aby szybkość destylacji
wynosiła około 2 krople na sekundę (ze względu na bezwładność cieplną zestawu,
równowaga zostanie osiągnięta po pewnym czasie). Taka szybkość destylacji powinna
być utrzymana do końca destylacji. Jeżeli szybkość destylacji maleje należy ostrożnie
zwiększyć moc ogrzewania.
2.
Zanotować temperaturę, w której wrze pierwsze 10 cm
3
cieczy i odlać zawartość cylindra
miarowego do małej kolbki. Nie przerywać destylacji. Zmierzyć współczynnik załamania
ś
wiatła pobranej próbki (jedna osoba dokonuje pomiaru, druga prowadzi destylację).
3.
Kontynuować destylację, notując temperaturę po każdych kolejnych odebranych
5 cm
3
destylatu aż do końca destylacji. Jej przebieg opisują poniższe punkty 5 i 6.
Notatki zachować do sporządzenia wykresu (Rys. 6)
4.
Gdy cały składnik niżej wrzący przedestyluje, temperatura zacznie spadać. Należy wtedy
odlać zawartość cylindra do osobnej kolby (ta frakcja zawiera ciecz niżej wrzącą) i
następnie ostrożnie zwiększyć ogrzewanie, tak, aby osiągnąć pożądaną szybkość
destylacji (ok. 2 krople na sekundę), którą należy prowadzić aż do względnego
ustabilizowania się temperatury. Po odebraniu ok. 10 cm
3
destylatu (objętość ta jest
zmienna i zależy od składu destylowanego roztworu i szybkości destylacji) przelać
2013
zawartość cylindra do osobnej kolby lub probówki (jest to frakcja pośrednia, która
zawiera oba składniki) i zmierzyć jej współczynnik załamania światła.
5.
Prowadzić destylację do momentu, kiedy w kolbie destylacyjnej pozostanie ok. 10 cm
3
cieczy (średnica powierzchni cieczy wynosi wtedy ok. 5 cm dla kolby okrągłodennej 250
cm
3
). Ostatnie 5 cm
3
destylatu pobrać do osobnego cylindra celem zmierzenia
współczynnika załamania światła wyżej wrzącej cieczy. Nie destylować do sucha!!
6.
Po ostygnięciu aparatury rozmontować ją i zmierzyć objętość pozostałości w kolbie
destylacyjnej (V
k
).
W sprawozdaniu:
1.
Sporządzić wykres zależności T = f(V).
2.
Na podstawie wykresu wyznaczyć objętości dwóch cieczy (V
A
i V
B
), które stanowiły
składniki roztworu otrzymanego do analizy. Sposób wyznaczania objętości z wykresu
przedstawia Rys. 7.
3.
Uzupełnić poniższą tabelę, dokonując identyfikacji składników destylowanej mieszaniny.
Wielkość fizyczna
Substancja A
(niżejwrząca)
Substancja B
(wyżejwrząca)
Frakcja
pośrednia
Objętość
końcowa
Temperatura
wrzenia [
o
]
zmierzona
---------------
---------------
Literaturowa
---------------
---------------
Współczynnik
załamania światła
zmierzony
---------------
Literaturowy
---------------
---------------
Objętość [cm
3
]
Zmierzona
---------------
---------------
---------------
Wyznaczona
---------------
---------------
Identyfikacja składników
mieszaniny otrzymanej do
destylacji
---------------
---------------
2013
Rys. 7 Przykładowy wykres zależności T=f(V)
T
A
- temperatura wrzenia składnika A
T
B
- temperatura wrzenia składnika B
V
A
- objętość składnika A
V
B
- objętość składnika B