实验二 水蒸气蒸馏

实验二 水蒸气蒸馏 一、实验原理、方法、注意事项 1、原理 根据道尔顿分压定律，当与水不相混溶的物质与水共存时，整个体系的蒸气压应为各组分蒸气压之和，即： p＝ pA+ pB 其中p 代表总的蒸气压，pA为水的蒸气压，pB 为与水不相混溶物质的蒸气压。 当混合物中各组分蒸气压总和等于外界大气压时，这时的温度即为它们的沸点。此沸点比各组分的沸点都低。因此，在常压下应用水蒸气蒸馏，就能在低于100℃的情况下将高沸点组分与水一起蒸出来。因为总的蒸气压与混合物中二者间的相对量无关，直到其中一组分几乎完全移去，温度才上升至留在瓶中液体的沸点。我们知道，混合物蒸气中各个气体分压（pA，pB）之比等于它们的物质的量（nA，nB）之比，即： 而nA＝mA／MA；nB＝mB／MB。其中 mA、mB为各物质在一定容积中蒸气的质量，MA、MB为物质A和B的相对分子质量。因此： INCLUDEPICTURE "http://chemlab.jlu.edu.cn/Guojiajingpinke/youji/shyjchzhsh/shuizhengqi.files/image004.gif" \* MERGEFORMATINET 可见，这两种物质在馏液中的相对质量（就是它们在蒸气中的相对质量）与它们的蒸气压和相对分子质量成正比。 以苯胺为例，它的沸点为184.4℃，且和水不相混溶。当和水一起加热至98.4℃时，水的蒸气压为95.4 kPa，苯胺的蒸气压为5.6 kPa，它们的总压力接近大气压力，于是液体就开始沸腾，苯胺就随水蒸气一起被蒸馏出来，水和苯胺的相对分子质量分别为18和93，代入上式： 即蒸出3.3 g水能够带出1 g苯胺。苯胺在溶液中的组分占23.3％。实验中蒸出的水量往往超过计算值，因为苯胺微溶于水，实验中尚有一部分水蒸气来不及与苯胺充分接触便离开蒸馏烧瓶的缘故。 利用水蒸气蒸馏来分离提纯物质时，要求此物质在100℃左右时的蒸气压至少在1.33 kPa左右。如果蒸气压在 0.13～0.67 kPa，则其在馏出液中的含量仅占1％，甚至更低。为了要使馏出液中的含量增高，就要想办法提高此物质的蒸气压，也就是说要提高温度，使蒸气的温度超过100℃，即要用过热水蒸气蒸馏。例如苯甲醛（沸点178℃），进行水蒸气蒸馏时，在97.9℃沸腾，这时pA＝93.8 kPa，pB＝7.5 kPa，则：                 这时馏出液中苯甲醛占32.1％。 假如导入133℃过热蒸气，苯甲醛的蒸气压可达29.3kPa，因而只要有72 kPa的水蒸气压，就可使体系沸腾，则： 这样馏出液中苯甲醛的含量就提高到了70.6％。 应用过热水蒸气还具有使水蒸气冷凝少的优点，为了防止过热蒸气冷凝，可在蒸馏瓶下保温，甚至加热。 从上面的分析可以看出，使用水蒸气蒸馏这种分离方法是有条件限制的，被提纯物质必须具备以下几个条件：（1）不溶或难溶于水；（2）与沸水长时间共存而不发生化学反应；（3）在100℃左右必须具有一定的蒸气压（一般不小于1.33 kPa）。 2、实验方法 水蒸气蒸馏的方法分为直接法和间接法两种。直接法在实验上较为方便，常用于微量实验。操作时将盛有被蒸馏物的烧瓶中加入适量蒸馏水，加热至沸以便产生蒸气，水蒸气与被蒸馏物一起蒸出。对于挥发性液体和数量较少的物料，此法非常适用。 间接法是常量实验中经常使用的方法，其操作相对比较复杂，需要安装水蒸气发生器，常用水蒸气蒸馏的简单装置如图4（1）所示。图中A是水蒸气发生器，可使用三口瓶，也可使用金属制成的水蒸气发生器，通常盛水量以其容积的3/4为宜。如果太满，沸腾时水将冲至烧瓶。安全玻璃管B几乎插到发生器A的底部。当容器内气压太大时，水可沿着玻璃管上升，以调节内压。如果系统发生阻塞，水便会上升甚至从管的上口喷出，起到防止压力过高的作用。   （1） 图4水蒸气蒸馏装置 蒸馏部分可用三口烧瓶，瓶内液体不宜超过其容积的1/3。蒸气导入管E的末端正对瓶底中央并伸到接近瓶底2～3 mm处。馏液通过接液管进入接收器，接收器外围可用冷水浴冷却。 水蒸气发生器与盛物的圆底烧瓶之间应装上一个T形管C。在T形管下端连一个带螺旋夹的胶管或两通活塞D，以便及时除去冷凝下来的水滴，应尽量缩短水蒸气发生器与圆底烧瓶之间距离，以减少水气的冷凝。 进行水蒸气蒸馏时，先将被蒸溶液置于三颈瓶中，加热水蒸气发生器A，直至接近沸腾后再关闭两通活塞，使水蒸气均匀地进入圆底烧瓶。为了使蒸气不致在D中冷凝而积聚过多，必要时可在D下置一石棉网，用小火加热。必须控制加热速度，使蒸气能全部在冷凝管中冷凝下来。如果随水蒸气挥发的物质具有较高的熔点，在冷凝后易析出固体，则应调小冷凝水的流速，使它冷凝后仍然保持液态。假如已有固体析出，并且接近阻塞时，可暂时停止冷凝水或将冷凝水暂时放去，以使物质熔融后随水流入接收器中。当冷凝管夹套中要重新通入冷却水时，要小心而缓慢，以免冷凝管因骤冷而破裂。万一冷凝管已被阻塞，应立即停止蒸馏，并设法疏通（可用玻棒将阻塞的晶体捅出或用电吹风的热风吹化结晶，也可在冷凝管夹套中灌以热水使之熔化后流出来）。 在蒸馏需要中断或蒸馏完毕后，一定要先打开螺旋夹使通大气，然后方可停止加热，否则蒸馏瓶中的液体将会倒吸到A中。在蒸馏过程中，如发现安全管B中的水位迅速上升，则表示系统中发生了堵塞。此时应立即打开活塞，然后移去热源。待排除了堵塞后再继续进行水蒸气蒸馏。 在100℃左右蒸气压较低的化合物可利用过热蒸气来进行蒸馏。例如可在T形管C和蒸馏瓶之间串连一段铜管（最好是螺旋形的）。铜管下用火焰加热，以提高蒸气的温度。水蒸气蒸馏是用以分离和提纯有机化合物的重要方法之一，适用于： （1）混合物中含有大量的固体，通常蒸馏、过滤、萃取等方法都不能适用； （2）混合物中含有焦油状物质，采用通常的蒸馏、萃取等方法非常困难； （3）在常压下蒸馏会发生分解的高沸点有机物质。 简化的水蒸汽蒸馏装置可用蒸馏装置代替，见图4（2），在蒸馏烧瓶中加入待分离有机物和适量水，进行蒸馏操作，保持平稳沸腾，控制馏出液的流出速度，以2～3滴/秒为宜，馏出液澄清透明时为加热蒸馏终点，或者当温度计读书100℃时停止蒸馏。当水量过少时，可通过蒸馏头上配上配置的滴液漏斗补加水。 3、注意事项 (1)操作前,仔细检查整套装置的严密性。 (2)先打开T型管的止水夹,待有蒸汽逸出时再旋紧止水夹。 (3)控制馏出液的流出速度，以2～3滴/秒为宜。 (4)随时注意安全管的水位，若有异常现象，先打开止水夹，再移开热源，检查、排除故障后方可继续蒸馏。 (5)蒸馏结束后先打开止水夹，再停止加热，以防倒吸。 二、实验——苯甲醛的水蒸气蒸馏（1） （一）实验目的 1、了解水蒸气蒸馏的原理和意义； 2、学会水蒸气蒸馏的操作方法。 （二）药品和仪器 主要药品：苯甲醛 水 主要仪器：圆底烧瓶  温度计 直型冷凝管 尾接管  锥形瓶 滴液漏斗 克氏蒸馏头等 （三）实验原理 （参见本节一、1、） （四）实验步骤 首先安装好水蒸气蒸馏简化实验装置。 取5ml苯甲醛 ，加入5－10 ml水将混合物放入烧瓶中，滴液漏斗中加入半漏斗水，没到蒸馏终点，而液量不足时可滴加水。冷凝管通水，开始加热蒸馏，至终点，分液(苯甲醛的比重1.046，与水相近，若不分层，可加NaCl增加水相密度)，记录V苯甲醛 和V水 ，并计算苯甲醛的回收率。 （五）注意事项 (1)操作前,仔细检查整套装置的严密性。 (2)控制馏出液的流出速度，以2～3滴/秒为宜。 (3)馏出液澄清透明时为加热蒸馏终点。或者当温度计读书100℃时停止蒸馏。 （六）思 (1)水蒸气蒸馏的基本原理是什么？在什么情况下使用？ (2)水蒸气蒸馏的操作中应注意那些事项？为什么？ 实验——异戊醇和水杨酸混合物的分离（2） 1、 混合物中各组分的检查: 取两支试管, 分别滴入混合液10滴。在一支试管中加入10滴 0.1%FeCl3溶液, 观察现象(证明混合液中有水杨酸存在)；在另一支试管中加入5%K2Cr2O7溶液10滴,16%H2SO4 5滴, 摇匀在酒精灯上加热, 观察现象( 证明混合液中有异戊醇的存在 ) 。 2、水蒸气蒸馏: 将 50-60ml异戊醇和水杨酸的混合液（500:1）倒入150ml圆底烧瓶中,仪器安装好后, 用100ml锥形瓶收集馏出物。 当馏出液澄清透明不再有油状物时, 即可停止蒸馏。把馏出液倒入分液漏斗中, 静置分层, 将水层弃去。 3、各分离物的检查: 取两支试管, 分别滴入10滴馏出液(余者回收), 证明馏出液中仅含有异戊醇。另取两支试管, 分别加入10滴圆底烧瓶内剩余的蒸馏液, 证明其中仅含有水杨酸。